GaAs+FET微波控制电路管芯建模的研究与应用.pdf

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1、摘要G a A sF E T 微波控制电路管芯建模的研究与应用 摘要 微波控制电路在现代电子系统中有着广泛的应用，比如相控阵雷达、电子对抗和智 能天线系统等。微波单片集成电路技术( M M I C ) 是实现微波控制电路的关键技术，其中 G a A s 场效应晶体管( F E T ) 管芯在电路设计中作为控制器件，是进行M M I C 控制电路设计 的基础。本论文就M M I C 微波控制电路G a A sF E T 管芯建模进行探索和研究。 本文先给出了单指栅宽固定的G a A sF E T 控制管芯模型以及它的改进模型。圆片工 艺线设计套件提供的原始模型，只适用6 G H z 以下频率的设

2、计要求，而改进后的模型可 适用于超宽带微波控制电路设计。改进后模型的工作频率范围为0 1 G H z - - - 2 6 1 G H z 。从 改进模型仿真得到的传输、反射特性与测试所得S 参数特性对比可见，改进模型有很高 的建模精度。 本文重中之重在于通用微波控制电路模型的研究，其中给出了完整的比例缩放关 系。通用模型中所有电阻、电容和电感元件均有各自的比例缩放关系。并且给出的比例 缩放关系均考虑了单指栅宽和栅指数的影响。本文除了验证通用模型的建模精度，对于 比例缩放关系也给出了初步的验证。另外，该通用模型对单指栅宽没有指定要求，使得 M M I C 电路设计师有很大的设计灵活性。总体而言，

3、本文给出的通用G a A sF E T 控制电 路模型给M M I C 控制电路设计提供了很好的解决方案。 最后，本文给出了一个2 1 9 G H z 六位M M I C 数字微波衰减器和一个6 1 8 G H z 五位 M M I C 数字移相器的设计和测试结果，以便验证建模的有效性和可信度。结果表明，本 文研究的建模方法和结果能够满足M M I C 微波控制电路设计的要求。本文所研究的微波 控制电路G a A s 场效应晶体管( F E T ) 管芯开关模型方法和结果对类似器件建模具有普遍 的参考价值和意义。 关键词：管芯建模、微波控制电路、微波单片集成电路 G a A sF E T 微波

4、控制电路管芯建模的研究与应用 A b s t r a c t M i c r o w a v ec o n t r o lc i r c u i t sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nm o d e me l e c t r o n i cs y s t e m s ，s u c ha s p h a s e d - a r r a yr a d a r , e l e c t r o n i cc o u n t e r m e a s u r ea n ds m a r ta n t e n n as y s t e m ，e t c M i c r

5、o w a v e M o n o l i t h i cI n t e g r a t e dC i r c u i t ( M M I C ) t e c h n o l o g yi st h ek e ym e t h o dt or e a l i z et h ec o n t r o l c i r c u i t s ，w h e r eG a A sF E Tp l a y st h ef u n d a m e n t a lr o l ei nt h ec i r c u i td e s i g n 啦st h e s i s r e s e a r c h e so

6、nt h em o d e l i n go fG a A sF E Tw h i c hw i l lb eu s e di nt h ed e s i g no fm i c r o w a v e c o n t r o lc i r c u i t s T h em o d e lf o rG a A sF E Tw i t hf i x e dg a t ew i d t hi sd e m o n s t r a t e da n di m p r o v e d T h e o r i g i n a lm o d e lf r o mt h ed e s i g nk i tf

7、 i t st h ec o n t r o lc i r c u i td e s i g nb e l o w6 G H z , w h i l et h e i m p r o v e dm o d e li ss u i t a b l e f o rt h eu l t r a - w i d e b a n dm i c r o w a v ec o n t r o lc i r c u i td e s i g n n e 丘e q u e n c yr a n g ef o rt h ei m p r o v e dm o d e li sO 1G H z 2 6 1G H z

8、 B a s eo nt h ec o m p a r i s o no ft h e t r a n s m i s s i o na n dr e f l e c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf r o mt h ei m p r o v e dm o d e la n dt h em e a s u r e dS p a r a m e t e r , w ef i n dt h a tt h ei m p r o v e dm o d e lh o l d sah i g ha c c u r a c yf o rt h ec o n t r

9、 o lc i r c u i t d e s i g n 1 r I 圮h i g h l i g h to ft h i st h e s i sl a y so nt h er e s e a r c ho ft h eg e n e r a lm i c r o w a v ec o n t r o lc i r c u i t m o d e l ，w h e r eac o m p l e t es c a l i n gr e l a t i o n s h i ph a sb e e ng i v e n A l lt h er e s i s t o r s ，c a p a

10、 c i t o r sa n d i n d u c t o r si nt h eg e n e r a lm o d e lh a v et h e i ro w n s c a l i n gr e l a t i o n s h i p B o t ho ft h es i n g l eg a t e w i d t ha n dt h en u m b e ro fg a t ef i n g e r sa r ei n c o r p o r a t e di nt h es c a l i n gr e l a t i o n s h i p A n db e s i d e

11、 s t h ev a l i d a t i o no ft h ea c c u r a c yf o rt h eg e n e r a lc o n t r o lc i r c u i tm o d e l ，t h es c a l i n gr e l a t i o n s h i pi s a l s op r e l i m i n a r i l yv a l i d a t e d I na n o t h e rw a y ，t h es i n g l eg a t ew i d t hf o rt h eg e n e r a lm o d e l d o c s

12、 n tn e e dt ob ef i x e d S o ，t h ef l e x i b i l i t yf o r t h eM M I C d e s i g n e r si sr e a l l yh i g hi ft h e yt r yt o u s et h eg e n e r a lm o d e li nt h et h e s i s A n y w a y ，t h eg e n e r a lG a A sF E Tc o n t r o lc i r c u i tm o d e l d i s c u s s e di nt h et h e s i

13、sp r o v i d e sag o o do p t i o nf o r t h eM M I Cc o n t r o lc i r c u i td e s i g n F i n a l l y , t h ed e s i g na n dm e a s u r e dr e s u l t sf o ras i x - b i t2 18 G H zd i g i t a lm i c r o w a v e a t t e n u a t o ra n daf i v e - b i t6 18 G I - I zd i g i t a lp h a s es h i f

14、t e ra r eg i v e n S o ，t h ev a l i d i t ya n d r e l i a b i l i t yf o rt h em o d e la r ev e r i f i e d I ts h o w st h a tt h ed e m o n s t r a t e dr e s e a r c hm e t h o da n d r e s u l tc o u l ds a t i s f yt h er e q u i r e m e n t sf o rm i c r o w a v ec o n t r o lc i r c u i t

15、d e s i g n A n dt h er e s e a r c h e d m i c r o w a v ec o n t r o lc i r c u i tm o d e lf o rG a A sF E Tc o u l db e g e n e r a l l yr e f e r e n c e df o ro t h e r t r a n s i s t o rm o d e l i n gr e s e a r c h e s K e yw o r d s ：T r a n s i s t o rm o d e l i n g ，m i c r o w a v ec

16、o n t r o lc i r c u i t , M M I C 目录硕士论文 目录 摘要I A b s t r a c t I I 1 绪论1 1 1 本课题研究背景及意义。l 1 2 微波控制电路简介2 1 3 G a A $ F E T 管芯的简介2 1 ：；1 M E S F E T 2 1 3 2 H E M T p H E M T ：I 1 4 G a A s 场效应晶体管建模简介。4 1 4 1 物理分析模型。5 1 4 2 工程应用模型5 1 5 本论文主要工作。6 2 G a A sF E T 控制管芯经典模型及参数提取7 2 1 Y a l c i n A y a s

17、l i 控制管芯模型及其改进8 2 1 1 O N 态电路元件参数的确定9 2 1 2 O F F 态电路元件参数的确定1 1 2 1 3 F E T 管芯栅宽的比例缩放原理1 2 2 1 4 Y a l c i nA y a s l i 控制管芯模型的改进。1 3 2 2 F E T 控制管芯等效电路模型的一些基本参数1 4 2 2 1 两态阻抗比，o 1 4 2 2 2 截止频率疋。15 2 2 3 本征开关时间1 5 2 2 4 功率容量。1 6 2 3 管芯微波散射参数的测量18 2 4 管芯控制电路模型的参数提取方法1 9 2 4 1 串联式F E T 管芯的参数提取1 9 2 4

18、2 并联式F E T 管芯的参数提取2 l 2 5 本章小结2 2 单指栅宽固定的控制电路模型的研究2 3 3 1 管芯原始S 参数的获取2 3 3 2 初始模型的建立2 5 3 3 初始模型的建模效果2 9 I 目录硕士论文 3 4 初始模型的改进3 3 3 4 1 模型变量的引入3 3 3 4 2 模型变量的提取思路3 4 3 4 3 模型变量的提取结果及建模效果3 6 3 4 4 初始模型比例缩放效应的初步验证4 0 3 5 本章小结4 3 4 通用微波控制电路模型的研究4 4 4 1 通用微波控制电路模型的引入4 4 4 2 通用控制模型各元件的比例缩放关系4 5 4 3 通用控制模型

19、参数提取所用的S 参数4 7 4 4 4 x 1 2 5 u m 管芯比例缩放系数的提取4 8 4 4 1 4 x 1 2 5 u m 管芯导通态建模效果。4 9 4 4 2 4 x1 2 5 u r n 管芯截止态建模效果5 2 4 4 3 通用控制模型比例缩放效应的初步验证。5 4 4 5 本章小结5 8 5 电路模型的验证6 0 5 1 衰减器的设计6 0 5 2 移相器的设计。6 3 5 3 本章小结6 6 总结与展望6 7 致谢6 8 参考文献6 9 附录7 2 I V 信、全球定位系统、自动防撞雷达、相控阵雷达等。硅集成电路在这之中起到了奠基性 的作用，而砷化镓( G a A s

20、) 及其相关的化合物半导体是除硅以外最重要的半导体材料。特 别的，对于微波单片集成电路( M M I C ) 技术，它为各式各样的微波和毫米波通信、雷达 系统提供了核心元器件，对各种无线技术的发展和应用起到了关键性的作用，因此，得 到了学术界和工业界的特别关注。微波单片集成电路指的是一种把有源与无源元器件制 作于同一块半导体基片上的电路，其工作频率一般在1 G H z - - - “ 1 0 0 G H z 之间，广泛应用于 各种微波系统中【1 】。在M M I C 技术的发展历史中，G a A s 是使用最为广泛的衬底材料， 一“ 这在于它优异的高频和低损耗特性。在M M I C 电路中，作

21、为基础组成部分的晶体管和无 源器件，它们的微波特性对于设计者至关重要，尤其是有源部分的微波晶体管，如何获 取它的微波特性一直是M M I C 电路设计的核心内容之一。鉴于此，本次课题研究的核心 也就立足于G a A s 基场效应晶体管的建模。 总的来说，M M I C 设计最基本的任务是完成计算机电路辅助设计和优化，而计算机 电路辅助设计和优化的基础是建立精确的能反映器件物理特性的等效电路模型。研究发 现：有源器件的模型精度对电路性能的影响十分明显，而器件模型的精确度取决于测量 的准确性、模型计算公式和参数提取方法的合理性 2 】，由此可见，G a A sF E T 管芯建模 在微波电路设计领

22、域是一个非常大的研究课题，这项工作在M M I C 电路设计中，起着基 础性作用。任何微波单片集成电路的研制，必须解决好相应的管芯模型的问题，否则， M M I C 的设计犹如搭建空中楼阁，没有任何现实意义。另外，器件模型在电路设计和工 艺之间发挥了中间纽带作用，主要体现为：1 、M M I C 电路的设计需要利用管芯等效电 路模型才能仿真出需要的电路性能，这也是所有商用微波电路软件能够完成电路性能仿 真的基础；2 、电路设计师可以依据功能电路指标对管芯等效电路模型和加工工艺提出 要求：3 、在M M I C 电路的制作过程中，不仅会根据等效电路模型中相关元件的参数值， 来控制工艺的重复性，而

23、且也会根据所提取的等效电路参数，来优化器件加工工艺，以 进一步提高电路芯片的性能。今后，随着半导体器件尺寸向亚微米、深亚微米方向发展， M M I C 电路将日趋复杂。传统的以经验为主的设计方法已不能满足现代微波器件的发展 要求，因此如何获得精确的器件模型将显得非常重要。这对于提高电路设计的准确性， l 绪论硕士论文 减少工艺反复，降低产品成本，缩短工艺周期十分有利【3 】。 对于F E T 管芯，模型大致分为小信号等效电路模型、大信号等效电路模型、噪声等 效电路模型和控制电路等效模型等，本课题着重于研究微波控制电路等效模型。随着 G a A s 单片集成控制电路在通信、雷达、电子干扰等领域发

24、挥着越来越重要的作用，M l v t l C 控制器件已成为各国研究人员普遍关注的研究对象。电子系统对于此类器件的带宽、驻 波、一致性等指标要求越来越高，由此，对于M l V I I C 控制电路的管芯模型也提出了更高 的要求，为了实现宽带以至于超宽带高性能微波控制电路，必须解决宽带控制电路等效 模型的问题。 1 2 微波控制电路简介 微波控制电路种类比较多，包括开关、衰减器、移相器、限幅器等，其中开关用于 控制微波信号传输路径的通断和转换，衰减器、限幅器用来控制微波信号幅度大小，移 相器用来控制微波信号相位大d x 4 5 】。微波控制电路的设计常用的控制管芯主要有两 类：P 玳二极管和G

25、a A sF E T 三极管，其中G a A sF E T 管芯包括M E S F E T 、H E M T 和 p H E M T 。P I N 二极管开路短路性能好，损耗小，响应时间短，功率容量大，因此在微波 高频段和高功率电路中经常使用【6 】。基于相控阵雷达、机载弹载电子装备、卫星通讯 等实际应用场合的要求，必须设法减小整机体积和重量，提高器件性能，展宽器件工作 频带，保证系统可靠性。随着微波单片集成电路技术的发展，利用G a A s 场效应晶体管 设计微波控制电路已十分普遍。 1 3 G a A sF E T 管芯的简介 微波场效应晶体管可以良好的工作在毫米波频段，有较高的增益和较低

26、的噪声系 数，用于较高频率下的混合集成和单片集成电路中。常用的微波场效应晶体管包括金属 一半导体场效应晶体管( I V I E S F E T ) 和( 赝配) 高电子迁移率晶体管( H E M T p H E M T ) ，下面依 次简要介绍。 1 3 1 M E S F E T 因G a A s 材料的微波特性优越，G a A sM E S F E T 是微波电路中应用最为普遍的有源 器件。G a A sM E S F E T 以高电阻率的半绝缘C _ I R A $ 材料作为衬底，在衬底上生长一层厚 度极薄的N 型外延层，称为有源沟道。在沟道上方制作源极( S ) 、栅极( G ) 和漏

27、极( D ) ，源 极和漏极的金属与N 型半导体之间形成欧姆接触，而栅极的金属与N 型半导体之间形 成肖特基结，其结构如图1 1 所示。图中三为栅长，垂直纸面方向为栅宽I V , a 为N 沟 2 硕士论文 C m A sF E T 微波控制电路管芯建模的研究与应用 道厚度( 外延层厚度) 。 图1 1G a A sM E S F E T 结构示意图 M E S F E T 的工作特性对沟道厚度十分敏感，它的工作原理与普通场效应管相同，是 电压控制型器件。当器件设计成栅极耗尽区对电流流通实现最佳控制时，可获得最优性 能，此时常有a L 3 。肖特基结是一种由金属半导体接触形成的、具有整流特性的

28、结， 其电学特性与P N 结极为相似，但在抗过载能力、抗静电击穿方面却比P N 结差。 1 3 2 H E M T p H E M T H E M T 由肖特基结砷化镓场效应晶体管发展而来，属于异质结M E S F E T ，其物理结 构和能带图分别如图1 2 左部分和图1 3 所示，在半绝缘C r a A s 衬底上生长G a A s A 1 C m A s 异质结，以宽禁带的A 1 G a A s 层作为势垒层，掺杂浓度通常约为1 0 埔硎弓，再生成一层 几百埃的矿层以利于形成欧姆接触，经过器件隔离、形成源漏区合金、制备栅电极等 多道工序后制作出H E M T 器件，从图1 2 左部分可以

29、看到在异质结靠近G a A s 一侧会形 成一个三角势阱，栅金属与势垒层形成的肖特基接触势垒会耗尽势垒层中的载流子，使 得载流子集中在三角势阱中，形成二维电子气( 2 D E G ) 。当栅极加正偏置电压时，二维电 子气密度增大；当栅极加负偏置电压时，二维电子气密度减小。从而可以利用栅极电压 控制沟道中载流子的密度。 另外一种常见的结构是赝配高电子迁移率晶体管( p H E M T ) ，物理结构和相应能带图 如图1 2 右部分和图1 4 所示，在这个结构中增加一个I n G a A s 薄层，介于不掺杂G a A s 和不掺杂A I C m A s 势垒层之间，因而在I n G a A s

30、和A 1 G a A s 之间形成的二维电子气中电子 具有更高迁移速率，而且可被外界栅电压所调制，因此p H E M T 微波特性更优于H E M T 。 3 1 绪论硕士论文 图1 2 H E M T 器件物理结构( 左) 和p H E M T 器件物理结构( 右) 图1 3H E M T 能带图 图1 4 p H E M T 能带图 1 4 G a A s 场效应晶体管建模简介 导带能缀 费米能缀 上述简要介绍了G a A s 场效应晶体管的物理结构和工作原理。G a A sF E T 管芯建模 即是根据器件的物理结构、工作机理和不同的工作状态，采用相应的电磁场分析方法或 参数测试提取分析

31、方法建立其数学表达式。器件模型可以分为物理分析模型和工程应用 4 硕士论文C r a A sF E T 微波控制电路管芯建模的研究与应用 模型。 1 4 1 物理分析模型 物理建模是指利用器件几何尺寸、材料参数等特性，使用H F S S 、M a x w e l l 、I E 3 D 等软件，采用时域有限差分法( F D T D ) 、矩量法( M o M ) 、有限元法( F E M ) 等电磁场分析方 法，对其进行二维或三维的电磁模拟，最终获得能够准确描述该器件的S 参数、等效电 路参数等用于全面理解该器件的重要数据。除此以外，对有源器件如M E S F E T 、H E M T 、 瑚玎

32、等，也可以采用模拟器件数值模拟分析方法对其进行分析。以便准确获得对器件电 场、电势、载流子浓度分布、I v 曲线、正向导通、反向击穿等特性的描述。物理模型 适合于分析没有成熟模型定义的新结构器件，只需知道其物理结构便可模拟器件特性， 另外在器件制作完成后，可与参数提取的模型进行对比验证。 1 4 2 工程应用模型 工程建模即针对实际工艺制作的各种器件，采取相关的参数提取技术，利用参数拟 合和优化的方法得到研制单片集成电路所需的模型，它能很好的表征实际器件的直流和 射频微波特性，并可直接嵌入微波E D A 软件做分析设计。工程应用模型相比于物理分 析模型的优点是十分明显的。例如，在不完全掌握器件

33、具体物理结构的情况下，可以使 用相关仪器对器件进行参数测试，然后将所得的大量测试数据进行整理以便将其建成相 关参数的数据库。如果需要进一步研究，还可以在分析之后建立器件的等效模型，并利 用先进的软件对模型中各元件的数值进行优化，使其外部特性与之前掌握的测试数据能 够良好的拟合。通过比较实际应用中采用大量参数测试数据建立的模型和通过拟合途径 建立的模型之后，不难发现使用C A D 模拟分析方法建立的工程应用模型要比物理分析 模型更准确、更可信。 一般情况下，工程应用模型包括无源和有源两部分。其中，无源器件模型包括电容、 电感、薄膜电阻、通孔、空气桥以及各种传输线模型等。由于其结构较为简单、各种复

34、 杂的效应比较少，因此可以使用三维电磁仿真软件得到相关器件的关键参数。有源器件 模型要分别建立小信号模型、大信号模型及控制电路模型等，主要通过参数测试提取的 方法。本文主要采用工程取模的研究方法。 值得注意的是虽然很多软件不包括H E M T 等效电路，但是由于H E M T p H E M T 工作 原理和M E S F E T 类似，等效电路模型拓扑相似，因此，一般默认M E S F E T 模型可用于 H E M T p H E M T 分析【7 】。基于此，本课题在研究C F d A sF E T 管芯模型中，认为M E S F E T 和H E M T p H E M T 的等效电路

35、拓扑相同，阐述时会以M E S F E T 为说明对象，解释电路模 型，当然也可以把H E M T p H E M T 作为说明对象，并无大碍。 5 l 绪论硕士论文 1 5 本论文主要工作 本文针对G a A sF E T 管芯，讨论微波控制电路管芯建模的研究与应用，全文主要章 节和研究内容如下： 第一章为绪论，对本课题的研究背景及意义、微波控制电路、M E S F E T ， I - I E M T p H E M T 管芯和G a A s 场效应晶体管建模做了基本的介绍； 第二章为G a A sF E T 控制管芯经典模型及参数提取的讨论，囊括了控制管芯建模的 基本理论、基本参数及并联式

36、和串联式管芯参数的提取； 第三章为单指栅宽固定的控制电路模型的研究，为本课题主要研究工作的一部分， 通过该部分的研究，得到了在O I G I - I z “ - - 2 6 1 G I - I z 范围内的微波控制电路模型，但该模型 要求管芯单指栅宽固定为1 2 5 u m ； 第四章为通用微波控制电路模型的研究，该部分得到的控制模型对于管芯栅宽没有 指定要求，使得M M I C 电路设计有更大的自由度，另外本章在理论上给出的比例缩放计 算公式既考虑了管芯单指栅宽的影响，又考虑了管芯栅指数的影响，这对于微波控制电 路管芯建模有基础的指导意义； 第五章给出了本文控制电路模型的验证，通过2 “ -

37、 - 1 8 G I - I z 单片集成六位数字衰减器 和6 “ - - 1 8 G H z 五位数字移相器的设计，很好的验证了所提模型的可行性。 6 硕士论文Q u 吣F E T 微波控制电路管芯建模的研究与应用 2 G a A sF E T 控制管芯经典模型及参数提取 基于相控阵雷达系统和电子战应用的长足发展，对高性能、小型化、多功能及廉价 的微波开关、衰减器、移相器等微波控制电路有极大的需求。利用G a A sF E T 管芯作为 开关元件设计微波控制电路，很好的满足了这一要求。G a A sF E T 是一种电压控制型多 数载流子工作的三端口器件。由于G a A s 中电子迁移率是相

38、同浓度S i 的六倍，利用G a A s F E T 设计微波开关器件，它的开关速度不仅可以远大于P I N 二极管，而且，比S i 场效 应管也可以快很多。在G a A s 场效应晶体管用于开关工作模式时，与放大、混频、振荡 等应用需求不同，F E T 器件的源漏之间没有直流偏置，而是作为射频微波信号的通路， 晶体管仅仅以栅偏压攻的变化来控制器件的阻抗状态，当栅偏置：o V 时，栅下空间 电荷层很薄，沟道开通，器件的源漏之间阻抗低；当的值在一以下时，栅下沟道 全部耗尽，使得器件源漏之间呈现高阻抗，其中圪为F E T 管芯的夹断电压。F E T 的这 两个线性工作区域显示在图2 1 中，导通区

39、对应于栅偏压忙O V ，源漏间体现为一个 很小的电阻R 鲫，且这个电阻R 棚的阻值大致等于导通区线性直线的斜率的倒数，截止区 对应于栅偏压圪在一以下，从图2 1 中可见，截止区的如基本为零，也就是源漏间 基本无电流，对应的阻抗非常大。需要注意的是，不管在导通态还是截止态，F E T 都不 消耗直流功率，因此，G a A sF E T 作为开关器件使用，实质上是一种无源应用。另外， 这也让驱动电路的设计大大简化。由于肖特基势垒反向高阻抗，使得器件的栅端口与源 和漏端1 ：3 间具有良好的隔离，源漏之间的微波信号难以从栅端1 ：3 泄漏 8 9 】，当然在实 际应用中，有必要在栅端口添加射频隔离电

40、阻。 一 一 一 彩；兰= = = ：r 一 I ，：，一，。，一，l -lII V d 图2 1G a A sF E T 管芯电压电流特性曲线 下面的图2 2 和图2 3 给出了一个简单的F E T 管芯的截面图。其中图2 2 为F E T O N 态截面图，此时器件的栅极不加偏压，沟道中仅仅有一层很薄的零域耗尽层，沟道开通， 此时只要沟道中电流值小于饱和沟道电流，F E T 的电路特性可以用一个线性电阻表 征；图2 3 为F E TO F F 态截面图，此时器件的栅偏压在一以下，沟道中的载流子 7 2G a A sF E T 控制管芯经典模型及参数提取 硕士论文 被完全耗尽。在这样的偏压条

41、件下，F E T 大体上可以用电阻和电容的并联表征。 图2 2F E T O N 态截面图 图2 3F E T O F F 态截面图 2 1 Y a l c i nA y a s l i 控制管芯模型及其改进 早在1 9 7 6 年，C A L i e e h t i 提到M E S F E T 可以用于微波开关的设计【1 0 】，随后几年， Y a l c i nA y a s l i 在M i c r o w a v eJ o u r n a l 上给出了一个经典的M E S F E T 模型 8 】，基于图2 2 和图2 3 显示的F E T 管芯截面图，可以得到G a A sM E S

42、 F E T 控制电路O N 、O F F 态的等 效电路如下。 尺s凡 尺d n sp V V 旷J 协八广_ V V 旷勺u 3 图2 4G a A sM E S F E T 控制管芯O N 态电路模型 管芯建模的研究与应用 D D 图2 5G a A sM E S F E T 控制管芯O F F 态电路模型 在F E T 管芯的O N 、O F F 态模型中，最重要的三个参数是O N 态电阻R 伽，O F F 态 电阻R 够和并联电容C 访这些参数与管芯的沟道物理尺寸，栅长，沟道掺杂浓度以及 F E T 夹断电压等有关。 2 1 1 O N 态电路元件参数的确定 R 鲫包括栅下有源层的导

43、通沟道电阻如、源极串联电阻匙和漏极串联电阻尺咖在 微波控制电路的设计中，一般F E T 管芯版图源极、漏极对称，所以源极电阻咫和漏极 电阻勘是相等的。而源极串联电阻凡包括欧姆电极接触电阻如和有源层串联沟道电 阻飓、岛，其中飓、飓分别对应有源层沟道的不同结构区域。图2 6 显示了各个区域 对应的电阻分布。 由此可得： 图2 6 忍。各个不同电阻部分对应的区域分布图 9 2G a A sF E T 控制管芯经典模型及参数提取硕士论文 如= 如+ 愿+ 兄= 如+ 2 足= 如+ 2 ( 如+ 足+ 玛) ( 2 1 ) 如为源或漏电极与n + G a A s 形成的欧姆接触电阻，该电阻值可由如下公式计算【1