SiGe HBT小信号建模技术研究

摘要

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SiGeHBT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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 HBT的发展历史

1．3 HBT建模研究现状

1．4 本论文的主要工作及内容安排

第二章 SiGe HBT的基本工作原理及模型技术

2．1 SiGe材料的基本特性

2．1．1 SiGe材料的临界厚度

2．1．2 SiGe材料的能带特点

2．1．3 Si衬底上SiGe材料的生长技术

2．2 SiGe HBT的基本工作原理

2．3 SiGe HBT模型技术

2．3．1 大信号模型Ebers-Moll

2．3．2 大信号Gummel-Poon模型

2．3．3 HBT小信号π和T型模型

2．3．4 软件优化建模流程及小信号模型参数提取方法

2．4 ADS电路仿真及TCAD器件仿真环境介绍

2．4．1 使用ADS的设计

2．4．2 ADS中S参数仿真

2．4．3 TCAD中HBT器件参数获取

2．5 小结

第三章 HBT的小信号模型结构及参数计算

3．1 SiGe HBT的器件结构

3．2 HBT小信号模型

3．2．1 混合π型小信号等效电路结构

3．2．2 混合π型小信号等效电路本征模型参数计算

第四章 基于优化技术的HBT建模及结果分析

4．1 二端口网络与S参数

4．2 ADS曲线优化拟合算法

4．3 仿真结果分析与对比

4．3．1 SiGe HBT小信号S参数TCAD测量结果

4．3．2 本征电路初值模型S参数仿真曲线

4．3．3 ADS优化拟合后S参数曲线

4．4 考虑非本征元件的S参数仿真曲线

第五章 全文总结和展望

参考文献

致谢

附录