一種微波功率LDMOS器件非線性模型

馮 彬，李靜強(qiáng)，胡志富，李 亮

（河北半導(dǎo)體研究所，河北 石家莊 050051）

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一種微波功率LDMOS器件非線性模型

馮 彬，李靜強(qiáng)，胡志富，李 亮

（河北半導(dǎo)體研究所，河北 石家莊 050051）

摘要:對(duì)微波功率LDMOS器件進(jìn)行測(cè)試，提出一種新的非線性模型，通過小信號(hào)參數(shù)提取，建立LDMOS的小信號(hào)模型，對(duì)多偏置下本征電容的提取，建立LDMOS本征電容的非線性模型，加入LDMOS的直流IV模型并以此為基礎(chǔ)確立了微波功率LDMOS的大信號(hào)模型，經(jīng)過此模型的LoadPull仿真及芯片測(cè)試對(duì)比，表明了該模型可以較準(zhǔn)確地模擬LDMOS的微波特性。采用該模型設(shè)計(jì)了一種功率管放大器，通過最終測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比，證明了該模型的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞:LDMOS；小信號(hào)模型；微波；參數(shù)提取；大信號(hào)模型；LoadPull測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-05-31 11:09:37 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.014.html

微波功率LDMOS（橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管）器件輸出功率大、技術(shù)成熟、性價(jià)比高，除了集中在移動(dòng)電話、無(wú)線通信、個(gè)人通信網(wǎng)、GPS全球定位系統(tǒng)、直播衛(wèi)星接收、小孔徑終端衛(wèi)星系統(tǒng)和自動(dòng)防撞系統(tǒng)等民用領(lǐng)域以外，軍用方面同樣具有廣闊前景。伴隨著微波功率LDMOS的放大模塊在通信、雷達(dá)上面大量應(yīng)用，傳統(tǒng)的調(diào)試裝配方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足生產(chǎn)需要，此時(shí)采用微波功率LDMOS模型進(jìn)行放大模塊的設(shè)計(jì)，效率及成功率高，成本低，成為滿足生產(chǎn)要求的必然選擇。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某型號(hào)微波功率LDMOS器件開展了建模，確立了一個(gè)實(shí)用有效的微波功率LDMOS器件的非線性模型。

1　 建模策略

微波功率LDMOS器件建模之初，采用合適的模型策略很重要。目前針對(duì)LDMOS的模型主要有幾種：（1）物理模型，基于器件物理結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行建模，如bsim4[1]、HiSim_HV模型[2]；（2）半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式及等效電路進(jìn)行建模，如Motorola公司的MET模型[3]；（3）數(shù)據(jù)模型，直接基于實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行建模[4]。其中物理模型準(zhǔn)確度較高，但建模過程繁瑣，測(cè)試結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適用于微波功率領(lǐng)域；數(shù)據(jù)模型針對(duì)特定器件準(zhǔn)確度高，但無(wú)法真實(shí)反映器件的物理意義，不能對(duì)微波器件的性能進(jìn)行預(yù)判；半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵云骷锢斫Y(jié)構(gòu)形成的等效電路為基礎(chǔ)，加入半經(jīng)驗(yàn)公式，既能有效反映器件的物理意義，又兼顧測(cè)試、建模的簡(jiǎn)便準(zhǔn)確性。根據(jù)現(xiàn)有基礎(chǔ)及實(shí)際建模要求，筆者主要采取半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆绞?，以等效電路為基礎(chǔ)，輔以經(jīng)驗(yàn)公式，通過測(cè)試數(shù)據(jù)提取模型參數(shù)，最終形成完整的模型。

2　 微波小信號(hào)模型

按照微波功率LDMOS的物理結(jié)構(gòu)，形成小信號(hào)等效電路如圖1所示，其中包括本征部分（虛線框內(nèi)）及外圍寄生部分。

圖1 LDMOS小信號(hào)模型等效電路Fig.1 LDMOS small signal model equivalent circuit

按照常規(guī)流程對(duì)LDMOS器件小信號(hào)參數(shù)進(jìn)行提取[5]，其提取的具體流程如圖2所示。首先設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)構(gòu)利用COLDFET方法提取外圍與偏置及頻率無(wú)關(guān)的寄生參數(shù)，然后經(jīng)過剝離，得到LDMOS的本征部分的S參數(shù)，經(jīng)過等效電路分析，采用有效的提取方法提取器件的本征參數(shù)，最后進(jìn)行仿真并同測(cè)試結(jié)果對(duì)比，根據(jù)對(duì)比結(jié)果進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最終得到器件的小信號(hào)模型。

圖2 小信號(hào)模型建模流程Fig.2 Small signal model building flow

3　 電容模型

采用多偏置條件測(cè)量LDMOS芯片，提取了器件的本征電容。采用適當(dāng)?shù)墓奖硎倦娙菖c偏壓的關(guān)系，從而得到電容的非線性模型。為了簡(jiǎn)捷有效，電容模型采用簡(jiǎn)化形式，即假定電容只與加在其上的偏壓有關(guān)，與其他偏壓無(wú)關(guān)。根據(jù)LDMOS器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)Cds采用了類似于PN結(jié)電容的公式[6]，稍加改進(jìn)。其公式如下：

式中：Cds0代表零偏壓下電容值；V0為電壓設(shè)定的一個(gè)初值；N為2～4之間的一個(gè)常數(shù)。

Cgs采用雙曲線函數(shù)公式：

式中：a0、a1、a2為擬合參數(shù)。

對(duì)于電容Cgd，采用二維形式，即表示為與Vds及Vgs均有關(guān)的函數(shù)。其公式如下：

式中：b0、b1、b2、b3、b4、b5、b6為擬合參數(shù)。

最終仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比如下：

圖3 LDMOS本征電容的模型仿真與測(cè)試對(duì)比Fig.3 Comparison of simulation and measurement results for LDMOS intrinsic capacitor

4　 電流模型

電流模型是LDMOS大信號(hào)建模的關(guān)鍵，一個(gè)好的電流模型可以提供功率器件準(zhǔn)確的功率、效率等信息，從而對(duì)器件進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)判。以Motorola 的MET[7]電流模型為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)際測(cè)試結(jié)果，將模型公式加以簡(jiǎn)化及改進(jìn)，形成新的電流公式，其形式如下：

式中：VGEFF表示有效柵壓；VGSAT為柵極飽和電壓；β為與LDMOS溝道遷移率、柵寬、柵長(zhǎng)及柵氧電容相關(guān)的系數(shù)；σ1、σ2、σ3為擬合不同區(qū)域跨導(dǎo)的參數(shù)；λ為溝道調(diào)制系數(shù)；α用于擬合Ids與漏壓Vds的關(guān)系；VT為閾值電壓；γ為有效柵壓對(duì)Vds的影響因子。

經(jīng)過參數(shù)提取擬合，提取LDMOS的直流IV模型參數(shù)并建立模型，該模型的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

圖4 LDMOS直流模型仿真結(jié)果與測(cè)試對(duì)比Fig.4 Comparison of simulation and test results for the LDMOS DC model

通過仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比，可以看到該直流模型能夠精確描述LDMOS的直流特性。

5　 模型仿真及LoadPull驗(yàn)證

根據(jù)前面提出的微波功率LDMOS器件的直流及電容模型，形成LDMOS的大信號(hào)非線性模型，其最終封裝及仿真形式如圖5所示。

圖5 LDMOS模型封裝及仿真Fig.5 LDMOS package model and simulate

應(yīng)用此模型進(jìn)行了多偏置點(diǎn)小信號(hào)仿真及1 GHz頻率下的LoadPull仿真，其仿真結(jié)果同測(cè)試結(jié)果（多偏置點(diǎn)下小信號(hào)S參數(shù)、附加效率PAE、輸出功率Pout）對(duì)比如圖6、圖7所示。

圖6 LDMOS模型多偏置點(diǎn)小信號(hào)仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of small signal simulation and measurement results for LDMOS model under multi-bias points

圖7 LDMOS 模型LoadPull仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of LoadPull simulation and measurement results for LDMOS model

由圖6圖7所示，可得出LDMOS模型小信號(hào)仿真及LoadPull仿真與測(cè)試結(jié)果基本吻合。

6　 實(shí)際測(cè)試電路驗(yàn)證

針對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證工作，方法是利用此模型進(jìn)行功率管設(shè)計(jì)。該功率管設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：中心頻率1 GHz，帶寬200 MHz，該頻段內(nèi)輸出功率大于35 W，帶內(nèi)增益17 dB，附加效率45%。應(yīng)用此模型并進(jìn)行管殼預(yù)匹配及外電路匹配，仿真后設(shè)計(jì)測(cè)試電路。其實(shí)際測(cè)試電路如圖8所示。

最終測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 測(cè)試與仿真結(jié)果對(duì)比Fig.1 Comparison of measurement and simulation

從測(cè)試結(jié)果來看，采用本模型設(shè)計(jì)結(jié)果與最終測(cè)試結(jié)果基本吻合，模型精度較高，從而證明了本模型的實(shí)用性。

7　 結(jié)論

通過對(duì)微波功率LDMOS芯片進(jìn)行脈沖直流、小信號(hào)測(cè)試，根據(jù)測(cè)試曲線，建立一種新的非線性模型。通過芯片LoadPull仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比，證明了該模型的可行性，并根據(jù)此模型設(shè)計(jì)了一種功率管放大器來進(jìn)行模型驗(yàn)證，最終結(jié)果表明此模型有較高的準(zhǔn)確性及實(shí)用性，從而為下一步的微波功率LDMOS產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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（編輯：曾革）

An new nonlinear model for the microwave power LDMOS

FENG Bin, LI Jingqiang, HU Zhifu, LI Liang
(The Hebei Semiconductors Research Institute, Shijiazhuang 050051, China)

Abstract:A nonlinearity model was deduced for LDMOS through the measurement of microwave power LDMOS. By the parameters extraction of LDMOS, a small signal model of LDMOS was built. By analyzing the intrinsic capacitor extracted under the multi-bias conditions, the capacitor nonlinearity model was got. A LDMOS DC-IV model was also built through DC-IV measurement. Base on these models, a large signal nonlinear model was got for microwave power LDMOS. Compared to the LoadPull simulation and measurement results, the LDMOS model is proved that it could be used to describe the microwave performance of LDMOS precisely. By using this model, a power amplifier was designed. The measurement and simulation result contrast indicates the practicality of this model.

Key words:LDMOS; small signal model; microwave; parameter extract; large signal model; LoadPull measurement

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.015

中圖分類號(hào):TN61

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1001-2028（2016）06-0074-04

收稿日期：2016-02-26 通訊作者：馮彬

作者簡(jiǎn)介：馮彬（1982－），男，河北衡水人，工程師，碩士，主要從事微波器件LDMOS的建模工作，E-mail:fbzlx@163.com 。