SiGe HBT小信号建模技术研究

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随着4G移动通信以及物联网等技术的飞速发展,人们对高性能器件以及电路的需求也在不断增长,在人们对新材料的不断探索以及对新器件的不断研发中,采用SiGe工艺的异质结双极型晶体管(HBT)器件以其高集成度、低成本、以及与传统CMOS工艺相兼容等众多优势,显著优于传统双极型晶体管(BJT)和Ⅲ-V族器件,在单片微波集成电路(MMIC)、卫星通讯、手机终端、雷达系统以及第四代移动通信等方面展现了广阔的应用前景。因此SiGe HBT器件相关技术的研究已成为人们关注的热点,而器件模型在电路设计以及器件设计中都具有着重要的意义,因此器件的建模技术亦成为电路和器件发展的研究热点之一。本文重点在于探究一种基于TCAD器件仿真和电路仿真软件对HBT器件小信号模型进行快速建模的方法,主要研究内容如下:首先对SiGe材料的基本特性和生长技术做了简单介绍,随后详细阐释了HBT的基本工作原理并对当前主流的HBT大小信号模型进行了拓扑分析和特性对比,选择了常用的π型小信号模型进行建模。并从小信号π型等效电路入手,解释了各个参数意义并给出了相应计算公式。接下来利用TCAD中的模板SiGe器件,根据其器件结构尺寸以及掺杂浓度等参数信息对π型小信号等效电路参数展开计算,由此确定模型参数优化初值,并给定参数优化区间。将所得参数初值带入小信号π型等效电路,利用电路仿真软件进行S参数仿真,并在设定的参数优化范围内,对模型仿真S参数曲线以及Tcad测量S参数曲线进行优化迭代拟合,在此过程中,不断根据曲线拟合状况对相应的参数优化区间进行修正。在完成对本征电路模型的参数提取后,在等效电路中加入非本征电路参数,并进行仿真优化以考察器件寄生参数对模型精度的影响。基于上述的小信号建模过程,通过分析建模结果可知,根据TCAD器件参数所计算的本征小信号π模型初始参数值可以较好的确定模型参数的优化范围。所建模型在优化后,S参数仿真的结果与TCAD虚拟实验的测量S参数曲线可以很好的拟合,在考虑非本征电路参数以后,重复上述步骤,其曲线拟合程度变化不大。本征小信号模型的拓扑以及软件优化建模方法的准确性得到了验证。综上,该建模方法将底层器件的工艺和物理参数与上层器件的S参数等电路性能相关联,可以快速建立器件的小信号等效电路模型,并为器件的设计以及应用电路的设计提供有益的指导。
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