一种改进的hbt小信号等效电路模型建立方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微电子技术领域，更进一步涉及半导体器件技术领域中的HBT小信号 等效电路模型的建立方法，用于超高速集成电路的设计。
【背景技术】
[0002] HBT是指磷化铟异质结双极型晶体管，它广泛地应用于超高速数字集成电路、超 高速数模混合集成电路等微波毫米波集成电路中。随着HBT应用的不断开拓，建立器件精 确的大信号等效电路以及快速准确的参数提取方法，对HBT的电路设计具有十分重要的意 义，小信号等效电路作为大信号等效电路的重要组成部分，逐渐成为微电子技术领域研究 的重点和热点。
[0003] 目前对于HBT的小信号等效电路的参数提取方法，大致可分为两类：优化法和分 析法。优化法的准确度主要依赖于所采取的优化方法以及参数初始值的设置，计算量很大， 精确度较差。直接参数提取的分析法是以测试所得到的实验数据为基础进行参数的提取， 提取的参数具有明确的物理意义，而且在较宽频率范围内都具有较好的精度。然而，现有技 术中的参数提取方法普遍比较复杂，不具有简明清晰的特点。
[0004] 专利号201310028044. 0的中国专利公开了 InP HBT小信号模型的参数提取方法， 具体是提取出寄生参数、外部电阻参数和本征参数这三个参数，从而得到小信号模型。该专 利的不足是：首先，忽略了在HBT的平坦化工艺中，各极金属引线之间交叠电容的影响，其 次，忽略了 HBT晶体管的交流发射极电流集聚效应的影响，最后，基极-集电极结外电容的 引入降低了本征部分参数的提取精度，从而降低了 HBT小信号等效电路的仿真精度，需要 加以改进。
【发明内容】
[0005] 本发明的主要目的是公开一种改进的HBT小信号等效电路模型建立方法，克服现 有技术中存在的问题，提高HBT小信号等效电路的仿真精度。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 一种改进的HBT小信号等效电路模型建立方法，包括：采用开路结构和短路结构提取 焊盘寄生参数，采用集电极开路的方法提取器件电阻参数，还包括如下步骤： 步骤1、利用平行板电容提取方法，得到极间金属引线交叠电容参数一一基极-发射极 引线电容G和集电极-发射极引线电容 步骤2、提取本征参数： (1)提取本征小号等效电路的本征参数 基极内电阻沉i和基极扩散电容c bi: (la)提取本征小信号等效电路的阻抗参数Zint: (Ial)测量完整的HBT等效电路的散射参数&将所述焊盘寄生参数从散射参数&中 剥离掉，并进行变换，得到去嵌入处理后的阻抗参数石； (la2)对阻抗参数Zd进行变换，得到去嵌入处理后的导纳参数/D;将所述极间金属引线 交叠电容参数从导纳参数/D中剥离掉，得到去寄生后等效电路的导纳参数/ln;对导纳参数 1进行变换，得到去寄生后的阻抗参数Zin; (la3)将所述器件电阻参数从阻抗参数Zin中剥离掉，得到本征小信号等效电路的阻抗 参数4nt; (Ib)利用电路网络理论，对阻抗参数Zint中的元素进行加减运算并取实部和虚部，分别 得到本征小信号等效电路的基极内电阻C和基极扩散电容C bl; (2)提取类本征小信号等效电路的本征参数一一电阻参数沉。和、电容参数c和 互导参数&。以及延迟时间Γ: (2a)提取类本征小信号等效电路的导纳参数7qint: (2al)将所述基极内电阻兄和基极扩散电容Cbl从阻抗参数Zint中剥离掉，得到类本 征小信号等效电路的阻抗参数Zqint; (2a2)对阻抗参数Zqint进行变换，得到类本征小信号等效电路的导纳参数7qint; (2b)利用导纳参数7qint提取类本征小信号等效电路的本征参数： (2bl)对7qint中的元素进行加减运算并取实部，得到类本征小信号等效电路的电阻参 数沉。和I (2b2)对7qint中的元素进行加减运算并取虚部，得到类本征小信号等效电路的电容参 数C和C; (2b3)对7qint中的元素进行加减运算并取幅值，得到互导参数 (2b4)对7qint中的元素进行实部、虚部的加减乘除运算，得到延迟时间r; 步骤3、将上述步骤提取的极间金属引线交叠电容参数、本征参数、以及焊盘寄生参数、 器件电阻参数这四个参数与小信号模型拓扑结构相结合，得到完整的小信号等效电路模 型。
[0007] 较佳的，所述焊盘寄生参数是寄生电容?、寄生电阻％和寄生电感zp，采用开路结 构和短路结构提取焊盘寄生参数的方法是： (1) 分别测量HBT在开路结构的散射参数&和在短路结构的散射参数士 (2) 对散射参数&进行变换，得到开路结构的导纳参数对散射参数5^进行变换，得 到短路结构下的导纳参数/H; (3) 对导纳参数7。中的元素进行加减运算并取虚部，得到焊盘的寄生电容?; (4) 用导纳参数/Η减去开路结构的参数矩阵7。得到焊盘间互连的导纳参数
(5) 对/Η。进行变换，得到阻抗参数ΖΗ。； (6) 对阻抗参数ΖΗ。中的元素进行加减运算并取实部，得到焊盘的寄生电阻戽； (7) 对阻抗参数ΖΗ。中的元素进行加减运算并取虚部，得到焊盘的寄生电感Ζρ。
[0008] 较佳的，所述器件电阻参数是发射极电阻疋、基极外电阻4和集电极电阻《，采用 集电极开路的方法提取器件电阻参数的方法是： (1) 测试HBT在集电极开路状态下的散射参数& (2) 对散射参数$进行变换，得到阻抗参数
其中，及η为各的 第一行第一列元素，及12为各的第一行第二列元素，各,21为各的第二行第一列元素，及 22为 各的第二行第二列元素； (3 )根据电路网络理论，对阻抗参数各进行加减运算并取实部的极限值， 得到器件电阻参数：
其中，real为取实部标识，Jb为基极处所加电流。
[0009] 较佳的，所述测量完整的HBT等效电路的散射参数&的方法是：将HBT的基极焊 盘作为输入端口，集电极焊盘作为输出端口，发射极焊盘直接与地相连，测试此种状态下的 入射波和反射波，得到频率范围为〇. I GHz~26. I GHz下的参数数据，即为完整HBT的散 射参数。
[0010] 较佳的，由所述散射参数&得到去嵌入处理后等效电路的阻抗参数4的方法是： (1) 对散射参数进行变换，得到导纳参数i；; (2) 将导纳参数Ym减去开路结构的导纳参数得到剥离掉焊盘寄生电容后的导纳参 数，MO; (3) 对导纳参数/M。进行变换，得到阻抗参数石。;对短路结构中焊盘间互连的导纳参数 /H。进行变换，得到阻抗参数4。； (4) 将石。减去名。，即剥离掉焊盘全部寄生参数，得到去嵌入处理后等效电路的阻抗参 数4。
[0011] 较佳的，所述导纳参数/ιη的表达式为：
j为虚数符 号，ω为频率。
[0012] 较佳的，所述阻抗参数Zint的表达式为：
，式中，η为4的第一行第一列元素，12为4的第 一行第二列元素，名&21为^^的第二行第一列元素，名&22为^^的第二行第二列元素。
[0013] 较佳的，所述基极内电阻C的表达式为
基极扩散 电容Cbl的表达式为
其中，imag为取虚部标识。
[0014] 较佳的，所述阻抗参数Zqint的表达式为：
[0015] 较佳的，所述类本征小信号等效电路的导纳参数7qint的表达式为：
，所述类本征小信号等效电路的电阻参数I和t分别 为：
；电容参数C和C分 CN 105184032 A 说明书 4/9 页 别为：
互导参数为：
;延迟时间r为
，其 中，mag为幅值标识，tan 1为正切逆变换标识。
[0016] 与现有技术相比，本发明至少具有下列优点及有益效果： 第一，本发明通过在等效电路中引入金属引线间交叠电容，克服了现有技术中无法直 接提取这个电容的问题，提高了 HBT小信号等效电路的仿真精度； 第二，本发明克服了现有技术中无法表征交流发射极电流集聚效应的问题，使得在提 取异质结双极型晶体管小信号等效电路时，可以提取表征交流发射极电流集聚效应的基极 扩散电容Cbl，建立更精确的小信号等效电路； 第三，本发明克服了现有技术中参数提取方法比较复杂且不够简明清晰的问题，整个 参数提取过程简明直观，可以快速准确地提取出所有的小信号等效电路参数，提高了 HBT 小信号等效电路的仿真精度。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明实施例HBT小信号等效电路模型建立方法的流程图； 图2为本发明HBT小信号等效电路图，其中虚线框外为寄生参数部分，虚线框内为器件 模型部分； 图3为本发明HBT小信号等效电路的本征部分； 图4为本发明HBT小信号等效电路的类本征部分； 图5为本发明HBT小信号等效电路在0.1 GHz~26. I GHz，集电极电压（=3. 6 V，集 电极电流/。=5 mA偏置点下，散射参数测试结果与模拟仿真结果的比较图。
【具体实施方式】
[0018] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0019] 本发明一种改进的HBT小信号等效电路模型建立方法提