一种FET微波噪声模型建立方法

摘要

本发明涉及半导体集成电路制造领域，公开了一种FET微波噪声模型建立方法，包括：将FET电极划分为四个区域，栅极输入结构、漏极输出结构、源极接地结构、有源区电极，采用全波电磁场方法模拟微波信号在FET电极中的传输特性，获得各个区域的S参数；将FET有源区电极转换为等效电路模型，将获得的栅极输入结构的S参数、漏极输出结构的S参数以及源极接地结构的S参数分别接入三个连接端口，获得FET无源电极模型；对FET进行在片测试，获得小信号和噪声测试数据，并基于测试数据，经过去嵌入处理，获得FET本征部分的小信号参数和噪声源；将小信号参数和噪声源，按照端口对应关系，接入FET无源电极模型中，获得FET的微波噪声模型。

权利要求

1.一种FET微波噪声模型建立方法，其特征在于，包括如下内容：S101，将FET电极划分为四个区域，分别为栅极输入结构、漏极输出结构、源极接地结构、有源区电极，采用全波电磁场方法模拟微波信号在所述FET电极中的传输特性，获得各个区域的S参数；

S102，将FET有源区电极转换为等效电路模型，所述等效电路模型包括与外部连接的三个连接端口，将S101中获得的栅极输入结构的S参数、漏极输出结构的S参数以及源极接地结构的S参数分别接入等效电路模型的三个连接端口，获得FET无源电极模型；

S103，对FET进行在片测试，获得小信号和噪声测试数据，并基于所述测试数据，经过去嵌入处理，获得FET本征部分的小信号参数和噪声源；

S104，将S103中获得的小信号参数和噪声源，按照端口对应关系，接入S102获得FET无源电极模型中，获得FET的微波噪声模型。

2.根据权利要求1所述的FET微波噪声模型建立方法，其特征在于，在S101中，所述FET电极的栅极输入结构、漏极输出结构以及有源区电极分别简化为一个二端口网络。

3.根据权利要求1所述的FET微波噪声模型建立方法，其特征在于，S102之前具体包括：根据S101中有源区电极获得的S参数，将所述S参数转换为Z参数；

基于所述Z参数，计算所述有源区电极的寄生参数；

根据所述寄生参数，执行S102。

4.根据权利要求1所述的FET微波噪声模型建立方法，其特征在于，在S102之后，还包括：电路仿真软件计算得到所述FET无源电极模型的小信号传输特性，并将所述小信号传输特性与整个FET电极的二端口全波电磁场仿真数据进行比较，验证所述FET无源电极模型的准确性。

5.根据权利要求1所述的FET微波噪声模型建立方法，其特征在于，S103具体包括：对FET进行源极阻抗牵引测试，获得FET的四个噪声参数；

基于所述四个噪声参数，获得FET的传输噪声相关矩阵；

根据对FET进行在片测试获得的小信号测试数据，依次对栅极输入结构、漏极输出结构、源极接地结构和有源区电极通过矩阵变换做去嵌入处理，获得FET本征部分的小信号参数；

根据FET的传输噪声相关矩阵，依次对栅极输入结构、漏极输出结构、源极接地结构和有源区电极通过传输噪声相关矩阵变换做去嵌入处理，获得FET本征有源部分的传输噪声相关矩阵；

根据FET本征有源部分的传输噪声相关矩阵，计算获得FET本征有源部分的噪声源。

6.根据权利要求1所述的FET微波噪声模型建立方法，其特征在于，在S104之后，将所述FET的微波噪声模型带入电路仿真软件中，模拟FET的小信号参数和四个噪声参数，并将仿真结果与S103中测试获得FET电极的小信号参数和四个噪声参数进行对比，验证所述FET微波噪声模型的准确性。

7.根据权利要求1所述的FET微波噪声模型建立方法，其特征在于，在S104之后，还包括：将S104得到的FET微波噪声模型进行等比例扩展，得到不同尺寸和不同版图布局的FET微波噪声模型。

说明书

一种FET微波噪声模型建立方法

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体集成电路制造领域，尤其涉及一种FET微波噪声模型建立方法。

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以及更高频段，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。

[0003] 场效应晶体管(FET)的微波噪声模型主要用于设计微波低噪声放大器，精确的FET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，在等效电路网络参数提取过程中，需要在多种偏置条件下进行DC和RF测量后提取参数初值，然后还需要对网络参数进行多次迭代和优化，提取流程复杂，而且参数很容易落入局部最小值，导致错误或不具有物理意义的值，对建模人员的专业知识和经验要求很高。

[0004] 因此，现有技术中器件模型的建立流程复杂，且不够精确，影响电路设计的准确性的技术问题。

发明内容

[0005] 本发明实施例通过提供一种FET微波噪声模型建立方法，解决了现有技术中器件模型的建立流程复杂，且不够精确，影响电路设计的准确性的技术问题。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种FET微波噪声模型建立方法，包括如下内容：

[0007] S101，将FET电极划分为四个区域，分别为栅极输入结构、漏极输出结构、源极接地结构、有源区电极，采用全波电磁场方法模拟微波信号在所述FET电极中的传输特性，获得各个区域的S参数；

[0008] S102，将FET有源区电极转换为等效电路模型，所述等效电路模型包括与外部连接的三个连接端口，将S101中获得的栅极输入结构的S参数、漏极输出结构的S参数以及源极接地结构的S参数分别接入等效电路模型的三个连接端口，获得FET无源电极模型；

[0009] S103，对FET进行在片测试，获得小信号和噪声测试数据，并基于所述测试数据，经过去嵌入处理，获得FET本征部分的小信号参数和噪声源；

[0010] S104，将S103中获得的小信号参数和噪声源，按照端口对应关系，接入S102获得FET无源电极模型中，获得FET的微波噪声模型。

[0011] 进一步地，在S101中，所述FET电极的栅极输入结构、漏极输出结构以及有源区电极分别简化为一个二端口网络。

[0012] 进一步地，S102之前具体包括：

[0013] 根据S101中有源区电极获得的S参数，将所述S参数转换为Z参数；

[0014] 基于所述Z参数，计算所述有源区电极的寄生参数；

[0015] 根据所述寄生参数，执行S102。

[0016] 进一步地，在S102之后，还包括：

[0017] 电路仿真软件计算得到所述FET无源电极模型的小信号传输特性，并将所述小信号传输特性与整个FET电极的二端口全波电磁场仿真数据进行比较，验证所述FET无源电极模型的准确性。

[0018] 进一步地，S103具体包括：

[0019] 对FET进行源极阻抗牵引测试，获得FET的四个噪声参数；

[0020] 基于所述四个噪声参数，获得FET的传输噪声相关矩阵；

[0021] 根据FET在片测试获得的小信号测试数据，依次对栅极输入结构、漏极输出结构、源极接地结构和有源区电极通过矩阵变换做去嵌入处理，获得FET本征部分的小信号参数；

[0022] 根据FET的传输噪声相关矩阵，依次对栅极输入结构、漏极输出结构、源极接地结构和有源区电极通过传输噪声相关矩阵变换做去嵌入处理，获得FET本征有源部分的传输噪声相关矩阵；

[0023] 根据FET本征有源部分的传输噪声相关矩阵，计算获得FET本征有源部分的噪声源。

[0024] 进一步地，在S104之后，将所述FET的微波噪声模型带入电路仿真软件中，模拟FET的小信号参数和四个噪声参数，并将仿真结果与S103中测试获得FET电极的小信号参数和四个噪声参数进行对比，验证所述FET微波噪声模型的准确性。

[0025] 进一步地，在S104之后，还包括：

[0026] 将S104得到的FET微波噪声模型进行等比例扩展，得到不同尺寸和不同版图布局的FET微波噪声模型。

[0027] 采用本发明中的一个或者多个技术方案，具有如下有益效果：

[0028] 1、采用全波电磁仿真数据代替传统的等效电路网络参数，来描述模拟信号在FET电极中的传输特性；通过编程计算出各个模型参数的值，避免了传统等效电路模型中复杂的参数测试、提取和优化拟合过程，可以避免参数陷入局部最小点，以及出现错误或不符合物理意义的值。

[0029] 2、采用全波电磁场仿真的方法，可以更精确模拟电极寄生效应对小信号和噪声参数的影响，如接地通孔、电极间的耦合、金属损耗等，模型精度更高。

[0030] 3、该方法建立的模型还可用于FET尺寸扩展，在建立单个尺寸器件噪声模型的基础上，可以预测不同尺寸和不同版图布局的FET的小信号和噪声性能。

附图说明

[0031] 图1为本发明实施例中的FET微波噪声模型建立方法的流程示意图；

[0032] 图2为本发明实施例的FET无源电极的分区示意图；

[0033] 图3为本发明实施例中多端口网络转换为二端口网络的示意图；

[0034] 图4为本发明实施例中FET有源区域寄生参数等效电路网络的示意图；

[0035] 图5为本发明实施例中FET无源电极模型的示意图；

[0036] 图6为本发明实施例中FET本征有源部分模型示意图。

具体实施方式

[0037] 本发明实施例通过提供一种FET微波噪声模型建立方法，解决了现有技术中器件模型的建立流程复杂，且不够精确，影响电路设计的准确性的技术问题。

[0038] 为了解决上述技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对本发明的技术方案进行详细的说明。

[0039] 本发明实施例提供了一种FET微波噪声模型建立方法，如图1所示的步骤流程图，具体地：

[0040] S101，如图2所示，将FET电极划分为四个区域，栅极输入结构(区域Ⅰ)、漏极输出结构(区域Ⅱ)、有源区电极(区域Ⅳ)、源极接地结构(区域Ⅲ)，图中虚线框表示区域范围，其中，区域Ⅰ和区域Ⅱ分别为FET信号的输入和输出路径，区域Ⅲ连接有源区域和背面接地金属，区域Ⅳ为FET的有源区电极，主要由栅指、源极空气桥构成。

[0041] 在该S101中采用全波电磁方法模拟微波信号在场效应管(FET)电极中的传输特性，该FET包括MOSFET、MESFET、HEMT等，该FET的材料包括Si、GaAs、GaN等，该全波电磁场方法是基于麦克斯韦方程的数值解法，计算多端口无源结构的S参数，可以选用目前成熟的商用软件(如HFSS或CST)完成。

[0042] 采用全波电磁场方法分别仿真各个区域的多端口S参数，来模拟微波信号在FET电极中的传输特性，采用这种全波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，比如接地通孔、电极间的耦合、金属损耗等等，而且避免了复杂的寄生参数测试提取流程。

[0043] 采用全波电磁场方法仿真各个电极区域后，得到各个区域的S参数，其中区域Ⅰ和区域Ⅱ分别为两个(N+1)端口S参数，区域Ⅲ为单端口S参数，区域Ⅳ为2*N端口S参数，其中N为FET的栅指数目。

[0044] 因此，为了降低FET模型复杂度，可以将FET的区域Ⅳ简化为一个二端口网络，同样，需要将区域Ⅰ和区域Ⅱ同样转换为一个二端口网络，根据多端口网络Y矩阵的定义，可以得到多端口网络转换为二端口网络的关系式如下：

[0045]

[0046] (1)式中，YC表示转换后二端口网络的Y矩阵，yi,j表示原多端口网络Y矩阵的参数，根据仿真得到的多端口S参数根据矩阵变换理论得到，K表示组合为二端口网络的1端口的端口数目，L表示组合为二端口网络的2端口的端口数目，如图3所示，为简化为二端口网络的示意图，其中，对于区域Ⅰ，K＝1，L＝N；对于区域Ⅱ，K＝N，L＝1；对于区域Ⅳ，K＝N，L＝N。

[0047] 接下来，执行S102，将FET有源区电极转换为等效电路模型，如图4所示，该等效电路模型包括与外部连接的三个连接端口，将该S101中获得的栅极输入结构的S参数、漏极输出结构的S参数以及源极接地结构的S参数分别接入等效电路模型的三个连接端口，从而获得FET无源电极模型。

[0048] 具体的实施方式中，将该FET电极转换为等效电路模型具体需要获得该FET有源区域电极的寄生参数，因此，在S102之前，还包括如下步骤，首先，根据S101中有源区电极获得的S参数，将该S参数转换为Z参数。然后，根据如下关系式：

[0049]

[0050] 在(2)式中，ZⅣ为仿真得到的区域Ⅳ的Z参数矩阵；以及Cg、Cd、Cs与Cgd、Cgs、Cds的关系为：

[0051]

[0052] 由(2)式可以计算得到

[0053] Rs＝mean{Re(z12)}…………………………………………………….(4)

[0054]

[0055] 在(4)式中函数mean()表示对模型频段内所有频率点求平均值，可以根据(5)式，由线性回退技术计算得到Ls和Cs的值，当Rs、Ls、Cs的值确定后，(2)式中剩余的参数的值可以由相同的方法得到，最后再根据(3)式计算出Cgs、Cgd、Cds的值。因此，根据上述的Z参数矩阵，能够获得有源区电极的寄生参数，最后根据获得的寄生参数，能够获得FET有源区电极的等效电路模型。

[0056] 接着，在S102中，获得的等效电路模型中，三个并联的寄生电容(Cgd、Cgs、Cds)用来模拟栅指之间以及栅指与空气桥之间的电磁耦合，串联的电阻和电感(Rg、Lg、Rd、Ld、Rs、Ls)用来模拟栅指和空气桥中由于信号传输和衰减引入的寄生效应，该等效电路模型中的端口Gex、Dex和Sex分别表示与外部的区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ的连接端口，端口Gin、Din和Sin表示与FET本征沟道网络的连接端口。

[0057] 在具体执行S102时，将S101中获得的栅极输入结构的S参数、漏极输出结构的S参数以及源极接地结构的S参数分别接入等效电路模型的三个连接端口(也就是端口Gex、Dex和Sex)，从而得到如图5所示的FET无源电极模型。

[0058] 在该S102之后，由电路仿真软件计算得到该FET无源电极模型的小信号传输特性，并将该小信号传输特性与整个FET电极的二端口全波电磁场仿真数据进行比较，从而验证该FET无源电极模型的准确性。

[0059] 接着，执行S103，对FET进行在片测试，获得小信号和噪声测试数据，并基于所述测试数据，经过去嵌入处理，获得FET本征部分的小信号参数和噪声源；。

[0060] 具体地，在栅极和漏极工作偏置电压下，对FET进行在片测试，测量FET的S参数，采用Focus噪声测试系统，对FET进行源极阻抗牵引测试，测量得到FET的四个噪声参数，具体该四个噪声参数分别为最小噪声系数(NFmin)、等效噪声阻抗(Rn)、最佳噪声源电导(Gopt)和最佳噪声源电纳(Bopt)，然后可以得到FET的传输噪声相关矩阵：

[0061]

[0062] 在(6)式中，最佳噪声源导纳Yopt＝Gopt+jBopt。可以将该FET本征有源部分表示为一个无噪声网络和两个噪声源，其中两个噪声源分别为栅极噪声电流源 和漏极噪声电流源其相关性表示为 如图6所示，本征无噪声网络可以根据小信号矩阵网络理论，由在片测量得到FET的小信号测试数据，依次对区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ和区域Ⅳ通过矩阵变换做去嵌入处理，最后得到FET本征无噪声网络的小信号参数，而FET本征有源部分的两个噪声源，可以根据式(6)得到的FET的传输噪声相关矩阵，依次对栅极输入区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ、区域Ⅳ通过类似的传输噪声相关矩阵变换做去嵌入处理，获得FET本征有源部分的传输噪声相关矩阵 然后由如下公式计算得到FET本征有源部分的噪声源表达式：

[0063]

[0064] (7)式中， 其中，上标“IN”表示FET本征有源部分的参数。

[0065] 由此，在该S103中，获得了FET本征有源部分的小信号参数和噪声源。

[0066] 接着，执行S104，将该S103中获得的小信号参数和噪声源，按照端口对应关系，接入S102获得的FET无源电极模型中，获得FET的微波噪声模型。

[0067] 在该S104之后，将FET的微波噪声模型带入电路仿真软件中，模拟FET的小信号参数和四个噪声参数，并将仿真结果与S103中测试得到的FET的小信号参数和四个噪声参数进行比较，验证该FET微波噪声模型的准确性。

[0068] 因此，采用上述方式获得FET微波噪声模型，是利用计算机程序编程(MATLAB)来实现上述参数提取流程，无需传统等效电路模型中复杂的参数测试、提取和优化拟合过程，可以避免参数陷入局部最小点，以及出现错误或不符合物理意义的值。另外，在步骤S101中采用全波电磁场仿真的方法，可以更精确模拟FET电极寄生效应对小信号和噪声参数的影响，比如接地通孔、电极间的耦合、金属损耗等，使得最终得到的FET微波噪声模型精度更高。本方法还可以采用全波电磁场仿真FET本征有源区源极与接地通孔之间的传输线效应(源极负反馈)对FET小信号和噪声性能的影响。

[0069] 在获得该FET的微波噪声模型之后，还包括：将该FET的微波噪声模型进行等比例扩展，得到不同尺寸和不同版图布局的FET微波噪声模型。

[0070] 具体地，假设上述获得的FET中栅宽为W，新的尺寸FET的栅宽为Wnew，通过上述步骤S101，S102，得到新的尺寸FET的无源电极部分的模型，接着，新的尺寸FET的本征有源部分的小信号参数和噪声源参数可以由等比例扩展的方法得到，如下图表所示，其中N＝Wnew/W，Y表示小信号导纳矩阵。

[0071]

[0072]

[0073] 因此，根据该S104步骤，能够获得不同尺寸，不同版图布局的FET微波噪声模型。

[0074] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

[0075] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。