极低温下HEMT晶体管噪声参数提取

刘 英，羊 恺

（1.中国民航飞行学院航空工程学院，四川 广汉 618307；2.电子科技大学航空航天学院，四川 成都 611731）

极低温下HEMT晶体管噪声参数提取

刘 英1，羊 恺2

（1.中国民航飞行学院航空工程学院，四川 广汉 618307；2.电子科技大学航空航天学院，四川 成都 611731）

在极低温环境中，为实现对晶体管的噪声参数提取，该文采用嵌入网络和去嵌入式技术。在测试的过程中，将多工器嵌入到测试网络中，实现有源器件所需要的不同频率电源；同时，将多工器与直通校准件相连，利用噪声系数与增益之间的关系，分别求出嵌入网路中的S参数，后用Matlab编程计算。由此求出HEMT晶体管的噪声系数（NF），从而实现在极低温环境下的晶体管的噪声参数提取，为极低温下的微波电路设计提供有力的技术方案。

极低温；多工器；嵌入网络；HEMT晶体管；噪声系数提取

0 引 言

低温环境下，本征载流子的浓度很低、热电压也会随着下降，同时，冻析效应的影响会随着温度的变化而变化[1]。因此，低温环境更能体现电路的优势，如插损小，电路的噪声系数降低，灵敏度提高，抗干扰能力增强[2]等。在微波电路仿真设计时，器件的噪声系数（NF）由厂商提供，且是在常温下获取的。就电路设计来说，常温和低温下的测试参数存在误差，必将影响后期的电路调试工作。同时，一旦网络本身存在噪声，则输出的噪声功率增长速度要比信号功率增长速度快得多，这时输出信噪比就要下降[3]。

对于二端口网络而言，NF不仅反映了网络的本征噪声特性，也反映了对输入噪声的影响。测量有源晶体管时，测试夹具上需要给待测设备（DUT）提供偏置电压以便打通沟道，这种方法对测试散射参数（S参数）完全可行，但对于测试DUT的噪声系数就存在一定的难度。文献[4]有对这种测试的介绍，但过程、方法非常繁琐。为此，笔者采用了2个多工器将三路不同频率的微波信号耦合到同一个波导输出的结构，在输入输出端对直流信号、射频信号进行隔离，这样既完成了S参数的测量，又能进行噪声系统的测量。

1 多工器设计

多工器一般由多个高低通滤波器级联而成，在设计多工器的过程中，先单独设计单个高、低通滤波器，然后再级联优化滤波器的过渡部分[5]。本设计采用T型分支线将多个高、低通滤波器级联。其设计的思想是利用1/4波长将两个带通滤波器之间实现为开路，从而实现相互之间的隔离。将以上设计的两组高、低通滤波器通过T型节级联起来，再优化双工器在交接点的过渡，这样就实现了多工器的制作，如图1所示。

图1（a）中Port 1是DC-7.4GHz的低通滤波器，Port 2是7.4～12.2GHz的带通滤波器，Port 3是12.2 GHz的高通滤波器，这3个滤波器满足了用于不同测试频率范围的要求，Port 4是公共输出端。又由于测试过程中校准技术和测试方法的介入能直接去掉滤波器之间的耦合，所以在仿真过程中直接将双工器拼接，不需要再做整体优化仿真。

各个端口仿真参数曲线参见图2。本课题中采用介电常数为2.2，厚度为10mil（1mil=0.0254mm）的基片加工而成，加工后的实物图见图1（b）。由于在测试时，矢量网络分析仪只有两个测试端口，所以为了更好地与测试件匹配，需要将其他暂时不用的端口接上50Ω的匹配负载。低温下的测试曲线如图3所示。

图1 多工器设计图

图2 多工器S参数仿真曲线

图3 多工器S测试曲线

2 HEMT晶体管噪声系数测试

实际生活中的网络系统，都会使信噪比恶化，NF是信噪比下降的量度，如下式所示：

式中：（S/N）i——输入的信号与噪声功率之比；

（S/N）o——输出的信号与噪声功率之比。

噪声特性的另一种表示是噪声温度T，当噪声系数比较低的时候，通常用T来表达噪声特征。它与噪声系数的关系如下式所示：

其中T0=290K。

本文采用对部件噪声系数的精确测量来获取噪声系数，使参数更接近DUT的真实参数。文献[6]中给出了另外两种测试方法：通过部件的小信号等效电路来获取或部件噪声参数的直接提取。前者需要分别获得外部元件和本征元件的相关参数来获取噪声参数，后者是对参数Fmin、Rn、和Γopt（包括幅度和相位）进行估测的新方法[7]。这种方法适合在频段和准确度要求不太高时使用。

图4 测试网络

图5 嵌入网络示意图

如图4所示，噪声参数分析仪所测出的噪声系数实际是一个由网络A、B和DUT所组成的级联的噪声系数。级联系统的噪声系数可用下式表示：

GA，GB和GDUT分别表示输入A，输出B和测试件DUT的有效功率增益。这些参数可以从各自的S参数中求得，如下式所示：

因为A、B两个网络均是无源网络，所以其噪声系数可以从增益中获得，两者之间的转换如下式所示：

联合式（3）、式（4）、式（5），可以求得测试件的噪声系数，如下式所示：

由于所测试的晶体管两端的网络A和B也会影响组件的噪声系数，因此需将A、B的影响去除。这里可以将A、B看作性能指标均一样的网络，也可以利用时域反射技术解决这一问题。因为S参数不能直接级联相乘，所以需要将散射参数转换为传输矩阵T。S参数与T参数直接的转换如下式所示：

A、B和DUT网络的T矩阵级联为下式所示：

现在要解决的问题是如何求出TA或TB。利用传输线特性，将多工器和校准件中的直通标准件相连，矢网利用SOLT校准技术分别求出图4和图5的网络SM1和SM2参数，此时，SM1是网络A，B和DUT的S参数，SM2是网络A，B的S参数。利用式（8），在Matlab中编程，便可求出所需要的S21参数、G参数，NF参数。

图6 常温下噪声系数测试

当然噪声仪测试出的参数是整个测试系统的参数，需要结合多工器的S参数联合Matlab编程，来除去整个测试网络中不需要的网络带来的噪声，如多工器、同轴微带转换网络等，才能获得测试件的噪声系数。

图6测试的是常温下的噪声系数，图6（a）为静态工作点VDS=2V，ID=10mA时的不同频率下的噪声系数，这种晶体管的噪声系数很低，一般用来设计低噪声放大器。图6（b）中同一频率下，变化是的噪声系数。其中，红色曲线为生产厂商提供的噪声系数，黑色曲线为测试出的噪声系数。

一般情况下，当噪声系数（NF）较小时，通常用噪声温度（T）来表示噪声系数。最终的噪声温度见图7（b）。上述测试结果是在VDS=2V，f=12GHz，噪声系数随着IDS的变化所体现的变化。当温度变化大时，噪声系数变化明显，如图7所示。

图7 30K低温下噪声测试

文献[8]指出，噪声系数是一个统计参数的测量，不像其他参数（如电阻、电压）那样能够精确地测量。产生这种情况的原因除了测试电路的噪声之外，更主要是所选用的测试方法。从上述的测试过程来看，器件的噪声参数误差主要有两个来源：校准NF50引起的误差（阻抗失配误差）；S参数测量引起的测量误差。而NF50的校准参数来源于原供应商所提供的参数，为固定值，但它会随着测试环境的改变稍微发生变化，会给测试结果带来一定的影响。S参数测量包含多项器件的测量参数，它是由多项误差共同引起的。后期的噪声系数提取算法中的精度也会给噪声系数获取带来影响[9]。

3 结束语

噪声参数，特别是许多低噪声器件，其测量不像其他参数（如电阻、电压）那样能够精确地测量。产生这种情况的原因除了测试电路的噪声之外，更主要的是与所选用的测试方法有关。所以，其噪声系数的测量，只能说是测试出一种符合统计特性范围内的参数，不会像其他电参数那样准确。

[1]王明网，魏同立.低温半导体器件模拟软件包[J].半导体学报，1996，17（10）：762-768.

[2]陈荣飞.极低温微波半导体开关探索研究[J].低温与超导，2011，39（1）：71-75.

[3]David MP.微波工程[M].张肇仪，译.3版.北京：电子工业出版社，2006：420-490.

[4]谭振新，薛晨阳，史伟莉，等.偏压对HEMT嵌入式微加速度计电学参数的温度特性影响[J].仪表技术与传感器，2011（1）：15-17.

[5]张尚武，庞伟正.多信道微带频分器设计[J].应用科技，2007，5（34）：20-23.

[6]刘章文.微波BJT_FET器件噪声特性测量的研究[D].成都：电子科技大学，2006.

[7]刘章文，古天详.微波BJT器件噪声参数的提取[J].电子学报，2004，32（8）：1396-1398.

[8]Davidson A C，Leake B W，Strid E.Accuracy improvements in microwave noise parameter measurements[J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech，1989，37（12）：1937-1977.

[9]张小玲，谢雪松，吕长治，等.AlGaN/GaN HEMT器件的高温特性[J].微电子学与计算机，2004，21（7）：7.

Noise parameter extraction of HEMT transistors at extremely low temperature

LIU Ying1，YANG Kai2
（1.Aviation Engineering Institution，Civil Aviation Flight University of China，Guanghan 618307，China；2.College of Aeronautics and Astronautics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China）

In orderto extractthe noise parametersofHEMT transistorsatextremely low temperature， an embedding network and de-embedding technology has been adopted.A multiplexer was embedded into a test network to provide active devices with different frequencies of power during the test.At the same time，the multiplexer was connected with a through calibration module to obtain multipleSparameters in the embedded network based on the relationship between noise figures and transmission gains.And HEMT transistor noise figures（NF）were calculated via MATLAB programming，achieving the extraction of noise parameters at low temperaturesand offeringa powerful technicalsolution formicrowavecircuitdesign atlow temperatures.

low temperature；multiplexer；embedded network；HEMT transistor；NF extraction

A

：1674-5124（2015）05-0026-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.007

2014-09-21；

：2014-11-17

刘 英（1982-），女，四川成都市人，研究方向为低温下微波部件参数测试。