Современная электроника №8/2019

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 61 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2019 спечивая разработчика полным набо- ром инструментов для проектирования монолитных интегральных схем (МИС) на основе GaN или GaAs. Р АЗРАБОТКА МОДЕЛИ ТЕХПРОЦЕССА (PDK) Правильное описание активного устройства для построения масшта- бируемой модели транзистора – самый важный этап создания библиотеки. Масштабируемая модель позволяет разработчику варьировать перифе- рию (ширину и число выводов затво- ра) для получения нужных характе- ристик. Поэтому разработка модели должна учитывать диапазон возмож- ных состояний периферии и рабочих точек транзистора. В статье рассматривается процедура моделирования, основанная на получе- нии параметров устройства из измере- ний, экстракции моделей через эмпи- рическую подстройку и верифика- цию при помощи схемотехнического моделирования. На основе таких моде- лей строятся библиотеки, включающие также модификации устройств для раз- личных применений, включая малошу- мящие усилители, усилители высокой мощности и переключатели. Э КСТРАКЦИЯ МОДЕЛЕЙ Стандартная эквивалентная схе- ма компактной модели транзистора представлена на рисунке 1 и включа- ет в себя внешние линейные и внутрен- ние нелинейные элементы. Внеш- ние паразитные элементы транзисто- ра (R, L и C) необходимы для вычета из S-параметров при переходе к вну- тренней опорной плоскости транзи- стора и для экстракции внутренних компонентов ( C зи , C зс , g m , g з , C си , R з , R зс ) при помощи уравнений в явном виде. Точная экстракция паразитных элемен- тов основана на результатах измерений S-параметров полевого транзистора в холодном режиме ( V си = 0) и электромаг- нитном анализе гребёнок транзистора. Следующимшагомявляетсяопределе- ние значений параметров внутренних элементов. Вслучаенитридныхустройств основными источниками нелинейно- сти являются источник тока сток-исток и ёмкости затвор-исток и затвор-сток, а также входной диодШоттки. Помимо этого, транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) подвержены влиянию лову- шек – состояний в полупроводниках типа GaN, ограничивающих дырочную проводимость за счёт неоднородно- стей кристаллической решётки и обо- рванных связей на поверхности полу- проводника или на переходах между слоями (см. рис. 2) [1]. Эти ловушеч- ные центры формируют паразитные области объёмного заряда, влияющие на плотность двумерного электронно- го газа [2]. В AlGaN/GaN-транзисторах суще- ствует множество различных явле- ний, связанных с наличием ловушеч- ных состояний. В частности, эффект запаздывания тока, который зависит от напряжения смещения стока и тем- пературы канала. Для его учёта при- меняют квази-изотермические ВАХ и S-параметры в импульсном режиме. Методика заключается в измерении S-параметров во время действия корот- ких импульсов с высокой скважностью, позволяющих не допускать значитель- ного нагрева. Благодаря этому мгновен- ные значения смещений затвора и сто- ка перемещаются из точки покоя таким образом, чтобы точнее описывать рабо- чие характеристики транзистора без изменения заданных начальной рабо- чей точкой температурных и ловушеч- ных параметров (см. рис. 3). Получен- ные таким образом данные использу- ются для формирования компактной модели на основе разработанных урав- нений, позволяющих с высокой точно- стью рассчитывать производные тока стока и паразитных зарядовых ёмко- стей в широком диапазоне напряже- ний стока и затвора. П РОВЕРКА МОДЕЛИ Созданная компактная модель вери- фицируется путём сравнения резуль- Утечка затвора и поверхностные ловушки Электрическое поле поляризованного диполя Эффекты переходов Подложка (SiC, Сапфир) Нелегированный GaN Нелегированный AIGaN 2DEG Эффект объёмного заряда n + n + Рис. 2. Положения ловушечных центров в широкозонных полупроводниках на примере GaN-HEMT Рис. 3. Импульсный метод измерений Ids Vgs-Vp t Период Точка покоя t t Vds Vgs Ids Мгновенные точки смещения Pulse V GS0 V GSI V DS0 I DSI I DS0 V DSI Pulse Pulse Pulse 0 0