太赫兹GaAs肖特基二极管模型建立与仿真

赵 明，黄 建，李 凯

(西南电子技术研究所，四川成都610036)

0 引言

近年来随着太赫兹技术的发展及其在雷达通信、天文探测和生物医学等方面的应用逐渐广泛，太赫兹源已成为太赫兹技术发展的一个极为重要方面［1-6］。利用太赫兹GaAs肖特基变容二极管构成固态倍频源是太赫兹源的一种主要手段，因此对太赫兹GaAs肖特基二极管的研究工作也变得尤为重要。在构建太赫兹二极管倍频器中的首要任务就是对二极管建模，然而太赫兹二极管的集总参数和分布参数往往很难确定，直接影响了设计太赫兹倍频器的准确性。

国内外很多学者对太赫兹二极管进行模型研究。文献［7］通过对二极管结构三维电磁仿真给出集总电路参数模型，并给出相应材料厚度对集总参数的影响。文献［8，9］都是通过二极管给出的S参数拟合出二极管的集总电路参数模型。在太赫兹二极管建模中大量文献都是通过拟合集总电路参数模型的方法对二极管进行模型建立。下面利用分离二极管管芯的方法尝试对太赫兹二极管进行建模，此方法集合了二极管的集总参数和分布参数模型，避免了通过拟合S参数提取集总参数的不准确性，仿真环境也与二极管实际工作电磁环境相符。

1 二极管Rs参数

利用Teratech公司的AS1二极管建立模型。由于厂家无法提供详细的二极管Rs参数，所以首先要利用三维仿真软件和经验公式确定直流电阻Rs。太赫兹二极管AS1为平面GaAs肖特基二极管，其外延层n层掺杂浓度为2×1017cm-3，缓冲层n++层掺杂浓度约为5×1018cm-3。在三维电磁仿真软件中对二极管模型仿真，首先要确定各个材料的参数。在仿真结构中未知的参数为n层和n++层，n层和n++层都是对GaAs材料进行掺杂，因此其介电常数为GaAs的介电常数 12.9。二极管的整体结构如图1所示。

n层和n++层的电导率与掺杂浓度及温度有关，根据文献［10］给出的公式计算出在温度为300 K时n层和n++层的电导率:

式中，μmin的值为 500 cm2/Vs，μmax(300K)的值为9 400 cm2/Vs;μref值为 6.0 × 1016cm-3;λ 值 为0.394;θ1值 为 2.1;θ2值 为 3;Nd的 值 为 2 ×1017cm-3。经过式(1)和式(2)的计算，n型GaAs外延层的介电常数为12.9，电导率为12 528 s/m。n++型 GaAs缓冲层介电常数为 12.9，电导率为146 000 s/m。GaAs衬底层介电常数为12.9，二氧化硅层介电常数为4.3。

图1 二极管结构

根据各层的电参数及结构在软件HFSS中建立二极管三维电磁仿真模型。每个AS1二极管芯片包括4个二极管，并两两方向一致，整体呈反向串联的形式。用理想导体连接二极管的两端金属，通过HFSS软件的端口内缩功能将2个端口内缩到二极管金属垫的顶端。设置好各层的介电常数和电导率开始在HFSS软件中进行低频仿真。把仿真的S参数导入到ADS软件中进行Rs联合仿真。HFSS中三维电磁仿真模型如图2所示。

图2 二极管三维模型

仿真结果为每个二极管Rs值约为2 Ω。二极管工作在太赫兹频率，趋肤效应和电流聚集效应会使Rs一定程度地变大，其值会大于2 Ω。所以Rs低频仿真只能确定其值的大概范围。根据文献［11］提出的经验公式:

计算得出 Rs值为3.6 Ω(Cj0=32.88 fF)。但是太赫兹二极管实际工作时的Rs要略小于式(3)所给出Rs的经验值，因此结合低频仿真数据和经验数据给出Rs为 3 Ω。

2 二极管整体模型建立及结果仿真

2.1 分离管芯建立模型

在二极管的整体结构中管芯是工作在非线性部分，因此要在整个二极管的三维电磁结构中去除管芯部分，单独对二极管线性部分进行仿真。再把线性部分的S参数导入到谐波平衡仿真软件中和二极管管芯一起进行联合仿真。二极管去管芯结构如图3所示。

图3 去管芯结构

在去除二极管管芯结构处建立同轴探针端口，设置端口的电场积分线方向应和在谐波平衡仿真中管芯方向一致，否则会引起相位倒向［12］。

2.2 分二极管模型倍频整体仿真

去管芯结构的二极管模型在腔体里仿真的三维图如图4所示。AS1二极管有4个二极管管芯，在每一个二极管的去管芯结构处都需要设立一个同轴探针端口，并且两两反向。

图4 腔体仿真结构

在HFSS软件中把整体仿真的S参数导入到ADS软件中进行联合仿真。六端口S参数文件导入ADS软件中的SP6中，除输入输出端口外均接入二极管，方向与同轴端口的电场积分线方向一致。每个二极管均接入偏置电压。ADS软件中联合仿真电路示意结构如图5所示。

图5 ADS软件中整体仿真结构

系统进行偶次倍频仿真，输入频率为94 GHz，功率为20 dBm时，二倍频188 GHz输出的功率为15.018 dBm，倍频损耗为5 dB。而且高次谐波奇偶分离，奇数次谐波被充分抑制。二次谐波输出功率如图6所示。

图6 系统整体输出功率

倍频结构采用了平衡式倍频，所以系统主要输出偶次谐波，奇次谐波被充分抑制。三次谐波输出功率在-60 dBm以下。去管芯结构的肖特基变容二极管建模方式完全考虑了二极管的寄生参数特性，线性部分全部在三维仿真软件里分析，非线性的部分的管芯结构在谐波平衡软件里分析。通过仿真分析验证了这种建模方式有效。

3 结束语

基于太赫兹二极管AS1建立模型，根据GaAs掺杂理论，得出n型半导体和n++型半导体的导电率，并通过低频仿真和经验公式确定二极管的Rs参数。在高频段把二极管管芯结构分离出来，即分成非线性结构和线性结构，使其仿真的电磁环境更接近于二极管实际工作状态。分离管芯的方法避免了在HFSS仿真软件中直接将二极管用Lumport代替的不准确性。最后通过HFSS软件和ADS软件协同仿真验证得出由分离管芯模型构成偶次倍频器在电路中的二次谐波188 GHz输出功率为15 dBm，倍频损耗为5 dB。

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