摘要
宽禁带半导体器件因其宽禁带带隙、高电子迁移率以及可工作在高频等特点在近年来备受关注，其应用场合涉及广泛，包括物联网、通信基站、日常电子设备、新能源汽车以及军用相控雷达阵等。在微波电路的仿真开发过程中，通常需要精确的器件电路模型来模拟预测所设计电路的频谱、增益、效率、线性度、饱和功率等工作特性，以便为后续的功放设计提供指导意见。特别是GaN基类的宽禁带半导体HEMT器件，由于其卓越的材料特性，经常工作于大功率、宽频带、阻抗失配、强增益压缩的场合，因此需要建立准确高效的大信号模型来表征器件的非线性特征。但是在实际生产过程中，芯片工艺的误差、制造批次的不同等随机不确定性，会造成器件电气参数产生一定程度的波动，使得仿真软件的理想设计值与实际电路的输出结果出现较大的偏差。因此需要研究建立宽禁带半导体器件大信号电路模型，并在其基础上研究建立包含器件特征的电路统计模型，建立模型参数与统计分析的联系，用于更好地设计电路。 本文针对宽禁带半导体器件，以Cree公司生产的型号为CGH40010F的GaNHEMT功率芯片为研究对象，建立并提取了紧凑型等效电路模型。其中包含小信号状态和大信号状态下的等效电路模型，并在此基础上测量30只不同批次管件芯片的S参数和I-V数据来建立等效电路统计分析模型。主要研究内容概括如下: 1.小信号等效电路模型的建立 在研究大信号模型前，需要在小信号模型的基础上将随偏压变化的等效电路模型参数采用一定的数学关系式来表征器件的大信号特征。因此，本文先研究并建立了小信号等效电路模型。通过测试实际管件在特定偏置电流和频率下的S参数，并利用改变栅/漏偏置电压的方式来获得器件小信号等效电路下的寄生参数，测量器件在正常工作条件下的S参数来提取等效电路模型中的本征参数，然后在ADS中构建小信号等效电路模型，并对比了管件的实测S参数数据以进行模型准确度验证。验证结果显示该模型能够很好地反映器件在一定偏压下的小信号行为。 2.大信号等效电路模型的建立 在小信号模型的基础上，将部分本征参数用与偏置电压相关的数学公式进行表达。通过安捷伦B1505A半导体参数分析仪实测管件的直流输出I-V数据，并提取固定栅源电压(Vgs)下的等效电路模型的本征栅源电容(Cgs)和栅漏电容（Cgd）数值。在Angelov经验基大信号等效电路模型的基础上，改进大信号I-V模型与C-V模型公式，使其与实测数据的拟合度更好，然后在Matlab仿真软件中完成大信号等效电路模型建模。最后在ADS中以SDD模块整合大信号I-V模型和C-V模型，并将SDD模块打包成一个Symbol模型，通过对比直流扫描仿真、S参数仿真与管件的实测值进行准确度验证。直流扫描仿真结果显示所建立的大信号模型能够准确预测器件的直流输出电流，S参数仿真结果显示所建立的大信号模型能够准确预测器件的增益。 3.GaNHEMT器件的等效电路统计模型的建立 以等效电路模型为基础，实际测量30只不同批次管件的S参数及I-V数据，以因子分析和主成分分析统计方法为主，对等效电路的小信号模型和大信号模型进行统计分析，并分别验证了两种信号状态下模型的准确性。其中小信号统计模型的S参数预测值与实测数据相比，相对误差小于10％，大信号统计I-V模型和C-V模型的相对误差在3％以下。最后借助ADS中的SDD模块整合了两种状态的统计模型，并通过直流扫描和负载牵引仿真来验证基于等效电路的统计模型的准确性。等效电路统计模型的直流扫描仿真结果与管件实测I-V曲线拟合度极高，其负载牵引仿真也能很好地预测最大输出功率及负载阻抗，以上结果体现出所建立的统计模型能够准确反映器件的微波特性。 综上，本文基于器件等效电路，在实测数据的基础上先后搭建了小信号、大信号状态下的器件等效电路模型，并在此基础上构建基于因子分析与主成分分析的小信号与大信号等效电路统计模型，且对其进行了模型验证。
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