基于67-110GHz毫米波测试的HBT器件建模和低功耗电路设计

III-V compound heterojunction bipolar transistors (GaAs HBTs and InP HBTs) largely retain the advantages of their Si predecessors, but extend them to higher frequencies. In this project, the fabrication, characterization and reliability methods for advanced III-V compound semiconductors will be investigated. The main research contents are the process fabrication techniques, microwave and RF measurement techniques, physical-based characterization and unique model parameter extraction methods based on 67-110GHz measurements. The targets are the small signal, large signal, noise and failure mechanism modeling and measurement for GaAs/InP HBTs. The model is versatile in that it permits dc, small signal, noise and large signal to be performed. Based on conventional equivalent circuit modeling, physical modeling technique and accurate microwave measurement technique, a direct extraction method to determine the extrinsic and intrinsic model parameters, also noise model parameters for HBT by using a set of closed-form expressions will be proposed. The other fundamental research will be focused on the low-power consumption low noise and power amplifiers design based on the accurate noise and nonlinear HBT models.

项目拟针对解决微波毫米波射频异质结双极晶体管（ HBT）器件建模技术中线性模型、非线性模型和噪声模型相对独立而不能统一表征器件特性的问题，提出将传统等效电路建模技术、物理器件建模技术和微波射频测量技术相结合的建模技术，该项目研究属于微电子和微波射频技术的交叉研究领域，在保留单独电路建模技术和物理器件建模技术优势的基础上，建立具有反映器件物理模型、仿真速度快、精度高的能够全面反映器件小信号、大信号和噪声特性的HBT等效电路模型。在研究67-110GHz射频特性测试技术的基础上，提供自主知识产权可以直接控制测试仪器的参数提取软件。结合和利用HBT毫米波元器件模型的研究与开发成果，研究面向5G无线通信频段低功耗低噪声放大器集成单元电路的设计技术。

针对基于67-110GHz毫米波测试的微波射频HBT器件建模技术及低噪放电路设计开展研究。本课题主要开展以下几方面研究工作：.1）提出了一种考虑HBT器件基极和集电极馈线分布效应的PAD电容提取方法。推导了寄生电容与器件发射极面积的表达式，利用相同焊盘结构不同尺寸的HBT器件直接提取寄生电容，并通过0.1-40 GHz频段范围内GaAs HBT器件进行验证。.2）提出了一种基于T-PI网络转换的寄生电阻直接提取方法，简化了等效电路模型网络参数计算过程，推导了寄生电阻的表达式，并通过2-110 GHz频段范围内InP HBT器件进行验证。实验结果表明，HBT器件模拟结果和测试结果吻合很好，与传统方法相比所提出寄生电容提取方法可以有效的节约芯片面积和测试时间，所提出寄生电阻提取方法可以很好地分离本征和寄生基极电阻同时不受温度变化影响。.3）提出了一种用于确定HBT器件小信号模型本征元件的参数提取方法。该方法结合了T型和型等效电路模型的优点，本征元件通过S参数数据分析直接提取得到；实验结果表明，在0.1-110 GHz的频率范围内，InP HBT器件测试结果和模拟结果吻合很好。.4）推导了HBT器件特征频率和最大振荡频率的表达式，并利用InP和GaAsHBT器件验证了上述参数提取公式的准确性。实验表明，所推导的表达式预测的器件特征频率与最大振荡频率与测试数据吻合很好。.5）提出了一种考虑DC/AC色散效应的InP HBT器件非线性模型，解决了在DC激励与RF激励下共发射极电流增益不一致的问题。实验结果表明，InP HBT器件I-V曲线的模拟值与实验值吻合很好，验证了色散模型的正确性；在 0.05-110 GHz频率范围内，与传统模型相比，考虑色散效应的模型S参数测试结果和模拟结果吻合更好，模型精度在6%以内。.6）提出了一种基于HBT器件发射极面积的按比例缩放小信号和噪声等效电路模型，推导了小信号和噪声模型参数的缩放规则，并通过在2-20 GHz频段范围内InP HBT器件进行验证。.7）通过分析本征噪声源对于噪声参数的影响，提出了含有独立噪声源的噪声等效电路模型。改进的模型基级噪声源和集电极噪声源相互独立且互不相关，解决了传统模型中由于噪声源互不独立而难以嵌入模拟软件中的问题，并利用InP和GaAs HBT器件进行验证。实验结果表明，模拟结果和测试结果吻合很好，可缩放模