（通信与信息系统专业论文）sige+hbt高频噪声精确建模方法的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 硅锗异质结双极型晶体管( s i g eh b t ) 以其高频、高速、低噪声、低 功耗和高性能等优点，被广泛应用于无线通信电路中。随着应用领域的不断 拓展，器件模型是集成电路设计和集成电路加工之间的桥梁和纽带，本文重 点研究s i g eh b t 高频噪声精确建模方法的研究，主要内容包括如下三个方 面： 针对非准静态效应对高频最小噪声系数模拟精度的影响，因此，本文着 重研究了基于包含输入非准静态效应的小信号等效电路模型的y 参数泰勒 级数展开解析式的参数直接提取算法。 针对当前s i g eh b t 高频噪声模型中敖粒噪声的t r a n s p o r t 与s p i c e 模 型精度不高的问题，基于二端口噪声相关矩阵技术，利用器件的四噪声参数 测量数据，提取器件的散粒噪声。基于半经验噪声模型研究的基础上，对其 进行完善，并据此研究了归一化的半经验散粒噪声模型。 最后，将所建的s i g eh b t 高频噪声模型嵌入a d s 2 0 0 5 a 软件，仿真验 证包含输入非准静态效应的小信号等效电路模型参数提取算法的精度，比较 基于嵌入的模型获得的四噪声参数与文献数据的一致性，并基于建立的归一 化散粒噪声半经验模型验证了输入非准静态效应对f m i n 的影响。验证了建模 方法的有效性。 关键词：s i g eh b t非准静态效应等效电路模型高频噪声模型 西南科技大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a bs t r a c t s i l i c o n g e r m a n i u mh e t e r o j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r s ( s i g eh b t s ) h a v e b e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne l e c t r i cc i r c u i t ，d u et oi t s m e r i t so fh i g hf r e q u e n c y ，h i g hs p e e d ，l o wn o i s e ，l o wp o w e rl o s s ，h i g h p e r f o r m a n c ea n dc o m p a t i b i l i t yw i t hs it e c h n o l o g i e sa n ds oo n a l o n gw i t ht h e c o n t i n u o u s l ye x p a n do ft h ea p p l i e dr e a l m ，d e v i c em o d e li s t h eb r i d g ea n dt h e c u l u mb e t w e e nt h en t e g r a t e dc i r c u i td e s i g n w i t ht h e i n t e g r a t e d c i r c u i t p r o c e s s e s t h ea c c u r a t em o d e l i n gm e t h o do fh i g h - f r e q u e n c yn o i s em o d e l i n go f s i g eh b t si ss t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i tc o n t a i n st h r e ep a r t s ： a c c o r d i n gt ot h e f a c tt h a tt h ei n p u tn o n q u a s i - s t a t i c ( n q s ) a f f e c t st h e i m i t a t i o no fn f m i n ，b a s e do nt h et a y l o rs e r i e se x p a n s i o n so fy p a r a m e t e r s e x p a n s i o n s ad i r e c tp a r a m e t e r - e x t r a c t i o nm e t h o df o rs m a l l s i g n a l e q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e li n c l u d i n gn q se f f e c ti ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tt h et r a n s p o r tn o i s em o d e la n dt h es p i c e n o i s e m o d e lf o rs i g eh b t si sn o ts u f f i c i e n tf o rh i g h f r e q u e n c ya p p l i c a t i o n s ，s h o t n o i s ei se x t r a c t e df r o m m e a s u r e dd e v i c e n o i s ep a r a m e t e r sb yt h en o i s e c o r r e l a t i o nm a t r i xo ft w o p o r tn e t w o r k ，b a s e do nt h es t u d i e df o u n d a t i o no ft h e s e m i e m p i r i c a ln o i s em o d e l ，t h es e m i - e m p i r i c a l n o i s em o d e lw a sp e r f e c t e d ， c o m b i n eo nt h e s eg r o u n d st h eg e n e r a l i z e dn o i s em o d e li ss t u d i e d f i n a l l y ，t h ep r o p o s e dm o d e li s e m b e d d e di nt h es o f t w a r ea d s 2 0 0 5 a a p a r a m e t e r e x t r a c t i o nm e t h o df o rs m a l l s i g n a le q u i v a l e n tc i r c u i t m o d e li n c l u d i n g n q se f f e c ti sv e r i f i e d ，t h em o d e l i n gm e t h o d i sd e m o n s t r a t e db yt h ee x c e l l e n t a g r e e m e n t sb e t w e e nt h em e a s u r e da n dm o d e l e d d a t a ，b a s e do n t h es e m i 。 e m p i r i c a ln o i s em o d e l t h en q s e f f e c ti ss h o w nt oa f f e c tn f m i nm o d e l i n g k e yw o r d s ：s ig eh b t ：n o n q u a s i s t a t i c ( n q s ) a f f e c t ；e q u i v a l e n t - c i r c u i t m o d e l ；h ig h - f r e q u e n c yn o i s em o d e l 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1研究背景与意义 现代移动通信技术和微波通信技术的高速发展，随着3 g 无线移动通信 的被广泛使用，4 g 无线移动通信、数据传输和全球定位等技术逐步完善和 成熟。在不久的将来将进入人们的生活，无线移动通信也在迅速取代过时的 有线系统，移动通信技术和微波通信技术的发展对微型化、低功耗、低成本、 高性能的无线通信传输设备的需求越来越高，使得对性能优良的射频微波 器件需求日益强烈。对现有的s i 集成电路技术提出了多方面的挑战，如建 立一个新的标准以兼容现存系统而不是完全推翻旧系统来重新建的通信系 统；在全球通信网络建设时强调设计成本的降低；不断提高集成度以适应迅 速增加的数据和媒体传输需求；不断提高传输带宽和数据的处理速度；对集 成电路的功耗也提出了更高的要求即在处理同样的数据功耗要尽可能的低。 传统的s i 材料器件虽然具有低成本、高集成度、工艺成熟等优点，但 其工作频率不够高，不适用于射频与微波电子领域，g a a s 材料器件具有很 好的高频特性，并且一直以来在射频和微波频带中占有重要地位，但与s i 材料器件相比，成本高，制造设备以及制备技术难度大，并且成品率较低。 g a a s 这种材料不但本身的成本很高，而且其生产器件的工艺设备也不同于 成熟的s i ，不能与之兼容，从而导致了g a a s 材料器件生产成本的进一步提 高。s i g e 材料器件具有较高的特征频率，很低的噪声系数，且与s i 工艺兼 容，从而降低了器件和电路的成本。s i g e 材料器件具有g a a s 材料器件好的 高频特性，低的噪声系数，其f ，( 截止频率) 高的优点，集成度也比较高， g a a s7 - 艺主要被用来制作单片微波集成电路【l 】。s i g e 器件与c m o s 器件相比， 为了获得相同的功率增益来，c m o s 器件的功耗比较大，用c m o s 工艺来实 现r f 集成电路设计还存在着很多的困难，比如随着截止频率的增加，器件 会出现噪声增加和衬底串扰严重等诸多的问题【2 儿3 1 。总的来说，s i g e 的高频 特性良好，低的噪声，材料安全性也很好；s i g e 器件具有小功耗，特征频 率高的优点；同时由于与成熟的s i 工艺兼容，其集成度也相当的高。因此， s i g e 技术正受到广泛的重视和应用，并可能取代g a a s 的地位，很有可能全 面占领r f 器件及单片集成电路的市场。 从s i g eh b t ( h e t e r o j u n c t i o nb i p o l a rt r a n s i s t o r ，异质结双极型晶体管) 的 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 发展了讲，19 世纪5 0 年代中期，hk r o e m e r 就提出采用宽禁带h b t 技术能 大幅度的提高晶体管的频率性能。1 9 世纪8 0 年代，外延技术只能制造出i v 族化合物半导体异质结器件，之后s i g e 技术的进展才异常的迅速。1 9 8 6 年。i b m 的b e r n a r ds m e y e r s o n 等人发明了u h v c v d 技术用以制造高性能的 s i g e 异质结构器件，但还不具备器件性能。1 9 8 7 年，i b m 的ssi y e r 制造 了第一只具有器件性能的s i g eh b t 。1 9 8 8 年，i b m 的g l p a t t o n 和n e c t t a t s u m i 几乎同时报道了采用m b e 方法制造的s i g eh b t 。1 9 8 9 年，g l p a t t o n 采用i b m 的u h v c v d ( 外延温度5 5 0 ) 技术制造了第一只基区g e 组分渐 变、多晶发射极s i g eh b t 4 1 。1 9 9 0 年，i b m 的gl p a t t o n 报道了当时速度 最快的s i g eh b t ，其特征频率厂t 为7 5 g h z t5 1 ，这几乎是当时最先进s ib j t 的两倍，所以s i g eh b t 至诞生之初就表现出强大的优势。1 9 9 8 年2 月，德 国t e m i c 公司开发出了工业化的s i g eh b t 工艺。同年i b m 公司和t e m i c 公司已经开始向通信电路市场提供s i g e 器件和电路1 6 】。s i g eh b t 的特征频 率f t 达到了3 8 0 g h z ，而最高振荡频率f m 。x 达到了3 5 0 g h z 【r ，儿引。2 0 0 6 年6 月2 0 日报道i b m 与佐治亚理工学院联合研制的s i g e 芯片工作频率已经达 到了5 0 0 g h z 【9 】。据最新报道，s i g eh b t 的特征频率f t 达到了3 0 0 g h z ，而 最高振荡频率f m 。达到了5 0 0 g h z 【1 0 。 目前s i g e 技术的研究得到了国内外极大重视，目前已成为国际上研究、 发展的重点和前沿，i t r s ( 国际半导体技术发展路线图) 将其列为高速、高性 能半导体器件和集成电路的重要发展方向。国外制备工艺和制造设备针对 s i g e 器件的当前应用已基本成熟，微型化、低功耗、低成本、高速、高性 能的s i g eh b t 器件及集成电路的研究和开发取得了长足进展，并且相关基 础理论的研究也在不断的深入，采用s i g e 技术来提高器件和集成电路的速 度与性能己成为当前研究的前沿和发展方向。国内s i g e 材料与器件的研究 工作起始于上世纪9 0 年代后期，研究成果与国外还有较大的差距，基本还 处于应变s i g e s i 材料、器件和电路的初期研究阶段。主要研究单位有：中 电科技集团第2 4 研究所、北京大学微电子研究所、西安电子科技大学微电 子研究所、清华大学微电子研究所、电子科技大学、中科院半导体研究所、 北京工业大学、中科院物理研究所、中电科技集团第5 8 研究所等l l 。早期 的研究工作主要集中在s i g e 材料及其h b t 基础理论与研制，在材料的外延 生长方法、机理、性能以及器件的模型、设计、制造等方面进行初步的探索。 2 0 0 2 年，北京大学提出了一种制各s i g e 材料的新方法：在7 7 k 下以7 e 1 6 c m 3 的高剂量注入g e 离子，并在高温气氛( 1 1 0 0 ) 中退火2 小时。在低温注入的 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 抑制作用，g e 离子在高温下扩散速度较为缓慢，产生缺陷较少。清华大学 微电子研究所独立成功研制了适用于工业生产的u h v c v d 单片s i g e 外延 设备s g e 4 0 0 ，并使用该设备生长出适用于器件质量的s i s i g e 异质结材料， 且开发出多种s i g e 器件。比如采用s g e 4 0 0 设备生长出外延材料，2 脚制备 工艺，研制出较高成品率的微波低噪声的s i g eh b t 器件其增益为1 0 0 ，其 特征频率，t 为1 5 g h z ，噪声系数n f 在2 g h z 工作频率下为2 d b 【l2 。鲁亚诗 等人采用两个s i g eh b t 晶体管的达林顿结构设计并研制出一种低噪声s i g e 微波单片集成电路，该放大器电路在1 g h z 下获得了1 4 3 d b 的功率增益和 1 5 9 d b 的噪声系数【1 3 】。2 0 0 6 年5 月张静等人利用m b e 差分外延技术设计并 研制出s i g e 低噪声放大器，其最终测试结果为带宽1 7 g h z ，增益2 3 d b ， 噪声系数3 5 d b 1 4 】。 使用s i g eh b t 制作的低噪声放大器、压控振荡器、混频器和功率放大 器等功能电路，且通信终端设备也正朝着小型化、低成本、高性能和低功耗 方向发展。集成电路的使用指标和频段越高，对器件的模型也就提出了更高 的要求。通常在集成电路的设计中，不但需要使用器件模型对电路拓扑进行 仿真，以验证所设计的电路是否达到设计的指标要求，而且也会根据电路的 设计指标对器件及制造工艺提出相关的性能要求。特别是作为设计s i g e h b t 低噪声放大器关键技术的s i g eh b t 高频等效噪声模型，无法精确的预 测器件的噪声特性。它也是设计s i g eh b t 低噪声电路的基础，也是分析器 件高频性能的基础。 1 2sjg eh b t 高频噪声模型的研究现状 半导体器件其本质上为非线性的，s i g eh b t 模型可以分为小信号等效 模型和大信号等效模型，小信号等效模型可以认为是大信号模型在一特定偏 置点附近的线性简化，虽然等效模型所包含的元件参数大大减少，但是在描 述器件于特定偏置附近的电特性时仍具有较高精度。其小信号模型主要用于 器件的性能分析和反向工艺设计，以及小信号放大器的设计。大信号等效模 型则模型中含有较多的参数，但其模型可以较为准确且详细地描述s i g e h b t 多种种特性。大信号模型能运用于不同地偏置条件，但等效模型地提取 过程相当繁琐，且要求较高的测量精度和有效的参数处理方法，因此在某些 场合大信号模型有着一定的局限性。大信号等效模型主要运用于非线性电路 如功率放大器、混频器和振荡器的设计。由于小信号模型包含的元件参数少、 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 物理意义明显、提取方法简单等优点，有着广泛的应用【i5 1 。 器件噪声模型在通信集成电路设计中占有重要地位。因此，噪声模型的 研究也显得至关重要。 s i g eh b t 的噪声模型是基于s ib j t 晶体管的噪声 模型，结合了s i g eh b t 器件的能带结构特点以及h b t 器件所特有的效应进 行研究的。s i g eh b t 器件噪声模型的开发包括s i g eh b t 小信号等效电路模 型和包含散粒噪声和热噪声的物理噪声源的小信号噪声等效电路，国内外研 究机构对噪声模型的研究大都是基于此，且模型均是基于二端口网络进行研 究的。 1 2 1sig eh b t 小信号等效电路模型 目前，半导体器件的等效电路模型的参数提取法被提出，但其中大部分 是针对vh b t l l d l 9 】。vh b t 与s i g eh b t 的小信号等效电路模型中本 征部分电路拓扑结构完全相同。不同之处在于m vh b t 没有考虑了衬底效 应，而在中s i g eh b t 等效电路结构中考虑了衬底效应，但随着频率的提高， 大多数等效电路结构中没有考虑非准静态效应【2 0 2 2 j ( 过渡时间) 的影响。因 为考虑非准静态效应会增加s i g eh b t 等效电路模型参数的提取复杂度，所 以，一般情况被忽略，在考虑了非准静态效应后对最小噪声系数f m i n 模拟的 精度会提高【2 ，所以考虑非准静态效应也是一个重要方面。 2 0 0 4 年，美国奥本大学的k e j u nx i a 和g u o f un i u 等人【2 3 】用单个电容来 模拟s i g eh b t 的衬底效应，并建立了与之对应的小信号模型和模型元件参 数的提取方法。在小信号等效模型中寄生元件只与制造工艺有关，与偏置条 件无关，本征元件参数既与制备工艺有关又与偏置条件相关，该方法首先利 用标准的开路短路测试方法剥离器件的寄生参数，消除寄生元件的影响， 然后利用本征y 参数和电路拓扑结构推导出一系列比例因子表达式提取本 征部分和衬底网络的元件参数，最后s i g eh b t 器件的实验表明：在器件的 使用的频率范围内基于该模型仿真的y 参数与测量的y 参数都很好的吻合。 但由于该方法没有利用器件的“冷模型”先提取衬底电容，而是将衬底电容纳 入本征部分进行参数提取，所以该方法比较繁琐，并且在参数提取过程中采 用了大量的近似和假设条件。 2 0 0 5 年，k e j u nx i a 和g u o f un i u 等人【2 】在s i g eh b t 小信号模型的基 础上，通过在本征部分增加延迟电阻和基极发射极扩散电容，模拟s i g eh b t 中的输入非准静态效应。增加了等效模型的元件数量，而使参数的提取方法 变得更复杂。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 2 0 0 5 年，韩国浦项工科大学的k y u n g h ol e e 等人【2 4 】采用电容和电阻串 联的二元件模型来模拟s i g eh b t 的衬底效应，对器件的“冷模型”进行测试 提取了寄生参数和衬底网络，与k e j u nx i a 和g u o f un i u 的参数提取方法相 比在参数提取的复杂度上要简单了许多，但该方法对测试平台要求较高。 2 0 0 6 年，台湾成功大学的h a n y uc h e n 等人【2 5 】使用三元件模型模拟s i g e h b t 的衬底效应，该方法首先是提取出衬底网络，但在提取衬底网络时与 k y u n g h ol e e 使用的方法不同，由于它考虑了通过本征元件的反馈信号，因 此使所衬底网络的参数精度进一步提高。 2 0 0 8 年，北京邮电大学的吴强等人【l5 】使用试验的方法对h b t 小信号等 效电路模型的元件参数提取，该方法运用利用测试的s 参数和电路拓扑变换 初步提取出模型参数，再根据这些元件参数为参考值，然后确定出优化的参 数值范围并优化，使模型的s 参数与测试的s 参数拟合。 2 0 0 9 年，西南科技大学的温佐阳等人【2 6 】在比例因子提取法的基础上， 结合了用于i i i vh b t 参数提取方法，提出了一种s i g eh b t 小信号等效电 路模型参数直接提取的改进方法。与目前常用方法相比，整个提取过程建立 在分析器件的小信号等效电路模型所得到的一系列解析公式上，而未使用任 何的数值优化方法，从而有效的确保了小信号等效电路模型参数的提取精 度。 1 2 2 siq eh b t 高频微观噪声源模型 国外研究机构对s i g eh b t 噪声模型的研究大都是基于热动力学噪声模 型和s p i c e 噪声模型，运用二端口网络技术进行研究和分析的。 1 9 7 7 年，h a w k i n s 建立了双极晶体管的简化微波噪声模型，被称作 h a w k i n s 模型，19 9 2 年，该模型已经被s c h u m a c h e r 实验验证适用于g h z 范 围内的s i g eh b t 器件【z 川。 1 9 9 6 年，u w ez i n m a n n 和f r a n kh e r z e l 考虑到双极晶体管输入阻抗的 频率特性对噪声的影响，对s p i c e 噪声模型进行了修改，建立了一种适用于 s i g eh b t 的紧凑型器件噪声模型【2 引。 2 0 0 1 年，美国奥本大学的g u o f un i u 等人提出一种归一化的散粒噪声 模型即t r a n s p o r t 模型。该模型对散粒噪声的产生机理提出了很新颖的观点， 基极电流散粒噪声是由于基区多子空穴越过e b 结势垒产生的；集电极电流 散粒噪声是由于e b 结势垒的电子电流散粒噪声传输所致，它与反向偏鼍c b 结势垒罩的电子通过相反，因此集电极的电子电流噪声是e b 结势垒的电子 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 电流噪声的延迟形式。只是在相位上产生延迟而己。该散粒噪声模型的模拟 效果好于s p i c e 模型2 9 1 。其模型方程如下： 中= 2 q i n + 4 q l c 1 一r e ( 矿矗) ( 1 1 ) s ? = 2 q i c ( 1 2 ) s 槲i t r a n = 2 q i c ( e 咖一1 ) ( 1 - 3 ) 其模型中l 为噪声延迟时间，用以描述前面所说的相位延迟性。缺点是在实 际运用中模型方程中参数不易提取，并且在实际的器件中四噪声参数的同时 拟合是比较困难的。 近年来，国内各大高校和研究所对s i g eh b t 噪声模型方面的研究，主 要是基于现有的噪声模型，对s i g eh b t 的噪声特性进行模拟仿真验证和改 进。2 0 0 2 年，北京中科院微电子中心的王延峰在s ih a w k i n s 噪声模型的基 础上对器件寄生参数方面进行了改进，建立了h b t 高频噪声模型 3 0 l 。2 0 0 6 年北京工业大学的张万荣教授对s i g e s ih b t 的高频噪声特性进行了研究， 主要集中在器件结构和掺杂设计对h b t 的噪声特性的影响p 。2 0 0 7 ，北京 工业大学的高攀等人利用s p i c e 模型，研究了工作频率和器件集电极电流对 器件最小噪声系数的影响p 引。 2 0 0 9 年，西南科技大学的温佐阳在经典的热噪声模型方程基础上，对 散粒噪声进行研究。首先，基于二端口噪声相关矩阵技术，利用器件的四噪 声参数测量数据，提取器件的散粒噪声。然后通过对提取出的散粒噪声数据 数值特征的分析和对传统散粒噪声的模型方程特征的分析，研究了散粒噪声 半经验模型【j 川。最后，发现半经验模型对散粒噪声的模拟精度高于传统模 型。缺点是缺乏灵活性，模型是在确定的偏置点基础上建立的，其参数跟偏 置点有关，不便于参数提取，对不同的偏置点必须在小信号模型和测量的四 噪声参数的基础上重新提取模型参数，其该模型使用条件有限。其模型不具 备统一归一化。 电流拥挤效应是在s i g eh b t 器件中基极电阻形成了不同的电流回路所 致( 3 4 】【3 钉。如图1 1 是一个双极型晶体管的横截示意图。如图所示电流拥挤 现象发生在闩住基极区。直流拥挤效应和交流拥挤效应对基极一发射极电流 通过的所有电阻都会产生影响。也即本征电路部分的电阻会受到电流拥挤效 应的影响。这就影响了本征基极电阻的热噪声向器件终端的转化，本征基极 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 电阻的噪声不再是单纯的热噪声。 一些研究电流拥挤效应的文献【3 5 】 3 6 1 和实验3 7 1 表明电流拥挤效应对双极 型器件( b j t 和h b t ) 的高频噪声行为有很大的影响。然而因为电流拥挤效 应对高频噪声的影响难以用简单的方法建模，所以传统的s i g eh b t 高频噪 声模型往往忽略电流拥挤效应的作用。 图卜1 电流拥挤效应 f i g 卜。1 c u rr e n tc r o w d i n g 2 0 0 4 年荷兰飞利浦研究实验室的p a a s s c h e n s 对电流拥挤效应【3 8 】进行了 详细的理论研究，并使用简单的公式对电流拥挤效应的作用进行了建模。 p a a s s c h e n s 将本征基极电阻的热噪声与电流拥挤效应的作用集总到与本征基 极电阻并联的噪声电流源上，其功率谱密度见公式( i - 4 ) ，并且该噪声电 流源与散粒噪声的噪声电流源不相关。 s ：4 k t 一2 q i b ( 1 4 ) 铀 3 其中k 为玻尔兹曼常数，丁为本征基极电阻n j 绝对温度，r 6 f 为电阻值，如 为基极的直流工作电流。 1 3本文的研究内容 本课题将在对s i g eh b t 的噪声机理进行分析的基础上，研究在s i g e h b t 小信号等效电路中考虑输入非准静念效应，并建立等效电路的参数提取 方法；研究s i g eh b t 的高频噪声等效模型和相应的参数提取技术，并改进 s i g eh b t 的基极和集电极散粒噪声半经验模型，使其在不同的偏置条件下 得到一组统一的模型，并将其嵌入商用的c a d 工具中，并进行测试实验验 证，最后将改进的s i g eh b t 的基极和集电极散粒噪声半经验模型运用到包 含输入非准静态效应的s i g eh b t 小信号等效电路中，并仿真出f m i n 系数， 验证输入非准静态效应对最小噪声系数f m i n 的拟合效果。本文研究内容具体 包括如下几个方面： 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 l 、包含输入非准静态效应的s i g eh b t 小信号等效电路模型的建立。 主要包括三个方面：确定包含输入非准静态效应的小信号等效电路模型的拓 扑结构；开发输入非准静态效应的小信号等效电路模型的等效元件参数提取 方法；验证输入非准静态效应的小信号等效电路模型的有效性。在s i g eh b t 小信号等效电路模型的基础上把基极发射极p n 结电容分成扩散电容、损耗 电容和延迟电阻。其它的参数都有其传统物理意义。模型拓扑确定以后，需 要开发出相应的参数提取算法根据器件的测量参数( 如s 参数等) 提取等效 元件的参数值。参数提取算法应该保证元件参数值具有物理意义。为了验证 模型的有效性，将测量数据与模型仿真参数进行比较。 2 、在提出的半经验噪声模型的基础上，改进基极散粒噪声和集电极散 粒噪声的模型；针对已提出的s i g eh b t 基极散粒噪声和集电极散粒噪声模 型存在的一些问题，如参数提取的复杂、使用条件有限等，需要改进高频噪 声半经验模型的不完备性，如使其在不同的偏置条件下得到一组统一的模 型，易于c a d 工具实现的模型方程。其关键就是理解基极散粒噪声和集电 极散粒噪声形成的物理机制，在此基础上改进半经验散粒噪声模型。分析 s i g eh b t 四噪声特征参数提取的方法。为了获得电路设计中使用的四噪声 特征参数，需要通过微波网络噪声矩阵技术求解出等效噪声模型。同时通过 比较模型计算的噪声参数和测量噪声参数可以验证模型的有效性。 3 、将所建立的s i g eh b t 高频噪声模型嵌入a d s 2 0 0 5 a 仿真平台上。 并利用文献报道的器件的y 参数、s 参数和四噪声参数测试数据，对本文提 出的包含输入非准静态效应的s i g eh b t 小信号等效电路模型参数直接提取 算法的精度和基于散粒噪声半经验模型的s i g eh b t 高频噪声建模精度进行 验证，证明了本文研究工作的有效性和实用性。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2sig eh b t 非准静态效应的小信号等效电路模型 研究 晶体管s i g eh b t 高频、低噪声、高速、低功耗和高性能等优点，被广 泛用于射频与微波集成电路，是最具有发展潜力的半导体器件之一。随着 s i g eh b t 应用领域的不断拓展，模型的精度对电路设计、器件制备工艺水 平的提高以及器件性能优化是举足轻重的。因此s i g e 器件建立合理的器件 模型以及对模型参数的精确提取方法成为s i g eh b t 应用中的关键技术。 2 1等效电路模型参数提取方法的确定 参数提取的主要任务是根据器件的测量特性得到与器件模型相对应的 一组器件模型参数值。其方法是先给出一组模型参数初始值，代入器件模型 公式得到组模拟结果，然后比较模拟结果与测量结果，如果两者存在偏差， 就修改参数值，直到模拟结果能与测量结果很好地拟合。由于器件特性是非 线性的，因而参数提取是一个非线性拟合问题，也是一个不断迭代改进的优 化问题。目前参数提取方法的研究主要以下几类： 第一类是用仪器直接测量法。比如使用h 参数测试仪测量器件的h 参数， 用网络分析仪测量晶体管的s 参数，用电容，基极电阻，以及晶体管特性曲 线图示仪等测出某些参数，再通过曲线的外推，求斜率等计算最后得到模型 参数。该方法的优点是物理概念明确，某些参数测量精度较高，但缺点是所 需的仪器较多，工作量也比较大。 第二类是物理解析模型。根据器件的结构，在任意偏置的条件下，首先 通过自洽求解薛定谔方程和泊松方程得到二维的分布特性；然后再利用 m o n t ec a r l o 法分析载流子的运输特性：最后将求解结果代入器件的电荷控 制模型，从而得到能反映器件特性的各种参数。这种方法的优点是能从本质 上反映器件的线性和非线性特性，而且物理概念清晰。这对器件的结构设计 有很好的指导作用。这种方法的缺点是在建立物理解析模型的过程中，不但 需要具备良好的器件物理知识，而且还要具备较强的数学知识和程序设计能 力。为了能准确地反映器件特性，这就要求半导体器件的物理模型清晰。目 前对异质结器件认识还需完善，用数学求解的方法还不能完全地预测其实际 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 器件的性能。如p o s e s 和s i l v a c o 这类半导体器件模拟软件，就采用这种模 型。 第三类是数学拟合模型法。从本质上讲，数学拟合模型也就是所谓的黑 盒子模型。根据实际器件的输入输出端的测试结果，利用一些常见的器件 物理公式或数学公式对测试结果进行拟合，只要求该公式精确描述测试范围 内该器件的输入输出特性，而不需要考虑实际的器件结构。这种方法的优 点是能迅速仿真某一测试范围内器件的输入输出特性。该方法的缺点是不 能够清楚反映模型的物理概念，不适用于器件的结构设计，且得到的数学模 型不支持外推仿真。 第四类是根据半导体器件制备工艺参数获得模型参数。因为半导体器件 的特性取决于制备工艺，所以器件的模型元件参数与工作条件相关，则可以 通过工艺线的工艺条件、样片的测试图和根据设计参数等算出晶体管器件的 模型元件参数值。这种方法的优点是在设计器件过程中通常需要在投片之前 对所设计的器件、电路的电学性能进行评估，这时候可能没有可供测试的样 片，采用这种参数提取方法比较适用。这种方法缺点是误差较大，主要是因 为测定工作较难准确，比如受到各区的杂质分布，表面的影响等。若果工艺 的控制水平高，重复性好，且对工艺与器件模型间的关系较熟悉，使用该法 较好。 对半导体开发以及集成电路设计而言，小信号等效电路模型最为重要， 本章将在小信号等效电路模型中考虑输入非准静态效应，建立包含输入非准 静态小信号等效电路模型。而在s i g eh b t 等效电路模型的元件参数值的提 取过程中，目前有两种提取方法，即参数优化法和参数直接提取法。 参数优化法是指：在等效电路模型中，首先需要建立目标函数，依赖于 等效元件的初值来计算相关的模拟结果，通过模拟结果和实际的测试结果进 行比较，从而得到一组初始误差函数的值；然后再通过数学优化算法来调整 等效元件参数初始值的大小，使误差函数减小：通过多次反复尝试，直至所 得到的误差函数满足设计要求。虽然这种方法在概念上清晰，且比较简单。 参数优化法也有如下缺点：等效电路模型元件的参数要依赖于提供的元 件参数初值，并且还依赖于误差函数的给定，也不能保证当误差函数满足要 求的时候，相关的等效元件参数就是最佳的；半导体器件等效电路模型中元 件的参数比较多，在多变量参数进行优化的时候，这些变量参数很可能陷入 局部最优，特别是常使用的梯度优化算法，而不是全局最优，结果导致与优 化算法有很大关系。实践也进一步验证优化的结果和依赖于初值的选取有 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 关，实践表明对同一个优化过程，在相同实验平台上，如果选取不同的元件 初值，得到的最终参数优化结果会有很大相差，比如在s i g eh b t 晶体管小 等效电路模型元件数多达十几个，每个元件参数值对仿真结果的影响不同， 即权重的不同，使得某些参数的优化值与实际值之间有较大的误差，同时在 测试频率的范围较大时，测试数据呈现很大的分散性，也会导致与实际值很 难拟合。由此得到参数值的物理意义亦不明显。这使得即使小信号等效电路 模型的模拟s 参数与测量s 参数相吻合，而用该模型建立的高频噪声模型也 不能预测器件的噪声性能。 参数直接提取法是指：根据推导的等效电路拓扑，通过求解其相关的等 效电路表达式，比如阻抗表达式或导纳表达式等，并采用适当的数据处理方 法来求得对应元件的参数值。和参数优化法相比，由于根据实际晶体管的物 理集中结构得到表征器件特性的等效电路拓扑结构，所以等效电路的元件参 数值更具有物理意义，且是唯一的。值得注意的是只有建立的小信号等效电 路模型能反映出器件内部的物理过程时，建立在其基础上的噪声模型才能正 确反映出器件的噪声特性。因此，要建立s i g eh b t 高频噪声模型，必须采 用参数直接提取法。 2 2等效电路模型拓扑的确定 当今射频集成电路设计主要通过计算机辅助设计来完成，而完成计算机 电路辅助设计的基础就是建立精确的、能反映半导体器件物理特性的等效电 路模型，半导体器件模型是影响电路设计精度的最重要因素。模型是集成电 路设计和集成电路加工之间的桥梁和纽带。一方面，设计方需要使用模型进 行电路设计、仿真、优化和验证。另一方面，芯片加工厂需要通过向设计者 提供模型，为设计者提供芯片加工渠道。准确的半导体器件模型对于设计射 频集成电路的成功率，缩短电路研发周期是非常重要的。而完善的等效电路 结构对建立精确器件模型也是非常重要的。 等效电路只是意味着该电路的终端特性与被表征器件的外部特性是等 效的，而不管器件内部的实际过程如何。尽管如此，有某种外特性的表现出 来，必然会存在着与之相关的内部物理过程。集总参量物理等效电路就是基 于这种认识的，分析器件中存在的各种物理过程，首先把这些过程用集总的 电路元件表示出来，再根据各种物理过程之间的关系把这些电路元件适当地 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 连接起来，构成器件的等效电路拓扑结构。恰当的选择器件的等效电路拓扑 结构非常重要，使其能够准确反映器件的电学特性，并由模型仿真计算得到 的s 参数与测量的s 参数在宽带段内都吻合。 目前在s i 技术的基础上，s i g e 技术己经发展得比较成熟，s i g eh b t 的 制备工艺也是多种多样，对其结构的划分也各不相同。本文研究的器件是由 i b m 公司使用超高真空化学相淀积( u h v c a d ) 外延设备制作的自对准型 s i g eh b t ( a r = 0 2 4 x 2 0 x 2 u r n 2 ) 【3 9 】，截止频率序大于5 0 g h z 。 根据晶体管器件的物理结构，对比文献【2 1 】中报导的包含输入非准静态效 应的小信号等效电路模型，本文选择图2 1 所示的包含输入非准静态效应的 s i g eh b t 小信号等效电路模型为研究对象【2 1 】。图2 1 所示的拓扑结构具有 三大特点： ( 1 ) 该模型的基本结构是商业r f 微波电路仿真软件中应用的p 模型。 s i g eh b t 的小信号等效电路模型主要有两种。一种是t 模型【4 0 】【4 1 】：这种模 型的元件参数直接与器件物理结构联系起来，在毫米波段时都能够精确模拟 晶体管器件的s 参数。研究t 型模型对器件的制作有重要的指导意义。另一 种是p 模型【1 5 j 9 1 ：r f 微波电路仿真软件中使用的大信号模型如s g p 、v b i c 、 m e x t r a m 和h i c u m 等都是基于p 模型的。所以对于器件设计来说，t 模 型更有意义。而对电路设计来说，p 模型的物理意义也更为明确，p 模型更 重要。 ( 2 ) 考虑了s i g eh b t 器件的衬底结构。与i i i vh b t 不同，s i g eh b t 的衬底效应必需要考虑【2 3 】【4 2 1 。图2 1 中衬底结构采用单电容q 模拟。 s i g eh b t 的小信号等效电路模型可以分为两个部分，即寄生元件参数 部分和本征元件参数部分。其中本征元件参数部分主要反映有源区的特性， 参数值的大小由偏置偏置条件决定，与s i g eh b t 的工作状态有关；而本征 区外围元件参数部分则反映有源区到焊盘( p a d ) 之间互联部分的电学特性， 其大小是仅与器件尺寸和制作工艺有关寄生元件部分，而与偏黄无关。 ( 3 ) 考虑了s i g eh b t 的输入非准静态效应，在s i g eh b t 的小信号等 效电路模型的基础上考虑了输入非准静态效应，图2 1 中非准静态效应用丫d 模拟，基极一发射极区电容被分为扩散电容c b 。d 和损耗电容c b e i ，扩散电容 c b 。d 的充电介入多数载流子，因此不经历输入非准静态效应。 本征区元件参数主要包括：基极一发射极本征扩散电容c b 。d ；基极一发射 极本征损耗电容c b 。i ；基极一发射极延迟电阻7 d ；基极一发射极本征电导g b 。； 基极集电极本征电容c 。；内基极电阻丫b i ；基极集电极本征电容c b 。；基极 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 一集电极本征电阻h ：集电极- 衬底电容c c 。；小信号跨导g m 和时间延时t ( 压 控电流) 。 寄生元件参数则为模型中除本征元件参数以外的其余元件参数，包括： 基极，集电极和发射极接触的寄生电阻丫b ”丫。x 和7 。；集电极和发射极引线 的寄生电感l b 、l c 和l 。；压焊点的寄生电容c p b c p 。和c p b 。 i i & i i j l z k q 1 y nj ， ，一卜 叫“ n ，一节 蚺、聃l 巾， q 亭瓦自 二么 墨 一 ；4 厶 图2 - 1包含输入非准静态效应的s i g eh b t 小信号等效电路 f ig 2 1sig eh b ts m a | isig n aie q ulv aie n tc jr c ui tin ciu din gn q se f f e c t 2 3 等效电路的参数提取方法 等效电路的参数提取根据本征参数部分与寄生参数元件的物理特性不 同的特点，首先提取寄生电容、电感和电阻，然后根据等效电路的拓扑结构 去嵌寄生元件的影响，得到本征部分的s 参数，根据一系列的参数转换运算 和算法对本征部分参数提取，参数的提取过程物理意义明显、流程清晰，适 用于自动化编程设计。 2 3 1寄生元件参数的提取 如图2 1 所示，寄生元件参数位于包含输入非准静态效应的小信号等效 电路模型的最外围，参数提取的第一步就是提取寄生元件参数的值，否则没 法对器件本征参数提取。由于在本征的参数提取过程中，需要对位于外围的 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 寄生元件进行去嵌处理，而得到本征部分的s 参数，所以寄生参数的提取对 精度的要求就比较高，否则在提取本征元件参数部分时就会出现很大的累积 误差【】。本文采用标准的开路短路的方法对寄生电容和寄生电感进行去嵌 处理【1 5 】f 4 3 】【