毫米波fet的噪声模型建立方法
【专利摘要】本发明提供了一种毫米波FET的噪声模型建立方法，其包括：将毫米波FET划分为无源结构区和有源结构区；将有源结构区沿栅极的宽度方向等分为N个第一单元，并将第一单元等分为与毫米波FET的栅指数目相等的份数，得到多个第二单元；在低频段建立毫米波FET的低频噪声模型，并利用低频噪声模型得到第二单元的包含本征参数和噪声源表达式的本征参数网络；计算毫米波信号在毫米波FET的输入电极和输出电极中的传输特性，得到输入电极S参数和输出电极S参数；将第二单元的本征参数网络、输入电极S参数和输出电极S参数按照端口对应关系进行连接，得到毫米波FET的噪声模型。本发明建立的噪声模型在毫米波及更高频率时精度较高。
【专利说明】
毫米波FET的噪声模型建立方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及晶体管建模技术领域，特别是涉及一种毫米波FET的噪声模型建立方 法。
【背景技术】
[0002] 器件模型在电路设计中起着至关重要的作用，在电路设计和工艺设计之间发挥着 桥梁的作用。随着电路工作频率进入微波甚至更高频段，传统的以经验为主的设计方法越 来越不能满足电路设计的要求，因而获得精确的器件模型将显得越来越重要，这不仅可以 提高电路设计的准确性，减少工艺反复，而且可以降低产品成本，缩短研制周期。
[0003] 随着场效应晶体管(Field Effect Transistor，FET)特征尺寸减小，其工作频率 进入毫米波甚至太赫兹频段，对应的工作波长仅为亚毫米甚至微米量级，此时FET的单指栅 宽以及输入输出电极的尺寸已经可以和工作波长相比拟，此时必须考虑信号和噪声传输时 的衰减、相位延迟等行波效应的影响。另外，随着器件工作频率的升高，FET输入输出电极以 及有源区栅源漏电极的寄生效应对器件性能的影响越来越大，特别是输入电极的寄生参数 对器件高频噪声参数的影响很大，在FET噪声模型建立过程中需要特别考虑。
[0004] 精确的场效应晶体管小信号模型是建立噪声模型的基础。但传统的小信号等效电 路模型采用集总参数网络来模拟FET的外部寄生参数和本征参数，并没有考虑信号和噪声 在FET电极中传输时的行波效应的影响；而且在毫米波频段，FET的外部寄生参数并不能再 等效为简单的寄生参数网络(寄生电阻R、寄生电容C、寄生电感L)，否则在拟合器件高频段 的特性时，一些参数将偏离其实际合理的区间范围，从而导致模型在低频段时精度变差;若 增加寄生参数网络的复杂度来模拟FET的毫米波特性，又将使得参数的提取十分困难。因 此，当FET工作频率进入毫米波太赫兹频段后，继续基于传统的集总参数网络来建立器件的 噪声模型，将带来较大的误差。
【发明内容】
[0005] 为解决传统的基于集总参数网络建立的FET噪声模型在毫米波及更高频率时精度 较差的问题，本发明提供一种毫米波FET的噪声模型建立方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是:提供一种毫米波FET的噪声 模型建立方法，包括:S1:将毫米波FET划分为无源结构区和有源结构区，其中所述无源结构 区包括输入电极和输出电极，所述有源结构区为输入电极和输出电极之间的器件区域;S2: 将毫米波FET的有源结构区沿栅极的宽度方向等分为N个第一单元，并将所述第一单元等分 为与所述毫米波FET的栅指数目相等的份数，得到多个第二单元，其中，所述第一单元的栅 宽小于或等于毫米波FET的工作波长的1/20; S3:在低频段建立毫米波FET的低频噪声模型， 并利用所述低频噪声模型得到第二单元的包含本征参数和噪声源表达式的本征参数网络； S 4:计算晕米波信号在晕米波F E T的输入电极和输出电极中的传输特性，得到输入电极S参 数和输出电极S参数;S5:将所述第二单元的本征参数网络、所述输入电极S参数和所述输出 电极S参数按照端口对应关系进行连接，得到毫米波FET的噪声模型。
[0007] 优选地，所述步骤S3具体包括：S31:根据毫米波FET的类型选取等效电路拓扑； S32:对所述毫米波FET进行冷场测试，根据冷场测试结果在低频段从所述等效电路拓扑中 提取毫米波FET的外部寄生参数;S33:对所述毫米波FET进行热场测试，根据热场测试结果 和所述外部寄生参数在低频段从所述等效电路拓扑中提取毫米波FET的本征参数;S34:对 所述毫米波FET进行源负载牵引噪声和S参数综合测试，根据综合测试结果、所述外部寄生 参数和所述本征参数在低频段建立毫米波FET的低频噪声模型，并根据所述低频噪声模型 得到毫米波FET的噪声源表达式；S35:基于所述毫米波FET的本征参数、噪声源表达式和噪 声相关矩阵并联理论，计算得到所述第一单元的本征参数和噪声源表达式;S36:根据所述 第一单元和所述第二单元的等分关系，得到第二单元的包含本征参数和噪声源表达式的本 征参数网络。
[0008] 优选地，在所述步骤S31之前，所述步骤S3还包括:对毫米波FET的测试结构进行去 嵌入处理。
[0009] 优选地，所述去嵌入处理的方式为利用开路结构消除并联电容的影响，利用短路 结构消除串联电感和电阻的影响。
[0010] 优选地，所述步骤S4具体为:对所述毫米波FET的输入电极、输出电极和第一单元 进行三维电磁场模拟计算，得到输入电极S参数和输出电极S参数。
[0011] 优选地，所述噪声模型建立方法还包括:S6:对所述毫米波FET进行小信号和噪声 在片测试得到在片测试数据，对所述毫米波FET的噪声模型进行电路仿真模拟得到仿真数 据，将所述在片测试数据和仿真数进行对比，判断所述噪声模型的准确度。
[0012] 优选地，所述毫米波FET的类型为GaAs pHEMT、GaN HEMT以及InP HEMT。
[0013] 区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
[0014] (1)可以模拟毫米波信号和噪声在FET电极中传播时行波效应的影响，模型精度更 尚；
[0015] (2)建立的噪声模型可用于频率外推，从而预测器件在测试频带以外的更高频率 的性能；
[0016] (3)采用三维电磁场仿真的方法，可以更精确模拟电极寄生效应对噪声参数的影 响，如接地通孔、电极间的耦合、金属损耗等，而且避免了复杂的寄生参数提取；
[0017] (4)建立的噪声模型可用于FET尺寸扩展，在建立的单个尺寸器件噪声模型的基础 上，可以预测各种尺寸和不同版图布局的FET的小信号和噪声性能。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明实施例毫米波FET的噪声模型建立方法的流程示意图。
[0019] 图2是获取第二单元的本征参数网络的流程示意图。
[0020] 图3是GaAs pHEMT器件的本征参数的等效电路拓扑示意图。
[0021 ]图4是本发明实施例的第二单元的符号示意图。
[0022]图5是本发明实施例的输入电极S参数和输出电极S参数的符号示意图。
[0023]图6是本发明实施例的毫米波FET的噪声模型的连接示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025]参见图1，是本发明实施例毫米波FET的噪声模型建立方法的流程示意图。本发明 实施例的噪声模型建立方法包括以下步骤：
[0026] SI:将毫米波FET划分为无源结构区和有源结构区，其中无源结构区包括输入电极 和输出电极，有源结构区为输入电极和输出电极之间的器件区域。
[0027] 其中，输入电极和输出电极包括输入输出金丝、测试焊盘、源极接地通孔以及栅指 间连接传输线，器件区域是器件工作的本征区域，包括栅源漏电极。在本实施例中，毫米波 FET的类型可以为GaAs pHEMT、GaN HEMT以及InP HEMT。
[0028] S2:将毫米波FET的有源结构区沿栅极的宽度方向等分为N个第一单元，并将第一 单元等分为与毫米波FET的栅指数目相等的份数，得到多个第二单元，其中，第一单元的栅 宽小于或等于毫米波FET的工作波长的1/20。
[0029] 其中，为模拟毫米波信号在毫米波FET电极中传输时的行波效应的影响，需要将毫 米波FET的有源结构区沿栅极的宽度方向等分为N个第一单元，分别对第一单元建立噪声模 型。理论上讲，单元个数N的值越大，建立的噪声模型越能模拟行波效应的影响，但噪声模型 的复杂度也越高;一般情况，当第一单元的栅宽W s=W/N远小于工作波长18时，可以认为行波 效应在每个第一单元中可以忽略，噪声模型的精度可以满足应用要求，如果继续增大N的 值，对噪声模型的精度的提升也不再明显。其中W表示毫米波FET的栅极宽度。
[0030] 以栅长为Ο.?μL?、栅宽为2Χ75μπι的GaAs pHEMT场效应晶体管为例，其工作频率一 般可以至100GHz，对应的工作波长人8约为800μπι，已经达到了与晶体管单指栅宽相比拟的长 度，因此，行波效应的影响不可忽略。在该实例中，选取Ν=3,可以满足第一单元的栅宽小于 或等于毫米波FET的工作波长的1/20,使得第一单元的栅宽Ws远小于工作波长A g。
[0031] S3:在低频段建立毫米波FET的低频噪声模型，并利用低频噪声模型得到第二单元 的包含本征参数和噪声源表达式的本征参数网络。
[0032] 其中，由于小信号等效电路模型是建立噪声模型的基础，而毫米波FET的本征参数 可认为不随频率变化，因此在低频段建立毫米波FET的小信号等效电路模型提取模型本征 参数，然后根据噪声相关矩阵并联理论，可以得到第一单元的本征参数和噪声源表达式，进 而得到第二单元的包含本征参数和噪声源表达式的本征参数网络。
[0033] 具体而言，如图2所示，步骤S3包括以下步骤：
[0034] S31:根据毫米波FET的类型选取等效电路拓扑。
[0035]其中，晶体管不仅类型有多种，而且材料又包括GaAs、GaN、InP等，因此，不同类型 的晶体管对应的等效电路拓扑和参数表达式均不同。以GaAs pHEMT器件为例，选取含18个 参数的小信号等效电路拓扑，其中有9个本征参数和9个寄生参数。9个寄生参数为FET常规 的寄生参数网络，包括栅极、漏极和源极的寄生电感、电容和电阻。包含栅漏噪声电流源的 本征参数网络的等效电路拓扑如图3所示，其中C rf用来模拟FET的RF和DC的色散效应。
[0036] 在本实施例中，在步骤S31之前，步骤S3还包括:对毫米波FET的测试结构进行去嵌 入处理。由于在片测试时，通常仅能将测试参考面移动到射频探针端面进行校准，因此测得 的数据包含了测试结构的影响，所以为了得到晶体管的实际性能参数，需要对测试结构做 去嵌入处理。去嵌入处理的方式具体可以为利用开路结构消除并联电容的影响，利用短路 结构消除串联电感和电阻的影响。
[0037] S32:对毫米波FET进行冷场测试，根据冷场测试结果在低频段从所述等效电路拓 扑中提取毫米波FET的外部寄生参数。
[0038] 其中，对毫米波FET进行冷场测试（即cold-FET测试)后可以得到外部寄生参数。以 GaAs pHEMT器件为例，可以在0.1~20GHz频率范围内提取外部寄生参数。
[0039] S33:对毫米波FET进行热场测试，根据热场测试结果和外部寄生参数在低频段从 等效电路拓扑中提取毫米波FET的本征参数。
[0040] 其中，对毫米波FET进行热场测试（即hot-FET测试)后，结合热场测试结果和步骤 S32中得到的外部寄生参数，采用矩阵变换理论将寄生参数网络剥离后，可以得到其本征导 纳参数矩阵[Y1]，本征导纳参数矩阵[1]与毫米波FET的小信号等效电路模型中的本征参数 的关系式加下·
[0041] (1)
[0042] (2)
[0043] (3)
[0044] (4)
[0045] 根据本征导纳参数矩阵以及式（1)~(4)，可以在低频段从等效电路拓扑中提取毫 米波FET的本征参数。毫米波FET的本征参数在模型工作频率范围内可以认为是不随频率变 化的。以GaAs pHEMT器件为例，可以在0.1~20GHz频率范围内提取毫米波FET的本征参数。
[0046] S34:对毫米波FET进行源负载牵引噪声和S参数综合测试，根据综合测试结果、外 部寄生参数和本征参数在低频段建立毫米波FET的低频噪声模型，并根据低频噪声模型得 到毫米波FET的噪声源表达式。
[0047]其中，对毫米波FET进行源负载牵引噪声和S参数综合测试后，根据米波FET器件的 噪声理论可以得到毫米波FET的四个噪声参数(最小噪声系数NFmin，等效噪声电阻Rn，最佳 噪声源电导Gopt和最佳噪声源电纳Bopt)，在结合步骤23和步骤24中得到的外部寄生参数 和本征参数，利用噪声相关矩阵变换理论可以建立得到毫米波FET的低频噪声模型，根据低 频噪声模型就可以得到毫米波FET的噪声源表达式。
[0048] 毫米波FET的噪声模型包括FUKUI噪声模型、PUCEL噪声模型、POSPIESZALSKI噪声 模型等。本实施例采用的FET噪声模型优选为PUCEL模型。PUCEL模型有三个模型参数，分别 为P、R、C;P为漏极沟道噪声因子，R为栅极感应噪声因子，C为相关噪声因子。毫米波FET的栅 极噪声电流源<α>和漏极噪声电流源<ι|>及它们的相关性<^^>与？、1?、(：及本征参数的 关系式如下：
[0_ (5)
[0050] (6)
[0051 ] (7)
[0052] 根据HJCEL模型以及式(5)~(7)，得到毫米波FET的噪声源表达式。
[0053] S35:基于毫米波FET的本征参数、噪声源表达式和噪声相关矩阵并联理论，计算得 到第一单元的本征参数和噪声源表达式。
[0054]其中，在不考虑外部寄生参数的情况下，将毫米波FET的本征部分视为N个第一单 元的并联，根据噪声相关矩阵并联理论，可以得到每个第一单元的本征参数和噪声源表达 式。
[0055] S36:根据第一单元和第二单元的等分关系，得到第二单元的包含本征参数和噪声 源表达式的本征参数网络。
[0056]其中，由于本实施例的步骤S5建立毫米波FET的噪声模型时需要每根栅指对应的 有源单元的本征参数和噪声源，也就是第二单元的本征参数和噪声源，因此第二单元的个 数为Κ*Ν个，其中K表示毫米波FET的栅指数目，本实施例中取K = 2;因此，最终Κ*Ν个第二单 元的本征参数与毫米波FET的各个本征参数的关系如表1所示。第二单元包含栅极和漏极噪 声电流源的本征参数网络的等效电路拓扑同样如图3所示，只是需要将其中的参数和噪声 源表达式按照表1中的关系进行转换。第二单元的本征网络的符号如图4所示。
[0057]表1第二单元的本征参数与毫米波FET的各个本征参数的关系
[0059] S4:计算晕米波信号在晕米波FET的输入电极和输出电极中的传输特性，得到输入 电极S参数和输出电极S参数。
[0060]在本实施例中，步骤S4具体为:对所述毫米波FET的输入电极、输出电极和第一单 元进行三维电磁场模拟计算，得到输入电极S参数和输出电极S参数。
[0061 ]通过采用三维电磁仿真软件（如HFSS、CST等），可以分别模拟毫米波FET的输入和 输出电极以及有源区的栅、源、漏电极上的毫米波信号传输特性。这种采用三维电磁场模拟 计算的方法相比于传统等效电路模型中的外部寄生参数表示方法，可以更精确模拟电极寄 生效应的影响，如接地通孔、电极间的耦合、金属损耗等，而且避免了复杂的寄生参数提取 流程。
[0062] 以GaAs pHEMT器件为例，其输入和输出电极包括输入输出金丝、测试焊盘、源极接 地通孔、栅指间连接传输线等。通过三维电磁场模拟计算，可以分别得到输入和输出电极的 两个(K+1)端口 S参数。图5(a)和(b)分别为本发明实例的FET输入和输出电极的(K+1)端口 S 参数符号示意图。而有源区的栅、源、漏电极仅取整个栅宽的1/N长度，SPWs，进行三维电磁 场模拟计算，得到一个2*K端口 S参数，其符号示意图如图5(c)所示。
[0063] S5:将第二单元的本征参数网络、输入电极S参数和输出电极S参数按照端口对应 关系进行连接，得到毫米波FET的噪声模型。
[0064]其中，将步骤S3得到的Κ*Ν个第二单元的本征参数网络和步骤S4得到的输入电极S 参数和输出电极S参数，按照端口对应关系进行连接，最终得到毫米波FET的完整噪声模型， 其连接方式如图6所示。该模型考虑了毫米波信号在FET电极中传输时的行波效应的影响， 同时采用三维电磁场计算的方法更精确的模拟了电极间的寄生效应，可以用来模拟FET在 毫米波甚至更高频段的器件小信号和噪声特性。
[0065] S6:对毫米波FET进行小信号和噪声在片测试得到在片测试数据，对毫米波FET的 噪声模型进行电路仿真模拟得到仿真数据，将在片测试数据和仿真数进行对比，判断噪声 模型的准确度。
[0066] 其中，进行小信号和噪声在片测试，可以得到S参数和噪声参数，将S参数和噪声参 数与仿真数据进行对比，可以判断噪声模型的准确度。如果在基于某一尺寸(如本实例中的 2Χ75μπι栅宽）的毫米波FET建立噪声模型后，可进行各种FET尺寸和不同版图布局的模型扩 展，具体是:保持第二单元的本征参数和噪声源表达式不变，电极传输特性采用三维电磁场 模拟的方法计算新尺寸的毫米波FET电极中的传输特性，最后根据步骤S5中的连接方法组 成新尺寸的毫米波FET的噪声模型，可用于新器件性能预测以及版图优化布局。
[0067] 由于本发明提供的建模方法精度高，而且能够模拟行波效应的影响，因此，该方法 建立的噪声模型可以用于预测毫米波FET在测试数据以外的器件性能。特别是对于亚毫米 波和太赫兹频段，器件噪声参数的测试十分困难，利用该噪声模型，可以准确的预测器件高 频段的噪声性能。
[0068] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发 明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技 术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【主权项】
1. 一种毫米波FET的噪声模型建立方法，其特征在于，包括： S1:将毫米波场效应晶体管FET划分为无源结构区和有源结构区，其中所述无源结构区 包括输入电极和输出电极，所述有源结构区为输入电极和输出电极之间的器件区域； S2:将毫米波FET的有源结构区沿栅极的宽度方向等分为N个第一单元，并将所述第一 单元等分为与所述毫米波FET的栅指数目相等的份数，得到多个第二单元，其中，所述第一 单元的栅宽小于或等于毫米波FET的工作波长的1/20; S3:在低频段建立毫米波FET的低频噪声模型，并利用所述低频噪声模型得到第二单元 的包含本征参数和噪声源表达式的本征参数网络； S4:计算晕米波信号在晕米波FET的输入电极和输出电极中的传输特性，得到输入电极 S参数和输出电极S参数； S5:将所述第二单元的本征参数网络、所述输入电极S参数和所述输出电极S参数按照 端口对应关系进行连接，得到毫米波FET的噪声模型。2. 根据权利要求1所述的毫米波FET的噪声模型建立方法，其特征在于，所述步骤S3具 体包括： S31:根据毫米波FET的类型选取等效电路拓扑； S32:对所述毫米波FET进行冷场测试，根据冷场测试结果在低频段从所述等效电路拓 扑中提取毫米波FET的外部寄生参数； S33:对所述毫米波FET进行热场测试，根据热场测试结果和所述外部寄生参数在低频 段从所述等效电路拓扑中提取毫米波FET的本征参数； S34:对所述毫米波FET进行源负载牵引噪声和S参数综合测试，根据综合测试结果、所 述外部寄生参数和所述本征参数在低频段建立毫米波FET的低频噪声模型，并根据所述低 频噪声模型得到毫米波FET的噪声源表达式； S35:基于所述毫米波FET的本征参数、噪声源表达式和噪声相关矩阵并联理论，计算得 到所述第一单元的本征参数和噪声源表达式； S36:根据所述第一单元和所述第二单元的等分关系，得到第二单元的包含本征参数和 噪声源表达式的本征参数网络。3. 根据权利要求2所述的毫米波FET的噪声模型建立方法，其特征在于，在所述步骤S31 之前，所述步骤S3还包括:对毫米波FET的测试结构进行去嵌入处理。4. 根据权利要求3所述的毫米波FET的噪声模型建立方法，其特征在于，所述去嵌入处 理的方式为利用开路结构消除并联电容的影响，利用短路结构消除串联电感和电阻的影 响。5. 根据权利要求1所述的毫米波FET的噪声模型建立方法，其特征在于，所述步骤S4具 体为:对所述毫米波FET的输入电极、输出电极和第一单元进行三维电磁场模拟计算，得到 输入电极S参数和输出电极S参数。6. 根据权利要求1所述的毫米波FET的噪声模型建立方法，其特征在于，所述噪声模型 建立方法还包括： S6:对所述毫米波FET进行小信号和噪声在片测试得到在片测试数据，对所述毫米波 FET的噪声模型进行电路仿真模拟得到仿真数据，将所述在片测试数据和仿真数进行对比， 判断所述噪声模型的准确度。7.根据权利要求1所述的毫米波FET的噪声模型建立方法，其特征在于，所述毫米波FET 的类型为GaAs pHEMT、GaN HEMT以及InP HEMT。
【文档编号】G06F17/50GK106055765SQ201610357136
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】陈勇波
【申请人】成都海威华芯科技有限公司