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射频微波SiGe HBT建模与参数提取技术研究

作　者: 韩波
导　师: 高建军
学　校: 华东师范大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 异质结双极晶体管 BiCMOS工艺小信号建模大信号建模软膝效应热阻多晶硅电阻去嵌技术
分类号: TN322.8
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着无线通信产业的高速发展,器件特征尺寸不断减小,锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)最高特征频率已达到375GHz。与Ⅲ-Ⅴ族器件相比,采用SiGe工艺制作的集成电路兼容于传统CMOS工艺、集成度高和成本低等优势使其成为无线移动通信系统最佳候选。为了提高射频SiGe工艺集成电路设计成功率,缩短设计时间,降低设计成本,需要建立工作在射频频段精确的SiGe HBT模型。目前普遍应用的SiGe HBT模型存在模型精度不够高,模型开发周期较长等等缺点,需要付出更多的努力,使得射频SiGe HBT模型更加成熟,满足绝大部分集成电路设计的要求。本文主要研究了射频微波SiGe HBT器件建模与参数提取技术,基于这个研究课题,取得了以下所述研究成果：1)提出了一种改进的SiGe HBT小信号等效电路模型,该模型包含了基极发射极与集电极发射极之间的金属效应,考虑了基极发射极与基极集电极分布式电容效应；同时给出了一种半分析模型参数提取方法。提出的SiGe HBT小信号等效电路建模和参数提取方法通过测试发射极面积为0.2×5.9μm2的SiGe HBT器件验证,验证频率达到40GHz。2)提出了一种基于MEXTRAM模型的SiGe HBT大信号模型,模型考虑了高基极电流低集电极电压状态下的软膝效应(Soft-knee effect),改进了模型直流精度；提出的模型由ADS电路仿真Verilog-A语言开发,并形成可用于电路设计ADS软件中的电路基本元件。3)针对GP模型大信号工作状态下精度不足的缺点,提出了一种发射极面积可缩放SiGe HBT大信号模型,该模型考虑了自热效应和基极集电极雪崩效应。给出了一种改进的热阻参数提取技术,减小了基极电流变化对热阻的影响,提高了热阻参数提取精度。提出的尺寸可缩放模型与参数提取技术由发射极面积为0.3×20.3、0.3×13.9、0.3x9.9与0.3×1.9μm2的SiGe HBT器件验证。4)提出了一种基于微带传输线理论的去嵌技术,与传统去嵌技术相比,该去嵌技术不仅能去除顶层金属引入的寄生效应,同时能去除下层金属的寄生影响,提出的去嵌技术通过面积为20×2um2的多晶硅电阻验证。研究课题得到以下基金支持：华东师范大学博士研究生学术新人奖(项目编号：2010025),东南大学毫米波国家重点实验室开放项目(项目编号：K201002),教育部重点工程项目(项目编号：210080),国家自然基金(项目编号：61176036)

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第一章绪论  14-22
  1.1 引言  14-15
  1.2 SiGe HBT技术发展过程  15-16
  1.3 SiGe HBT工作原理  16-18
  1.4 射频器件建模意义  18
  1.5 本文的主要工作  18-19
  1.6 本文的组织结构  19-21
  参考文献  21-22
第二章 SiGe HBT建模综述  22-36
  2.1 SiGe HBT小信号模型概述  22-24
    2.1.1 SiGe HBT小信号模型拓扑结构  22-23
    2.1.2 SiGe HBT小信号模型提取方法  23-24
  2.2 SiGe HBT大信号模型概述  24-28
    2.2.1 比例积分控制关系模型  24-25
    2.2.2 常用SiGe HBT集约模型  25-28
  2.3 射频器件建模新方法  28-31
    2.3.1 神经网络建模方法  28-30
    2.3.2 非线性矢量函数建模方法  30-31
  2.4 本章小结  31-32
  参考文献  32-36
第三章 SiGe HBT小信号建模技术研究  36-68
  3.1 包含金属效应的SiGe HBT小信号电路模型  36-49
    3.1.1 考虑金属效应的小信号模型拓扑结构  36-38
    3.1.2 考虑金属效应的小信号模型参数提取方法  38-43
    3.1.3 模型验证  43-49
  3.2 SiGe HBT半分析方法建模技术  49-63
    3.2.1 包含分布式电容的SiGe HBT小信号等效电路模型  50-56
    3.2.2 半分析方法建模优化标准的设定  56-58
    3.2.3 半分析法SiGe HBT小信号建模的验证  58-63
  3.3 本章小结  63-64
  参考文献  64-68
第四章 SiGe HBT大信号建模技术研究  68-102
  4.1 基于MEXTRAM 504的SiGe HBT大信号模型  68-82
    4.1.1 MEXTRM 504模型简介  68-70
    4.1.2 MEXTRAM 504模型主要特征表征形式  70-73
    4.1.3 基于MEXTRAM的SiGe HBT大信号模型  73-82
  4.2 基于GP模型提出的可缩放SiGe HBT大信号模型  82-97
    4.2.1 改进的模型主要特征  83-86
    4.2.2 改进的模型参数提取及尺寸依存性确定  86-92
    4.2.3 提出的尺寸依存性模型精度验证  92-97
  4.3 本章小结  97-99
  参考文献  99-102
第五章 SiGe HBT热阻提取技术研究  102-122
  5.1 器件温度参数自热效应表征方法  102-105
    5.1.1 温度参数物理意义及一般提取过程  102-103
    5.1.2 自热效应及建模方法  103-105
  5.2 自热参数热阻提取方法  105-110
    5.2.1 脉冲测试法  105-107
    5.2.2 高频与低频S参数测试法  107-108
    5.2.3 不同温度直流输出特性曲线法  108-110
  5.3 改进的热阻提取方法  110-117
    5.3.1 改进的热阻提取方法原理分析  110-115
    5.3.2 改进的热阻提取方法验证  115-117
  5.4 不同尺寸器件热阻值  117-118
  5.5 热容提取方法简述  118-119
  5.6 本章小结  119-120
  参考文献  120-122
第六章无源器件建模技术  122-150
  6.1 SiGe HBT测试环境与SOLT校准技术  122-126
    6.1.1 S参数测试环境  122-124
    6.1.2 SOLT校准技术  124-126
  6.2 去嵌技术概述  126-129
    6.2.1 开路去嵌技术  126-128
    6.2.2 开路短路去嵌技术  128-129
    6.2.3 级联去嵌技术  129
  6.3 改进的多晶硅电阻去嵌方法  129-134
    6.3.1 改进的去嵌技术理论分析  130-133
    6.3.2 多晶硅电阻模型参数提取方法  133-134
  6.4 改进去嵌方法与多晶硅建模方法验证  134-146
    6.4.1 改进去嵌技术的验证  135-137
    6.4.2 模型参数值提取结果验证  137-141
    6.4.3 不同尺寸多晶硅电阻模型参数  141-146
  6.5 本章小结  146-147
  参考文献  147-150
第七章总结与展望  150-154
  7.1 本研究课题取得主要研究成果  150-151
  7.2 研究展望  151-154
英文名词缩写  154-156
攻读博士学位期间发表文章目录  156-158
致谢  158

射频微波SiGe HBT建模与参数提取技术研究

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