GaAs PHEMT非线性模型及毫米波功放单片研究

摘要

微电子技术的高速发展和军事需求是推动微波单片集成电路(MMIC)向前发展的主要力量，MMIC可广泛应用于制导、雷达和卫星通信等领域，在国民经济建设和国防建设中必将发挥越来越重要的作用。异质结高电子迁移率器件的出现给GaAs MMIC的发展注入了新的活力，赝配高电子迁移率晶体管(PHEMT)具有优异的高频特性、功率特性和低噪声特性，使其成为现今微波单片集成电路发展中最具应用前景的器件之一。PHEMT器件的非线性模型在微波单片集成电路设计中起着至关重要的作用，并且在电路设计和工艺设计之间发挥了桥梁的作用，能够提高电路设计的准确性，减少工艺反复，降低产品成本，缩短研制周期。论文的重点在于GaAs PHEMT器件非线性模型的研究和毫米波单片功率放大器的设计，具体研究内容如下： 1．针对微波单片集成电路中主要的无源元件(方螺旋电感和MIM电容)等效电路模型进行深入研究，并详细地给出等效电路模型中每个参数的物理解析表达式。提出了考虑频率对螺旋电感等效电路模型中自感及反馈电容影响新的计算公式。 2．从PHEMT的物理结构和实际工艺出发，建立PHEMT器件的非线性等效电路模型。对PHEMT的电流模型(包括漏电流模型和反映器件正向导通特性的栅电流模型)和非线性电容模型进行深入研究；在测量数据的基础上，对等效电路模型的寄生参数和本征参数的提取方法进行详细的阐述。提出能够准确模拟PHEMT漏源电流温度特性的改进的电流模型方程。并成功地将改进模型写入ADS的符号定义器件来模拟PHEMT的微波特性。实验结果表明论文提出的非线性等效电路模型能够准确地模拟PHEMT器件的小信号S参数和电流电压特性。 3．为验证本文提出的非线性等效电路模型及提取方法的准确性，设计、加工了Ka频段单片功率放大器，测试结果与仿真结果能够较好地吻合。并对功放电路中关键部分对整个单片性能的影响进行了研究和分析。结果证明论文提出的非线性等效电路模型及提取方法是可行的、准确的。 4．对遗传算法的基本概念和操作算子作了详细的阐述，将遗传算法成功地应用在非线性等效电路模型参数提取中。开发了接口程序，将遗传算法集成到HFSS、ADS软件中，扩展了这两个EDA软件的功能。以两个微带到波导过渡结构的设计为例来说明遗传算法的有效性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1微电子技术的发展历程

1.2微波单片集成电路概述

1.2.1微波单片集成电路的发展历史

1.2.2微波单片集成电路建模

1.2.3微波单片集成电路的设计流程

1.3微波单片集成电路的应用领域

1.4本文主要研究内容

第二章GaAs无源元件模型

2.1螺旋电感模型

2.2 MIM电容模型

2.3电阻

2.4本章小节

第三章GaAs PHEMT器件非线性模型

3.1 GaAs PHEMT基本层结构、工艺设计及面临的主要问题

3.1.1 PHEMT基本层结构

3.1.2 PHEMT工艺设计

3.1.3面临的主要问题

3.2 PHEMI器件的电流电压模型

3.2.1栅电流模型

3.2.2漏电流模型

3.3 PHEMT器件的小信号模型

3.3.1寄生参数的提取

3.3.2本征参数的提取

3.4 PHEMT器件的非线性电容模型

3.5 PHEMT器件的温度模型

3.6 PHEMI器件的测量

3.7 PHEMI器件非线性模型的验证

3.7.1TOM模型验证

3.7.2 SDD模型的实现及其验证

3.8本章小节

第四章GaAs毫米波单片功率放大器的设计

4.1 MMIC设计基础

4.2匹配网络

4.3偏置网络

4.4 Ka频段功率放大器设计

4.4.1第一次流片结果及分析

4.4.2第二次流片结果及分析

4.5本章小节

第五章遗传算法在器件建模和工程优化中的应用

5.1遗传算法概念

5.1.1遗传算法的产生与发展

5.1.2遗传算法概要

5.1.3遗传算法的特点

5.1.4遗传算法的功能

5.1.5遗传算法的基本结构

5.2遗传算法的应用

5.2.1遗传算法在建模中的应用

5.2.2遗传算法在EDA软件二次开发中的应用

5.3本章小节

第六章结论

6.1本论文的主要贡献

6.2下一步工作的展望

致谢

参考文献

攻读博士期间取得的研究成果