一种InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型

摘要

本发明属于半导体器件领域，具体提供一种InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，用以解决传统小信号模型中寄生参数元件缺乏物理意义、未考虑趋肤效应的问题。本发明通过模型中寄生元件的创造性设计，各个寄生元件具有明确的物理意义，且接地孔引入趋肤效应阻抗；同时，按照递进关系将晶体管几何图形组合为4组，对应4个寄生元件子模型，通过三维电磁场仿真软件对4组几何图形进行分步建模仿真，基于仿真结果依次提取对应各个寄生元件的参数值；基于此，本发明能够有效节省了建模时间，并显著提高了小信号模型的模拟精度；另外，与传统小信号模型相比，本发明中寄生元件数量增加，能够有效提高小信号模型的模拟精度。

权利要求

1.一种InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，包括：寄生元件与本征元件，其特征在于，所述寄生元件包括：栅极外部寄生电阻Rg1、栅极中部寄生电阻Rg2、栅极内部寄生电阻Rg_finger、栅极外部寄生电容Cg、栅极中部寄生电容Cgs_in、栅极内部寄生电容Cgs_finger、栅极寄生电感Lg_finger、漏极外部寄生电阻Rd1、漏极中部寄生电阻Rd2、漏极内部寄生电阻Rd_finger、漏极外部寄生电容Cd、漏极中部寄生电容Cds_in、漏极内部寄生电容Cds_finger、漏极寄生电感Ld_finger、栅漏寄生电容Cgd_finger、源极寄生电感Ls、源极趋肤效应阻抗Zrf；

其中，所述栅极外部寄生电阻Rg1连接于外部栅极节点G与中部栅极节点G1之间，所述栅极中部寄生电阻Rg2与栅极外部寄生电容Cg串联后连接于中部栅极节点G1与外部源极节点S之间，所述栅极内部寄生电阻Rg_finger与漏极寄生电感Ld_finger串联后连接于中部栅极节点G1与本征栅极节点G2之间，所述栅极中部寄生电容Cgs_in连接于中部栅极节点G1与本征源极节点S1之间，所述栅极内部寄生电容Cgs_finger连接于本征栅极节点G2与本征源极节点S1之间，所述漏极外部寄生电阻Rd1连接于外部漏极节点D与中部漏极节点D1之间，所述漏极中部寄生电阻Rd2与漏极外部寄生电容Cd串联后连接于中部漏极节点D1与外部源极节点S之间，所述漏极内部寄生电阻Rd_finger与漏极寄生电感Ld_finger串联后连接于中部漏极节点D1与本征漏极节点D2之间，所述漏极中部寄生电容Cds_in连接于中部漏极节点D1与本征源极节点S1之间，所述漏极内部寄生电容Cds_finger连接于本征漏极节点D2与本征源极节点S1之间，所述栅漏寄生电容Cgd_finger连接于本征栅极节点G2与本征漏极节点D2之间，所述源极寄生电感Ls与源极趋肤效应阻抗Zrf串联后连接于外部源极节点S与本征源极节点S1之间。

2.根据权利要求1所述InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，其特征在于，所述本征元件包括：栅源本征电容Cgs、栅源本征电阻Ri、栅漏本征电容Cgd、栅漏本征电阻Rgd、漏源本征电容Cds、漏源本征电阻Rds以及电压控制电流源VCCS，其中，所述栅源本征电容Cgs与栅源本征电阻Ri串联后连接于本征栅极节点G2与本征源极节点S1之间，所述栅漏本征电容Cgd与栅漏本征电阻Rgd串联后连接于本征栅极节点G2与本征漏极节点D2之间，所述漏源本征电容Cds、漏源本征电阻Rds与电压控制电流源VCCS并联后连接于本征漏极节点D2与本征源极节点S1之间。

3.根据权利要求1所述InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，其特征在于，所述寄生元件中寄生参数的分步提取过程为：

步骤1、在三维电磁仿真软件中，对晶体管的部分结构进行建模，包括：衬底部分，位于衬底下表面的背金部分，位于衬底上表面的介质层部分，位于介质层上表面的栅极传输线部分与漏极传输线部分；然后在全频段内对晶体管进行二端口三维电磁仿真，计算Z参数，进而根据Z参数计算得到栅极外部寄生电阻Rg1与栅极中部寄生电阻Rg2的总电阻RTg、栅极外部寄生电容Cg、漏极外部寄生电阻Rd1与漏极中部寄生电阻Rd2的总电阻RTd、漏极外部寄生电容Cd；

步骤2、在三维电磁仿真软件中，对晶体管部分结构进行建模，包括：衬底部分，位于衬底下表面的背金部分，位于衬底上表面的介质层部分，位于介质层上表面的单个源极部分及源极接地孔；然后在全频段对晶体管进行单端口三维电磁仿真，计算Z参数，进而根据Z参数计算得到源极寄生电感Ls、源极趋肤效应阻抗Zrf；

步骤3、在三维电磁仿真软件中，对晶体管部分结构进行建模，包括：衬底部分，位于衬底下表面的背金部分，位于衬底上表面的介质层部分，位于介质层上表面的栅极传输线部分、漏极传输线部分、两个源极部分及源极接地孔；然后在全频段对晶体管进行二端口三维电磁仿真，计算Y参数，进而根据Y参数计算得到栅极中部寄生电容Cgs_in、漏极中部寄生电容Cds_in；

步骤4、在三维电磁仿真软件中，对晶体管完整结构进行建模，包括：衬底部分，位于衬底下表面的背金部分，位于衬底上表面的介质层部分，位于介质层上表面的栅极传输线部分、栅指部分、漏极传输线部分、漏极金属条部分、两个源极部分及源极接地孔；然后在全频段对晶体管进行二端口三维电磁仿真，计算Y参数，进而根据Y参数计算得到栅漏寄生电容Cgd_finger、漏极内部寄生电容Cds_finger、栅极内部寄生电容Cgs_finger；

步骤5、设置：Rg1=λRTg、Rg2=(1‑λ)RTg，Rd1=φRTd、Rd2=(1‑φ)RTd，λ与φ均为取值范围在0~1之间的分配比例，λ与φ的初始值设置为0.5；同时，设置栅极内部寄生电阻Rg_finger、栅极寄生电感Lg_finger、漏极内部寄生电阻Rd_finger、漏极寄生电感Ld_finger的初始值为0；按照寄生代价函数对所有寄生参数进行优化，得到最终寄生参数。

4.根据权利要求3所述InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，其特征在于，步骤1中，栅极外部寄生电阻Rg1与栅极中部寄生电阻Rg2的总电阻RTg、栅极外部寄生电容Cg、漏极外部寄生电阻Rd1与漏极中部寄生电阻Rd2的总电阻RTd、漏极外部寄生电容Cd满足以下方程：其中，Z11、Z22依次表示Z参数中对应项，f表示频率，fmax表示最高频率。

5.根据权利要求3所述InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，其特征在于，步骤2中，源极寄生电感Ls、源极趋肤效应阻抗Zrf满足以下方程：其中，Z11表示Z参数中对应项，f表示频率，fmax表示最高频率。

6.根据权利要求3所述InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，其特征在于，步骤3中，栅极中部寄生电容Cgs_in、漏极中部寄生电容Cds_in满足以下方程：其中，Y11、Y22依次表示Y参数中对应项，f表示频率，fmin表示最低频率。

7.根据权利要求3所述InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，其特征在于，步骤4中，栅漏寄生电容Cgd_finger、漏极内部寄生电容Cds_finger、栅极内部寄生电容Cgs_finger满足以下方程：其中，Y11、Y22、Y12依次表示Y参数中对应项，f表示频率，fmin表示最低频率。

8.根据权利要求3所述InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，其特征在于，步骤5中，寄生代价函数为：

其中，Ji,j与Ki,j均为预设权重，Sa(i,j)表示寄生元件的电路仿真结果，Sb(i,j)表示三维电磁仿真结果。

9.根据权利要求2所述InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，其特征在于，所述本征元件的本征参数的提取过程为：

在全频段内测量晶体管在全部偏置条件下的S参数，并由S参数计算得到对应的Y参数；

基于已知寄生参数，对晶体管全频段测试Y参数进行去嵌，得到本征Y参数Yint；栅源本征电容Cgs、栅源本征电阻Ri、栅漏本征电容Cgd、栅漏本征电阻Rgd、漏源本征电容Cds、漏源本征电阻Rds、电压控制电流源VCCS满足以下方程：其中，gm表示电压控制电流源VCCS的跨导，ω表示角频率，τ表示电压控制电流源VCCS的延时；

再按照本征代价函数对所有本征参数进行优化，得到最终本征参数。

10.根据权利要求9所述InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，其特征在于，所述本征代价函数为：

其中，Ji,j与Ki,j为预设权重，Sc(i,j)表示小信号模型的电路仿真结果，Sd(i,j)表示测试结果。

说明书

一种InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型

技术领域

[0001] 本发明属于半导体器件领域，涉及微电子器件技术，进一步涉及HEMT晶体管小信号等效电路模型，具体提供一种InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型。

背景技术

[0002] InP材料具有高电子迁移率、高饱和漂移速度等特点，与GaN基HEMT晶体管相比，InP 材料器件具有更好的噪声系数，与GaAs基HEMT晶体管相比，InP材料具有更高的电子迁移率，可应用于更高频段；因此，InP基HEMT晶体管适用于太赫兹频率的低噪声放大器设计，对太赫兹频率的电子战、相控阵雷达、卫星通讯与射电天文学等方面均具有较大的意义。

[0003] 小信号等效电路模型（简称：小信号模型）是电路设计与器件特性之间的纽带，针对器件进行建模后，才能将模型嵌入EDA软件，进行电路仿真与设计。针对HEMT晶体管器件，传统小信号模型如图22所示，对应的传统寄生参数提取方法是采用栅压夹断、漏压为0V的冷管状态进行参数拟合，具有以下局限：1、仅采用等效元件对测试数据进行拟合，物理意义有待进一步提高，无法将几何图形不同部分的寄生效应明确区分；2、由于等效元件个数较少，造成模拟精度较差；3、忽略了部分特殊物理效应，比如趋肤效应；上述局限，在太赫兹频段尤为明显。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于针对上述传统小信号模型中寄生元件缺乏物理意义、未考虑趋肤效应的问题，提供一种InP基太赫兹HMET晶体管小信号模型；本发明的核心创造在于模型中寄生元件的创造性设计，其中，各个寄生元件具有明确的物理意义，且接地孔引入趋肤效应阻抗；同时，按照从部分到整体的递进关系，将晶体管几何图形组合为4组，分别对应4个寄生元件子模型，通过三维电磁场仿真软件对4组几何图形进行分步建模仿真，基于仿真结果依次提取相应寄生元件的参数值；基于此，本发明能够有效节省建模时间，并显著提高小信号模型的模拟精度。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

[0006] 一种InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，包括：寄生元件与本征元件，其特征在于，所述寄生元件包括：栅极外部寄生电阻Rg1、栅极中部寄生电阻Rg2、栅极内部寄生电阻Rg_finger、栅极外部寄生电容Cg、栅极中部寄生电容Cgs_in、栅极内部寄生电容Cgs_finger、栅极寄生电感Lg_finger、漏极外部寄生电阻Rd1、漏极中部寄生电阻Rd2、漏极内部寄生电阻Rd_finger、漏极外部寄生电容Cd、漏极中部寄生电容Cds_in、漏极内部寄生电容Cds_finger、漏极寄生电感Ld_finger、栅漏寄生电容Cgd_finger、源极寄生电感Ls、源极趋肤效应阻抗Zrf；

[0007] 其中，所述栅极外部寄生电阻Rg1连接于外部栅极节点G与中部栅极节点G1之间，所述栅极中部寄生电阻Rg2与栅极外部寄生电容Cg串联后连接于中部栅极节点G1与外部源极节点S之间，所述栅极内部寄生电阻Rg_finger与漏极寄生电感Ld_finger串联后连接于中部栅极节点G1与本征栅极节点G2之间，所述栅极中部寄生电容Cgs_in连接于中部栅极节点G1与本征源极节点S1之间，所述栅极内部寄生电容Cgs_finger连接于本征栅极节点G2与本征源极节点S1之间，所述漏极外部寄生电阻Rd1连接于外部漏极节点D与中部漏极节点D1之间，所述漏极中部寄生电阻Rd2与漏极外部寄生电容Cd串联后连接于中部漏极节点D1与外部源极节点S之间，所述漏极内部寄生电阻Rd_finger与漏极寄生电感Ld_finger串联后连接于中部漏极节点D1与本征漏极节点D2之间，所述漏极中部寄生电容Cds_in连接于中部漏极节点D1与本征源极节点S1之间，所述漏极内部寄生电容Cds_finger连接于本征漏极节点D2与本征源极节点S1之间，所述栅漏寄生电容Cgd_finger连接于本征栅极节点G2与本征漏极节点D2之间，所述源极寄生电感Ls与源极趋肤效应阻抗Zrf串联后连接于外部源极节点S与本征源极节点S1之间。

[0008] 进一步的，所述本征元件包括：栅源本征电容Cgs、栅源本征电阻Ri、栅漏本征电容Cgd、栅漏本征电阻Rgd、漏源本征电容Cds、漏源本征电阻Rds以及电压控制电流源VCCS，其中，所述栅源本征电容Cgs与栅源本征电阻Ri串联后连接于本征栅极节点G2与本征源极节点S1之间，所述栅漏本征电容Cgd与栅漏本征电阻Rgd串联后连接于本征栅极节点G2与本征漏极节点D2之间，所述漏源本征电容Cds、漏源本征电阻Rds与电压控制电流源VCCS并联后连接于本征漏极节点D2与本征源极节点S1之间。

[0009] 进一步的，所述寄生元件中寄生参数的提取过程为：

[0010] 步骤1、在三维电磁仿真软件中，对晶体管的部分结构进行建模，包括：衬底部分，位于衬底下表面的背金部分，位于衬底上表面的介质层部分，位于介质层上表面的栅极传输线部分与漏极传输线部分；然后在全频段内对晶体管进行二端口三维电磁仿真，计算Z参数，进而根据Z参数计算得到栅极外部寄生电阻Rg1与栅极中部寄生电阻Rg2的总电阻RTg、栅极外部寄生电容Cg、漏极外部寄生电阻Rd1与漏极中部寄生电阻Rd2的总电阻RTd、漏极外部寄生电容Cd；

[0011] 步骤2、在三维电磁仿真软件中，对晶体管部分结构进行建模，包括：衬底部分，位于衬底下表面的背金部分，位于衬底上表面的介质层部分，位于介质层上表面的单个源极部分及源极接地孔；然后在全频段对晶体管进行单端口三维电磁仿真，计算Z参数，进而根据Z参数计算得到源极寄生电感Ls、源极趋肤效应阻抗Zrf；

[0012] 步骤3、在三维电磁仿真软件中，对晶体管部分结构进行建模，包括：衬底部分，位于衬底下表面的背金部分，位于衬底上表面的介质层部分，位于介质层上表面的栅极传输线部分、漏极传输线部分、两个源极部分及源极接地孔；然后在全频段对晶体管进行二端口三维电磁仿真，计算Y参数，进而根据Y参数计算得到栅极中部寄生电容Cgs_in、漏极中部寄生电容Cds_in；

[0013] 步骤4、在三维电磁仿真软件中，对晶体管完整结构进行建模，包括：衬底部分，位于衬底下表面的背金部分，位于衬底上表面的介质层部分，位于介质层上表面的栅极传输线部分、栅指部分、漏极传输线部分、漏极金属条部分、两个源极部分及源极接地孔；然后在全频段对晶体管进行二端口三维电磁仿真，计算Y参数，进而根据Y参数计算得到栅漏寄生电容Cgd_finger、漏极内部寄生电容Cds_finger、栅极内部寄生电容Cgs_finger；

[0014] 步骤5、设置：Rg1=λRTg、Rg2=(1‑λ)RTg，Rd1=φRTd、Rd2=(1‑φ)RTd，λ与φ均为取值范围在0~1之间的分配比例，λ与φ的初始值设置为0.5；同时，设置栅极内部寄生电阻Rg_finger、栅极寄生电感Lg_finger、漏极内部寄生电阻Rd_finger、漏极寄生电感Ld_finger的初始值为0；按照寄生代价函数对所有寄生参数进行优化，得到最终寄生参数。

[0015] 更进一步的，步骤1中，栅极外部寄生电阻Rg1与栅极中部寄生电阻Rg2的总电阻RTg、栅极外部寄生电容Cg、漏极外部寄生电阻Rd1与漏极中部寄生电阻Rd2的总电阻RTd、漏极外部寄生电容Cd满足以下方程：

[0016]

[0017]

[0018]

[0019]

[0020] 其中，Z11、Z22依次表示Z参数中对应项，f表示频率，fmax表示最高频率。

[0021] 更进一步的，步骤2中，源极寄生电感Ls、源极趋肤效应阻抗Zrf满足以下方程：

[0022]

[0023]

[0024]

[0025] 其中，Z11表示Z参数中对应项，f表示频率，fmax表示最高频率。

[0026] 更进一步的，步骤3中，栅极中部寄生电容Cgs_in、漏极中部寄生电容Cds_in满足以下方程：

[0027]

[0028]

[0029] 其中，Y11、Y22依次表示Y参数中对应项，f表示频率，fmin表示最低频率。

[0030] 更进一步的，步骤4中，栅漏寄生电容Cgd_finger、漏极内部寄生电容Cds_finger、栅极内部寄生电容Cgs_finger满足以下方程：

[0031]

[0032]

[0033]

[0034] 其中，Y11、Y22、Y12依次表示Y参数中对应项，f表示频率，fmin表示最低频率。

[0035] 更进一步的，步骤5中，寄生代价函数为：

[0036]

[0037] 其中，Ji,j与Ki,j均为预设权重，Sa(i,j)表示寄生元件的电路仿真结果，Sb(i,j)表示三维电磁仿真结果。

[0038] 进一步的，所述本征元件的本征参数的提取过程为：

[0039] 在全频段内测量晶体管在全部偏置条件下的S参数，并由S参数计算得到对应的Y参数；基于已知寄生参数，对晶体管全频段测试Y参数进行去嵌，得到本征Y参数Yint；栅源本征电容Cgs、栅源本征电阻Ri、栅漏本征电容Cgd、栅漏本征电阻Rgd、漏源本征电容Cds、漏源本征电阻Rds、电压控制电流源VCCS满足以下方程：

[0040]

[0041] 其中，gm表示电压控制电流源VCCS的跨导，ω表示角频率，τ表示电压控制电流源VCCS的延时；

[0042] 再按照本征代价函数对所有本征参数进行优化，得到最终本征参数。

[0043] 更进一步的，所述本征代价函数为：

[0044]

[0045] 其中，Ji,j与Ki,j也为预设权重，Sc(i,j)表示小信号模型的电路仿真结果，Sd(i,j)表示测试结果。

[0046] 与现有技术相比，本发明的有益结果在于：

[0047] 本发明提供一种InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，通过小信号模型中寄生元件部分的创造性设计，使得各个寄生元件具有明确的物理意义，同时引入趋肤效应阻抗；具体而言：采用栅极外部寄生电阻Rg1、栅极中部寄生电阻Rg2与栅极外部寄生电容Cg共同模拟栅极传输线寄生效应，采用漏极外部寄生电阻Rd1、漏极中部寄生电阻Rd2与漏极外部寄生电容Cd共同模拟漏极传输线寄生效应，采用源极寄生电感Ls与源极趋肤效应阻抗Zrf模拟源极接地孔寄生效应，采用栅极中部寄生电容Cgs_in模拟栅极传输线和源极接地孔的耦合效应，采用漏极中部寄生电容Cds_in模拟漏极传输线和源极接地孔的耦合效应，采用栅极内部寄生电阻Rg_finger、栅极寄生电感Lg_finger模拟栅条的寄生效应，采用漏极内部寄生电阻Rd_finger、漏极寄生电感Ld_finger模拟有源区漏极的寄生效应，采用栅极内部寄生电容Cgs_finger模拟栅条与源极之间耦合，采用漏极内部寄生电容Cds_finger模拟有源区漏极和源极之间耦合，采用栅漏寄生电容Cgd_finger模拟栅条和漏极之间的耦合；进一步的，按照从部分到整体的递进关系，将晶体管几何图形组合为4组，分别对应4个寄生元件子模型，通过三维电磁场仿真软件对4组几何图形进行分步建模仿真，基于仿真结果依次提取对应各个寄生元件的参数值，有效节省了建模时间，显著提高了小信号模型的模拟精度；另外，与传统小信号模型相比，本发明增加了寄生参数元件数量，能够有效提高小信号模型的模拟精度。

附图说明

[0048] 图1为本发明中InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型的拓扑结构示意图。

[0049] 图2为图1所示小信号模型中第一个寄生元件子模型的结构示意图。

[0050] 图3为图1所示小信号模型中第二个寄生元件子模型的结构示意图。

[0051] 图4为图1所示小信号模型中第三个寄生元件子模型的结构示意图。

[0052] 图5为图1所示小信号模型中第四个寄生元件子模型的结构示意图。

[0053] 图6为图2所示第一个寄生元件子模型对应的三维电磁仿真模型。

[0054] 图7为图3所示第二个寄生元件子模型对应的三维电磁仿真模型。

[0055] 图8为图4所示第三个寄生元件子模型对应的三维电磁仿真模型。

[0056] 图9为图5所示第四个寄生元件子模型对应的三维电磁仿真模型。

[0057] 图10为本发明实施例中寄生元件的电路仿真结果与三维电磁仿真结果的S11参数对比图。

[0058] 图11为本发明实施例中寄生元件的电路仿真结果与三维电磁仿真结果的S12参数对比图。

[0059] 图12为本发明实施例中寄生元件的电路仿真结果与三维电磁仿真结果的S21参数对比图。

[0060] 图13为本发明实施例中寄生元件的电路仿真结果与三维电磁仿真结果的S22参数对比图。

[0061] 图14为本发明实施例中冷管状态下小信号模型的电路仿真结果与测试结果的S11参数对比图。

[0062] 图15为本发明实施例中冷管状态下小信号模型的电路仿真结果与测试结果的S12参数对比图。

[0063] 图16为本发明实施例中冷管状态下小信号模型的电路仿真结果与测试结果的S21参数对比图。

[0064] 图17为本发明实施例中冷管状态下小信号模型的电路仿真结果与测试结果的S22参数对比图。

[0065] 图18为本发明实施例中常用放大状态下小信号模型的电路仿真结果与测试结果的S11参数对比图。

[0066] 图19为本发明实施例中常用放大状态下小信号模型的电路仿真结果与测试结果的S12参数对比图。

[0067] 图20为本发明实施例中常用放大状态下小信号模型的电路仿真结果与测试结果的S21参数对比图。

[0068] 图21为本发明实施例中常用放大状态下小信号模型的电路仿真结果与测试结果的S22参数对比图。

[0069] 图22为传统HEMT晶体管的小信号模型的拓扑结构示意图。

具体实施方式

[0070] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合附图和实施例对本发明进一步详细说明。

[0071] 本实施例提供一种InP基太赫兹HEMT晶体管小信号模型，其结构如图1所示，包括：寄生元件与本征元件，具有以下节点：外部栅极节点G、中部栅极节点G1、本征栅极节点G2、外部漏极节点D、中部漏极节点D1、本征漏极节点D2、外部源极节点S、本征源极节点S1；更为具体的讲：

[0072] 所述本征元件包括：栅源本征电容Cgs、栅源本征电阻Ri、栅漏本征电容Cgd、栅漏本征电阻Rgd、漏源本征电容Cds、漏源本征电阻Rds以及电压控制电流源VCCS，其中，所述栅源本征电容Cgs与栅源本征电阻Ri串联后连接于本征栅极节点G2与本征源极节点S1之间，所述栅漏本征电容Cgd与栅漏本征电阻Rgd串联后连接于本征栅极节点G2与本征漏极节点D2之间，所述漏源本征电容Cds、漏源本征电阻Rds与电压控制电流源VCCS并联后连接于本征漏极节点D2与本征源极节点S1之间；

[0073] 所述寄生元件包括：栅极外部寄生电阻Rg1、栅极中部寄生电阻Rg2、栅极内部寄生电阻Rg_finger、栅极外部寄生电容Cg、栅极中部寄生电容Cgs_in、栅极内部寄生电容Cgs_finger、栅极寄生电感Lg_finger、漏极外部寄生电阻Rd1、漏极中部寄生电阻Rd2、漏极内部寄生电阻Rd_finger、漏极外部寄生电容Cd、漏极中部寄生电容Cds_in、漏极内部寄生电容Cds_finger、漏极寄生电感Ld_finger、栅漏寄生电容Cgd_finger、源极寄生电感Ls、源极趋肤效应阻抗Zrf；

[0074] 所述寄生元件中，栅极外部寄生电阻Rg1连接于外部栅极节点G与中部栅极节点G1之间，所述栅极中部寄生电阻Rg2与栅极外部寄生电容Cg串联后连接于中部栅极节点G1与外部源极节点S之间，所述栅极内部寄生电阻Rg_finger与漏极寄生电感Ld_finger串联后连接于中部栅极节点G1与本征栅极节点G2之间，所述栅极中部寄生电容Cgs_in连接于中部栅极节点G1与本征源极节点S1之间，所述栅极内部寄生电容Cgs_finger连接于本征栅极节点G2与本征源极节点S1之间，所述漏极外部寄生电阻Rd1连接于外部漏极节点D与中部漏极节点D1之间，所述漏极中部寄生电阻Rd2与漏极外部寄生电容Cd串联后连接于中部漏极节点D1与外部源极节点S之间，所述漏极内部寄生电阻Rd_finger与漏极寄生电感Ld_finger串联后连接于中部漏极节点D1与本征漏极节点D2之间，所述漏极中部寄生电容Cds_in连接于中部漏极节点D1与本征源极节点S1之间，所述漏极内部寄生电容Cds_finger连接于本征漏极节点D2与本征源极节点S1之间，所述栅漏寄生电容Cgd_finger连接于本征栅极节点G2与本征漏极节点D2之间，所述源极寄生电感Ls与源极趋肤效应阻抗Zrf串联后连接于外部源极节点S与本征源极节点S1之间。

[0075] 本实施例的核心创造在于：上述小信号模型中寄生元件部分的创造性设计，其中，各个寄生元件具有明确的物理意义，且引入趋肤效应阻抗；同时，按照从部分到整体的递进关系，将晶体管几何图形组合为4组，分别对应4个寄生元件子模型，通过三维电磁场仿真软件对4组几何图形进行分步建模仿真，基于仿真结果依次提取对应各个寄生元件的参数值；更为具体的讲：

[0076] 第一个寄生元件子模型：栅、漏极外部寄生参数，其结构如图2所示，包括栅极外部寄生电阻Rg1、栅极中部寄生电阻Rg2、栅极外部寄生电容Cg、漏极外部寄生电阻Rd1、漏极中部寄生电阻Rd2、漏极外部寄生电容Cd，包含的节点有外部栅极节点G、外部漏极节点D、外部源极节点S；栅极外部寄生电阻Rg1、栅极中部寄生电阻Rg2与栅极外部寄生电容Cg共同模拟栅极传输线寄生效应；漏极外部寄生电阻Rd1、漏极中部寄生电阻Rd2与漏极外部寄生电容Cd共同模拟漏极传输线寄生效应；

[0077] 第二个寄生元件子模型：源极外部寄生参数，其该结构如图3所示，包括源极寄生电感Ls、源极趋肤效应阻抗Zrf，包含的节点有外部源极节点S与本征源极节点S1；需要说明的是，在整体晶体管结构中有两个源极，而在此模型中，仅表示单个源极结构，故其中源极寄生电感为2Ls、源极趋肤效应阻抗为2Zrf，源极寄生电感2Ls与源极趋肤效应阻抗2Zrf模拟一个源极接地孔寄生效应，两个源极接地孔寄生效应在小信号模型为并联关系，即合并等效为源极寄生电感Ls与源极趋肤效应阻抗Zrf；

[0078] 第三个寄生元件子模型：栅、漏、源极外部寄生参数，其该结构如图4所示，包括第一寄生元件子模型：栅极外部寄生电阻Rg1、栅极中部寄生电阻Rg2、栅极外部寄生电容Cg、漏极外部寄生电阻Rd1、漏极中部寄生电阻Rd2、漏极外部寄生电容Cd，第二个寄生元件子模型：源极寄生电感Ls、源极趋肤效应阻抗Zrf，以及栅极中部寄生电容Cgs_in与漏极中部寄生电容Cds_in；包含的节点有外部栅极节点G、中部栅极节点G1、外部漏极节点D、中部漏极节点D1、外部源极节点S与本征源极节点S1；栅极中部寄生电容Cgs_in模拟栅极传输线和源极接地孔的耦合效应，漏极中部寄生电容Cds_in模拟漏极传输线和源极接地孔的耦合效应；

[0079] 第四个寄生元件子模型：整体寄生参数，其结构如图5所示，包括第三个寄生元件子模型：栅极外部寄生电阻Rg1、栅极中部寄生电阻Rg2、栅极外部寄生电容Cg、漏极外部寄生电阻Rd1、漏极中部寄生电阻Rd2、漏极外部寄生电容Cd、源极寄生电感Ls、源极趋肤效应阻抗Zrf、栅极中部寄生电容Cgs_in和漏极中部寄生电容Cds_in，以及栅极内部寄生电容Cgs_finger、栅极内部寄生电阻Rg_finger、栅极寄生电感Lg_finger、漏极内部寄生电容Cds_finger、漏极内部寄生电阻Rd_finger、漏极寄生电感Ld_finger与栅漏寄生电容Cgd_finger；包含所有节点，其中，栅极内部寄生电阻Rg_finger、栅极寄生电感Lg_finger模拟栅条的寄生效应；漏极内部寄生电阻Rd_finger、漏极寄生电感Ld_finger模拟有源区漏极的寄生效应；栅极内部寄生电容Cgs_finger模拟栅条与源极之间耦合；漏极内部寄生电容Cds_finger模拟有源区漏极和源极之间耦合；栅漏寄生电容Cgd_finger模拟栅条和漏极之间的耦合；

[0080] 同时，上述4个寄生元件子模型包含了前述小信号模型中相应元件之间所有连接线、元件与节点之间所有连接线。

[0081] 进一步的，本实施例还提供上述小信号模型的参数提取过程，并具体以35nm的InPHEMT晶体管为例进行说明，其测试频段为10 110GHz，具体采用现有的10 66GHz测试系~ ~统与75 110GHz测试系统分段实现测试；具体包括以下步骤：
~

[0082] 步骤1、在三维电磁仿真软件中，对晶体管的部分结构进行建模，包括：衬底部分，位于衬底下表面的背金部分，位于衬底上表面的介质层部分，位于介质层上表面的栅极传输线部分与漏极传输线部分，如图6所示；然后在全频段内（10 110GHz）对晶体管进行二端~口三维电磁仿真，计算其S参数、Y参数、Z参数，其中，第一端口设置为栅极传输线边缘与背金边缘，第二端口设置为漏极传输线边缘与背金边缘；

[0083] 上述模型对应第一个寄生元件子模型，对第一个寄生元件子模型进行电路分析，可得到栅极外部寄生电阻Rg1与栅极中部寄生电阻Rg2的总电阻RTg、栅极外部寄生电容Cg、漏极外部寄生电阻Rd1与漏极中部寄生电阻Rd2的总电阻RTd、漏极外部寄生电容Cd由以下方程计算：

[0084]

[0085]

[0086]

[0087]

[0088] 其中，Z11、Z22依次表示Z参数中对应项，f表示频率，fmax表示最高频率（110GHz），Im()函数表示对结果取实部，Re()函数表示对结果取虚部；

[0089] 步骤2、在三维电磁仿真软件中，对晶体管部分结构进行建模，包括：衬底部分，位于衬底下表面的背金部分，位于衬底上表面的介质层部分，位于介质层上表面的单个源极部分及源极接地孔，如图7所示；然后在全频段内对晶体管进行单端口三维电磁仿真，计算其S参数、Y参数、Z参数，端口设置为源极边缘与背金边缘；

[0090] 上述模型对应第二个寄生元件子模型，对第二个寄生元件子模型进行电路分析，可得到源极寄生电感Ls、源极趋肤效应阻抗Zrf由以下方程计算：

[0091]

[0092]

[0093]

[0094] 其中，Z11表示Z参数中对应项，f表示频率，fmax表示最高频率；

[0095] 步骤3、在三维电磁仿真软件中，对晶体管部分结构进行建模，包括：衬底部分，位于衬底下表面的背金部分，位于衬底上表面的介质层部分，位于介质层上表面的栅极传输线部分、漏极传输线部分、两个源极部分及源极接地孔，如图8所示；然后在全频段内对晶体管进行二端口三维电磁仿真，计算其S参数、Y参数、Z参数，其中，第一端口设置为栅极传输线边缘与背金边缘，第二端口设置为漏极传输线边缘与背金边缘；

[0096] 上述模型对应第三个寄生元件子模型，对第三个寄生元件子模型进行电路分析，可得到栅极中部寄生电容Cgs_in、漏极中部寄生电容Cds_in由以下方程计算：

[0097]

[0098]

[0099] 其中，Y11、Y22依次表示Y参数中对应项，f表示频率，fmin表示最低频率；具体的，本实施例在10GHz的频率下计算上述电容值，有以下两个原因：1、在极低频下（靠近直流），三维仿真软件对电感的仿真存在一定的误差，2、在很高的频率下，源极寄生电感Ls的影响较大；因此，一般选择三维电磁场仿真误差较小的低端频率（10GHz）下提取电容值；

[0100] 步骤4、在三维电磁仿真软件中，对晶体管完整结构进行建模，包括：衬底部分，位于衬底下表面的背金部分，位于衬底上表面的介质层部分，位于介质层上表面的栅极传输线部分、栅指部分、漏极传输线部分、漏极金属条部分、两个源极部分及源极接地孔，如图9所示；然后全频段内对晶体管进行二端口三维电磁仿真，计算其S参数、Y参数、Z参数，其中，第一端口设置为栅指边缘与背金边缘，第二端口设置为漏极传输线边缘与背金边缘；

[0101] 上述模型对应第四个寄生元件子模型，对第四个寄生元件子模型进行电路分析，可得到栅漏寄生电容Cgd_finger、漏极内部寄生电容Cds_finger、栅极内部寄生电容Cgs_finger由以下方程计算：

[0102]

[0103]

[0104]

[0105] 其中，Y11、Y22、Y12依次表示Y参数中对应项，f表示频率，fmin表示最低频率；具体的，本实施例在10GHz的频率下计算上述电容值；

[0106] 步骤5、根据步骤1至步骤4所述所有方程求解得到栅极外部寄生电容Cg、栅极中部寄生电容Cgs_in、栅极内部寄生电容Cgs_finger、漏极外部寄生电容Cd、漏极中部寄生电容Cds_in、漏极内部寄生电容Cds_finger、栅漏寄生电容Cgd_finger、源极寄生电感Ls、源极趋肤效应阻抗Zrf，以及栅极外部寄生电阻Rg1与栅极中部寄生电阻Rg2的总电阻RTg、漏极外部寄生电阻Rd1与漏极中部寄生电阻Rd2的总电阻RTd；因此，本发明设置：Rg1=λRTg、Rg2=(1‑λ)RTg，Rd1=φRTd、Rd2=(1‑φ)RTd，λ与φ均的取值范围为0~1的分配比例，λ与φ的初始值为0.5；同时，针对栅极内部寄生电阻Rg_finger、栅极寄生电感Lg_finger、漏极内部寄生电阻Rd_finger、漏极寄生电感Ld_finger，均设置初始值为0；按照寄生代价函数对所有寄生参数进行优化，得到最终寄生参数值；

[0107] 所述寄生代价函数为：

[0108]

[0109] 其中，Ji,j与Ki,j均为预设权重，Ji,j=0.125、Ki,j=0.125；Sa(i,j)表示寄生元件的电路仿真结果（S参数），Sb(i,j)表示三维电磁仿真结果（冷管状态：偏置于Vgs=‑0.3V、Vds=0V）；该代价函数中，前项表示幅度误差，后项表示相位误差，基于代价函数的参数优化过程为本领域公知常识，此处不再赘述；

[0110] 对于本实施例中的35nm的InP HEMT晶体管而言，最终提取得到的寄生参数典型值如表1所示：

[0111] 表1

[0112]

[0113] 基于上述寄生参数，寄生元件的电路仿真结果与三维电磁仿真结果的对比如图10~图13所示，依次为S11、S12、S21、S22参数；由图可见，本实施例中寄生元件能够较好地模拟晶体管几何图形三维电磁仿真S参数；

[0114] 步骤6、在全频段内测量晶体管在全偏置下的S参数，并由S参数计算得到对应的Y参数与Z参数；需要说明的是：输入、输出、接地参考面分别为G、D、S点，由于包含2个测试端口，Y参数与Z参数分别包含参数Y11、Y12、Y21、Y22与参数Z11、Z12、Z21、Z22，每个参数的具体含义为本领域公知常识，此处不再赘述，S参数与Y参数、Z参数的计算过程也无需赘述；

[0115] 步骤7、基于步骤1至步骤5已经提取的寄生元件的寄生参数，对晶体管全频段测试Y参数进行去嵌，得到本征Y参数Yint；去嵌以后输入、输出、接地参考面分别变为G2、D2、S1，仅包含本征元件：栅源本征电容Cgs、栅源本征电阻Ri、栅漏本征电容Cgd、栅漏本征电阻Rgd、漏源本征电容Cds、漏源本征电阻Rds、电压控制电流源VCCS，本征参数满足以下方程：

[0116]

[0117] 其中，gm表示电压控制电流源VCCS的跨导，ω表示角频率，τ表示电压控制电流源VCCS的延时；

[0118] 步骤8、在实际提取过程中，对于不同偏置条件的测试S参数，需要保持寄生参数不变的情况下，按照本征代价函数对所有本征参数进行优化，得到最终本征参数值；所述本征代价函数为：

[0119]

[0120] 其中，Ji,j与Ki,j也为预设权重，Ji,j=0.125、Ki,j=0.125；Sc(i,j)表示小信号模型的电路仿真结果（S参数），Sd(i,j)表示测试结果（S参数）。

[0121] 晶体管通常有冷管、放大两种状态，下面分别选取典型的冷管（Vgs=‑0.3V、Vds=0V）、正常放大状态（Vgs=0.1V、Vds=0.4V）偏置点进行验证；

[0122] （1）冷管（Vgs=‑0.3V、Vds=0V）偏置点验证；

[0123] 对于本实施例中35nm的InP HEMT晶体管，测量的频率范围为10 66GHz和75~ ~110GHz，在冷管（Vgs=‑0.3V、Vds=0V）条件下，最终提取得到的本征参数典型值如表2所示：

[0124] 表2

[0125]

[0126] 基于表1中的寄生参数和表2中本征参数，小信号模型的电路仿真结果与测试结果的对比如图14~图17所示，依次为S11、S12、S21、S22参数；由图可见，本发明小信号模型在66GHz以下获得了较高精度，即便在75GHz以上误差有一定增加，仍然趋势吻合；需要说明的是，由于现有测试系统无法直接覆盖10 110GHz，故采用10 66GHz与75 110GHz两套系统进行测~ ~ ~试，相比于10 66GHz系统，75 110GHz系统的测试误差相对较大是系统自身引入的；由此可~ ~
见，本发明小信号模型获得了较高的精度，能够在冷管状态下较好地模拟器件性能；

[0127] （2）放大状态（Vgs=0.1V、Vds=0.4V）偏置点验证；

[0128] 对于本实施例中35nm的InP HEMT晶体管，测量的频率范围为10 66GHz和75~ ~110GHz，在常用的放大器状态（Vgs=0.1V、Vds=0.4V）条件下，最终提取得到的本征参数典型值如表3所示：

[0129] 表3

[0130]

[0131] 基于表1的寄生参数和表3中本征参数，小信号模型的电路仿真结果与测试结果的对比如图18~图21所示，依次为S11、S12、S21、S22参数；由图可见，本发明小信号模型同样获得了较高的精度，能够在放大器状态下较好地模拟器件性能；

[0132] 综上所述，本发明提出了一种InP基太赫兹HMET晶体管小信号模型，有效节省了建模时间，显著提高了小信号模型的模拟精度。

[0133] 以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。