一种微波功率LDMOS器件非线性模型

冯 彬，李静强，胡志富，李 亮

（河北半导体研究所，河北 石家庄 050051）



一种微波功率LDMOS器件非线性模型

冯 彬，李静强，胡志富，李 亮

（河北半导体研究所，河北 石家庄 050051）

摘要:对微波功率LDMOS器件进行测试，提出一种新的非线性模型，通过小信号参数提取，建立LDMOS的小信号模型，对多偏置下本征电容的提取，建立LDMOS本征电容的非线性模型，加入LDMOS的直流IV模型并以此为基础确立了微波功率LDMOS的大信号模型，经过此模型的LoadPull仿真及芯片测试对比，表明了该模型可以较准确地模拟LDMOS的微波特性。采用该模型设计了一种功率管放大器，通过最终测试与仿真结果对比，证明了该模型的实用性。

关键词:LDMOS；小信号模型；微波；参数提取；大信号模型；LoadPull测试

网络出版时间：2016-05-31 11:09:37 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20160531.1109.014.html

微波功率LDMOS（横向双扩散金属氧化物场效应晶体管）器件输出功率大、技术成熟、性价比高，除了集中在移动电话、无线通信、个人通信网、GPS全球定位系统、直播卫星接收、小孔径终端卫星系统和自动防撞系统等民用领域以外，军用方面同样具有广阔前景。伴随着微波功率LDMOS的放大模块在通信、雷达上面大量应用，传统的调试装配方式已经远远不能满足生产需要，此时采用微波功率LDMOS模型进行放大模块的设计，效率及成功率高，成本低，成为满足生产要求的必然选择。本文针对国内某型号微波功率LDMOS器件开展了建模，确立了一个实用有效的微波功率LDMOS器件的非线性模型。

1　 建模策略

微波功率LDMOS器件建模之初，采用合适的模型策略很重要。目前针对LDMOS的模型主要有几种：（1）物理模型，基于器件物理结构及原理进行建模，如bsim4[1]、HiSim_HV模型[2]；（2）半经验模型，结合经验公式及等效电路进行建模，如Motorola公司的MET模型[3]；（3）数据模型，直接基于实际测试数据进行建模[4]。其中物理模型准确度较高，但建模过程繁琐，测试结构复杂，不适用于微波功率领域；数据模型针对特定器件准确度高，但无法真实反映器件的物理意义，不能对微波器件的性能进行预判；半经验模型以器件物理结构形成的等效电路为基础，加入半经验公式，既能有效反映器件的物理意义，又兼顾测试、建模的简便准确性。根据现有基础及实际建模要求，笔者主要采取半经验模型的方式，以等效电路为基础，辅以经验公式，通过测试数据提取模型参数，最终形成完整的模型。

2　 微波小信号模型

按照微波功率LDMOS的物理结构，形成小信号等效电路如图1所示，其中包括本征部分（虚线框内）及外围寄生部分。

图1 LDMOS小信号模型等效电路Fig.1 LDMOS small signal model equivalent circuit

按照常规流程对LDMOS器件小信号参数进行提取[5]，其提取的具体流程如图2所示。首先设计测试结构利用COLDFET方法提取外围与偏置及频率无关的寄生参数，然后经过剥离，得到LDMOS的本征部分的S参数，经过等效电路分析，采用有效的提取方法提取器件的本征参数，最后进行仿真并同测试结果对比，根据对比结果进行参数优化，最终得到器件的小信号模型。

图2 小信号模型建模流程Fig.2 Small signal model building flow

3　 电容模型

采用多偏置条件测量LDMOS芯片，提取了器件的本征电容。采用适当的公式表示电容与偏压的关系，从而得到电容的非线性模型。为了简捷有效，电容模型采用简化形式，即假定电容只与加在其上的偏压有关，与其他偏压无关。根据LDMOS器件的结构特点，针对Cds采用了类似于PN结电容的公式[6]，稍加改进。其公式如下：

式中：Cds0代表零偏压下电容值；V0为电压设定的一个初值；N为2～4之间的一个常数。

Cgs采用双曲线函数公式：

式中：a0、a1、a2为拟合参数。

对于电容Cgd，采用二维形式，即表示为与Vds及Vgs均有关的函数。其公式如下：

式中：b0、b1、b2、b3、b4、b5、b6为拟合参数。

最终仿真结果与测试结果对比如下：

图3 LDMOS本征电容的模型仿真与测试对比Fig.3 Comparison of simulation and measurement results for LDMOS intrinsic capacitor

4　 电流模型

电流模型是LDMOS大信号建模的关键，一个好的电流模型可以提供功率器件准确的功率、效率等信息，从而对器件进行准确的预判。以Motorola 的MET[7]电流模型为基础，结合实际测试结果，将模型公式加以简化及改进，形成新的电流公式，其形式如下：

式中：VGEFF表示有效栅压；VGSAT为栅极饱和电压；β为与LDMOS沟道迁移率、栅宽、栅长及栅氧电容相关的系数；σ1、σ2、σ3为拟合不同区域跨导的参数；λ为沟道调制系数；α用于拟合Ids与漏压Vds的关系；VT为阈值电压；γ为有效栅压对Vds的影响因子。

经过参数提取拟合，提取LDMOS的直流IV模型参数并建立模型，该模型的仿真结果与测试结果对比如图4所示。

图4 LDMOS直流模型仿真结果与测试对比Fig.4 Comparison of simulation and test results for the LDMOS DC model

通过仿真与测试结果对比，可以看到该直流模型能够精确描述LDMOS的直流特性。

5　 模型仿真及LoadPull验证

根据前面提出的微波功率LDMOS器件的直流及电容模型，形成LDMOS的大信号非线性模型，其最终封装及仿真形式如图5所示。

图5 LDMOS模型封装及仿真Fig.5 LDMOS package model and simulate

应用此模型进行了多偏置点小信号仿真及1 GHz频率下的LoadPull仿真，其仿真结果同测试结果（多偏置点下小信号S参数、附加效率PAE、输出功率Pout）对比如图6、图7所示。

图6 LDMOS模型多偏置点小信号仿真与测试结果对比Fig.6 Comparison of small signal simulation and measurement results for LDMOS model under multi-bias points

图7 LDMOS 模型LoadPull仿真与测试结果对比Fig.7 Comparison of LoadPull simulation and measurement results for LDMOS model

由图6图7所示，可得出LDMOS模型小信号仿真及LoadPull仿真与测试结果基本吻合。

6　 实际测试电路验证

针对该模型进行了验证工作，方法是利用此模型进行功率管设计。该功率管设计指标要求：中心频率1 GHz，带宽200 MHz，该频段内输出功率大于35 W，带内增益17 dB，附加效率45%。应用此模型并进行管壳预匹配及外电路匹配，仿真后设计测试电路。其实际测试电路如图8所示。

最终测试与仿真结果对比如表1所示。

表1 测试与仿真结果对比Fig.1 Comparison of measurement and simulation

从测试结果来看，采用本模型设计结果与最终测试结果基本吻合，模型精度较高，从而证明了本模型的实用性。

7　 结论

通过对微波功率LDMOS芯片进行脉冲直流、小信号测试，根据测试曲线，建立一种新的非线性模型。通过芯片LoadPull仿真与测试结果对比，证明了该模型的可行性，并根据此模型设计了一种功率管放大器来进行模型验证，最终结果表明此模型有较高的准确性及实用性，从而为下一步的微波功率LDMOS产品设计生产奠定了良好的基础。

参考文献：

[1] HU C M. BSIM4.6.1 MOSFET Model User’s Manual [OL]. [2007-04-15]. http://www-bevice.eecs.edu.

[2] MATTAUSCH H J. The second-generation of HiSim_HV compact models for high-voltage MOSFETs [J]. IEEE Trans Electron Dev, 2013, 60(2):653-661.

[3] CURTICE W R. A new dynamic electro-thermal nonlinear model for silicon RF LDMOSFETS [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 1999, 2:419-422.

[4] COLLANTES J M. New measument-based technique for RF LDMOS nonlinear modeling [J]. IEEE Microwave Guided Wave Lett, 1998, 8(10):345-347.

[5] DAMBRINE G, CAPPY A. A new method for determining the FET small-signal equivalent circuit [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 1988, 36(7):1151-1159.

[6] MCANDREW C. A C∞-continuous depletion capacitance model [J]. IEEE Trans Comput Aided Design Integr Circuits Syst, 1993, 12(6):825-828.

[7] FAGER C, PEDRO J C, CARVALHO N B, et al. Prediction of IMD in LDMOS transistor amplifiers using a new large-signal model [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2002, 50(12):2834-2842.

（编辑：曾革）

An new nonlinear model for the microwave power LDMOS

FENG Bin, LI Jingqiang, HU Zhifu, LI Liang
(The Hebei Semiconductors Research Institute, Shijiazhuang 050051, China)

Abstract:A nonlinearity model was deduced for LDMOS through the measurement of microwave power LDMOS. By the parameters extraction of LDMOS, a small signal model of LDMOS was built. By analyzing the intrinsic capacitor extracted under the multi-bias conditions, the capacitor nonlinearity model was got. A LDMOS DC-IV model was also built through DC-IV measurement. Base on these models, a large signal nonlinear model was got for microwave power LDMOS. Compared to the LoadPull simulation and measurement results, the LDMOS model is proved that it could be used to describe the microwave performance of LDMOS precisely. By using this model, a power amplifier was designed. The measurement and simulation result contrast indicates the practicality of this model.

Key words:LDMOS; small signal model; microwave; parameter extract; large signal model; LoadPull measurement

doi:10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.06.015

中图分类号:TN61

文献标识码:A

文章编号:1001-2028（2016）06-0074-04

收稿日期：2016-02-26 通讯作者：冯彬

作者简介：冯彬（1982－），男，河北衡水人，工程师，硕士，主要从事微波器件LDMOS的建模工作，E-mail:fbzlx@163.com 。