[发明专利]一种新型晶体管小信号等效电路模型

说明书

所属技术领域

本发明涉及晶体管的器件模型，特别是晶体管的小信号等效电路模型。

背景技术

晶体管模型主要包括两大类型，物理模型和等效电路模型。其中，等效电路模型是对晶体管进行模拟仿真的一种通用、有效的模型，建立准确的等效电路模型是电路设计成功的关键，也是提高电路性能、缩短研制周期、提高设计成功率和成品率、降低研制生产成本的核心因素。

晶体管主要分为两大类：场效应晶体管和双极型晶体管。虽然两者的工作机制有所不同，但两者的小信号等效电路模型仍有很多相似之处。其中，场效应晶体管包括金属-氧化物-半导体晶体管(MOSFET)、金属-半导体晶体管(MESFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)，以及赝高电子迁移率晶体管(PHEMT)等。双极型晶体管包括同质结双极型晶体管(BJT)和异质结双极性晶体管(HBT)。

本发明主要是针对晶体管的小信号等效电路模型，特别是在晶体管工作频率升高了之后，提出针对高频工作下晶体管的高级寄生效应，包括极内寄生电容效应和本征电感效应，从而实现对晶体管的高精度仿真。

以下，我们通过对场效应晶体管和双极晶体管两大类传统模型技术的分析，介绍传统晶体管小信号等效电路模型所没有考虑的某些高频寄生效应，并说明本发明思想的新颖性。

随着晶体管制备技术的进步，晶体管的工作频率一直在提升。传统等效电路模型主要针对低频下的物理效应，将无法精确表达高频下的寄生效应。例如，在低频下一段导线可以用电阻来表征，但在高频下电流将产生趋肤效应，从而导致寄生电容、电感的高级效应。

针对场效应晶体管的传统小信号等效电路模型，发明专利(Roger S.Tsal，“SEMI-PHYSICAL MODELING OF HEMT HIGH FREQUENCY SMALL SIGNAL EQUIVALENT CIRCUIT MODELS”，US200200077258A1，Jan.17，2002，参考专利1)提出了一种HEMT小信号等效电路模型半物理建模方法。该发明专利中采用的等效电路模型包括寄生部分和本征部分两部分，其中，寄生部分包括栅极寄生电感、栅极寄生电阻、漏极寄生电感、漏极寄生电阻、源极寄生电感、源极寄生电阻；本征部分包括栅漏电容、栅源电容、电压控制电流源、漏源电阻、漏源电容、沟道电阻、栅漏电阻、栅源泄露电阻以及栅漏泄露电阻。该发明专利考虑的电感效应体现在寄生部分，包括栅极寄生电感，漏极寄生电感以及源极寄生电感，但专利中对本征部分的电感效应却没有考虑。本征部分的电感效应反映了晶体管内部电流产生的电感，并可以通过栅源本征电感、栅漏本征电感、漏源本征电感的形式体现。我们在随后的测试结果与仿真结果的比较中，说明仅仅通过寄生电感无法实现等效电路模型和测试结果之间的高精度拟合。此外，参考专利1考虑的电容相应主要体现在本征部分，包括栅漏电容、栅源电容、漏源电容，但没有考虑寄生部分电容。随着晶体管工作频率的增加，寄生部分的电容不能忽略。

论文(Fan Qian，Jacob H.Leach，and Hadis Morkoc，“Small signal equivalent circuit modeling for AlGaN/GaN HFET：Hybrid extraction method for determining circuit elements of AlGaN/GaN HFET”，Proceedings of the IEEE，98(7)：1140-1150，2010，参考文献1)介绍了氮化镓(GaN)场效应管关键元件的混合提取方法，该论文采用了一种包含18个元件的等效电路模型，同参考专利1采用的等效电路模型相比，增加考虑了栅极寄生电容、漏极寄生电容。相比于参考专利1，该论文的模型精度虽然有了改善，但仍没有包括高频下具有重要影响的极内寄生电容效应和本征电感效应。