RF-LDMOS器件宏模型研究*

顧新艷，孫陳超，劉斯揚(yáng)（1.南京工程學(xué)院汽車與軌道交通學(xué)院，南京 11167；.東南大學(xué)國(guó)家專用集成電路系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，南京 10096）

近年來(lái)，射頻橫向雙擴(kuò)散金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管（RF-LDMOS）以其高增益、高線性度等優(yōu)勢(shì)，被廣泛地應(yīng)用于GSM/CDMA移動(dòng)通訊基站、數(shù)字廣播電視發(fā)射和射頻通訊等領(lǐng)域［1］。RF-LDMOS作為射頻電路仿真的基本要素之一也顯得越來(lái)越重要。

射頻器件的特性曲線一般都是通過(guò)在片器件的測(cè)試得到的，但是在實(shí)際應(yīng)用中分立的射頻器件越來(lái)越多地被使用。在頻率高于30 MHz甚至達(dá)到100 GHz的時(shí)候，任何細(xì)小的變化都會(huì)引入意想不到的寄生參數(shù)，因而分立器件的封裝相較于在片器件而言就會(huì)引入其他參數(shù)，這就迫切的需要一種針對(duì)封裝射頻器件的建模及提模方法。但是，目前為止鮮有論文涉及到封裝RF-LDMOS器件的模型研究。

本文以分立的RF-LDMOS器件為研究對(duì)象，提出了精確的直流特性和射頻特性宏模型建模方法［2-3］，通過(guò)提模軟件MBP對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該宏模型建模及提模方法對(duì)高壓射頻分立器件模型參數(shù)的獲取具有一定的參考價(jià)值。

1 RF-LDMOS器件建模

1.1 直流特性建模

RF-LDMOS器件與普通MOS器件的區(qū)別在于RF-LDMOS器件存在一個(gè)低摻雜的漂移區(qū)結(jié)構(gòu)［4］。由于漂移區(qū)的存在使RF-LDMOS器件相較于普通MOS器件多出了準(zhǔn)飽和效應(yīng)［5］、負(fù)阻效應(yīng)［6］等一些特殊特性。這造成僅僅使用標(biāo)準(zhǔn)的BSIM3V3模型進(jìn)行RF-LDMOS器件的直流特性提模驗(yàn)證變得不再準(zhǔn)確。

根據(jù)RF-LDMOS器件的以上特點(diǎn)，本文提出了一種基于BSIM3V3的宏模型建模方法。該方法主要利用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）模擬準(zhǔn)飽和特性［7］，利用壓控電阻Rdr來(lái)模擬負(fù)阻特性從而達(dá)到建模目的［8-9］。圖1為基于BSIM3V3的宏模型結(jié)構(gòu)。

圖1 基于BSIM3V3的宏模型結(jié)構(gòu)

由于漂移區(qū)電阻受柵壓與漏壓的影響，圖1中漂移區(qū)壓控電阻Rdr的建模公式如下。

直流特性的宏模型SPICE網(wǎng)表如下，其中MOS管模型與JFET模型分別以BSIM3V3模型和JFET模型為基礎(chǔ)。

上述SPICE網(wǎng)表中d、d1、d2、g、s為電路節(jié)點(diǎn)，“.para”主要是用于參數(shù)定義，“.subket”主要是用于描述宏模型結(jié)構(gòu)，“.model”主要是成熟的MOS與JFET器件模型。

1.2 射頻特性建模

目前對(duì)于器件的射頻特性建模多以宏模型建模為主，但大多是關(guān)于在片器件的宏模型建模［10］，而這些方法大致雷同。本文在此基礎(chǔ)上提出一種考慮了封裝特性的射頻器件宏模型建模方法。圖2所示是考慮了封裝特性的射頻LDMOS建模結(jié)構(gòu)。圖2中虛線框中的是在片器件的宏模型建模結(jié)構(gòu)，虛線框外圍部分是封裝結(jié)構(gòu)相對(duì)于在片器件所引入的寄生參數(shù)。

圖2中射頻特性的宏模型建模網(wǎng)表如下：

上述 SPICE網(wǎng)表中 g、g_i2、g_i1、gx、g_i、d_i、s_i等都是電路節(jié)點(diǎn)，中心LDMOS模型用上節(jié)中描述的直流特性宏模型。

圖2 RF-LDMOS的宏模型結(jié)構(gòu)

2 RF-LDMOS模型參數(shù)提取

本文選取的建模目標(biāo)RF-LDMOS器件結(jié)構(gòu)如圖3所示。器件的主要參數(shù)如表1所示，通過(guò)測(cè)試器件的Ids_Vds，Ids_Vgs和器件的射頻S參數(shù)，利用MBP軟件對(duì)該器件進(jìn)行模型參數(shù)的提取。

圖3 射頻LDMOS的器件結(jié)構(gòu)

表1 器件的主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)

2.1 直流參數(shù)提取

直流參數(shù)主要是基于MBP軟件，通過(guò)擬合Ids_Vds，Ids_Vgs的仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)得到。表2所示為上述器件直流特性的主要模型參數(shù)。

表2 直流模型參數(shù)

2.2 射頻參數(shù)提取

圖4所示的是圖2中封裝RF-LDMOS器件整體的小信號(hào)等效電路［11］。

圖4 封裝器件的小信號(hào)等效電路

射頻器件模型參數(shù)的提取可以分為外圍寄生電阻、電感、電容的提取，本征部分模型參數(shù)以及襯底阻抗網(wǎng)絡(luò)部分模型參數(shù)的提取。

如圖4所示，虛線框中為封裝RF-LDMOS器件的本征參數(shù)部分，其余皆是封裝器件的寄生參數(shù)部分。其中 Rpg、Lpg、Cpgs、Rpd、Lpd、Cpds、Rps、Lps為封裝結(jié)構(gòu)引入的寄生參數(shù)，Prg、Plg、Prgd、Pld、Prs、Pls為封裝內(nèi)部PAD與金屬線引入的寄生參數(shù)。

2.2.1 寄生參數(shù)提取

首先，采用Cold FET法提取外圍寄生參數(shù)［12-13］，Cold FET法即零偏條件下（Vgs=0，Vds=0），測(cè)出兩端口的Z參數(shù)。利用Z參數(shù)與本征外圍部分的關(guān)系，得到外圍寄生部分的參數(shù)值。圖5所示為封裝RF-LDMOS器件零偏時(shí)的小信號(hào)等效電路圖。

根據(jù)上圖，我們可以推出：

圖5 零偏時(shí)的小信號(hào)等效電路圖

基于在零偏條件下測(cè)試得到的S參數(shù)，利用MBP處理數(shù)據(jù)可以得到射頻寄生參數(shù)。

2.2.2 本征部分參數(shù)提取

去除外圍的寄生參數(shù)，可以得到本征部分的S參數(shù)，根據(jù)以下公式可以得到本征部分模型參數(shù)。

射頻模型參數(shù)的提取可以通過(guò)參數(shù)擬合得到，利用MBP軟件可以將測(cè)得的S參數(shù)轉(zhuǎn)化為Y參數(shù)。圖6所示，通過(guò)擬合Y參數(shù)的仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)［14-15］可以得到射頻特性模型參數(shù)。表3所示為器件射頻特性的模型參數(shù)。

圖6 仿真曲線與實(shí)測(cè)曲線的擬合對(duì)比

表3 射頻模型參數(shù)

3 模型驗(yàn)證

直流特性模型驗(yàn)證與射頻特性模型驗(yàn)證

圖7所示是選取器件的直流測(cè)試曲線與仿真曲線對(duì)比結(jié)果。

利用得到的參數(shù)進(jìn)行模型仿真，小信號(hào)模型仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖8所示。

從擬合程度來(lái)看，無(wú)論是直流特性還是射頻特性，所建立的RF-LDMOS器件模型的平均誤差在5%范圍內(nèi)，能夠準(zhǔn)確的反映器件的電學(xué)特性。

圖7 RF-LDMOS直流參數(shù)曲線對(duì)比

圖8 S參數(shù)仿真與測(cè)試曲線對(duì)比

4 總結(jié)

本文從分立射頻器件的建模角度出發(fā)，分別對(duì)封裝RF-LDMOS器件的直流特性與射頻特性進(jìn)行了宏模型研究，提出了一套針對(duì)射頻分立器件的宏模型建模與提模方法?；谶x定的一款RF-LDMOS器件，運(yùn)用提模軟件MBP對(duì)其進(jìn)行了直流與射頻參數(shù)的提取，并對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示模型的平均誤差在5%范圍內(nèi)，因此，本文提出的宏模型能夠準(zhǔn)確的描述射頻RF-LDMOS器件的電學(xué)特性。

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顧新艷（1977-）女，漢族，江蘇常州，南京工程學(xué)院，講師，碩士，主要從事電子電氣自動(dòng)化方面的教學(xué)與研究，zdhxgx?iny@njit.edu.cn。