RF-LDMOS器件宏模型研究*

顾新艳，孙陈超，刘斯扬（1.南京工程学院汽车与轨道交通学院，南京 11167；.东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心，南京 10096）

近年来，射频横向双扩散金属氧化物半导体晶体管（RF-LDMOS）以其高增益、高线性度等优势，被广泛地应用于GSM/CDMA移动通讯基站、数字广播电视发射和射频通讯等领域［1］。RF-LDMOS作为射频电路仿真的基本要素之一也显得越来越重要。

射频器件的特性曲线一般都是通过在片器件的测试得到的，但是在实际应用中分立的射频器件越来越多地被使用。在频率高于30 MHz甚至达到100 GHz的时候，任何细小的变化都会引入意想不到的寄生参数，因而分立器件的封装相较于在片器件而言就会引入其他参数，这就迫切的需要一种针对封装射频器件的建模及提模方法。但是，目前为止鲜有论文涉及到封装RF-LDMOS器件的模型研究。

本文以分立的RF-LDMOS器件为研究对象，提出了精确的直流特性和射频特性宏模型建模方法［2-3］，通过提模软件MBP对测试数据进行拟合验证发现，该宏模型建模及提模方法对高压射频分立器件模型参数的获取具有一定的参考价值。

1 RF-LDMOS器件建模

1.1 直流特性建模

RF-LDMOS器件与普通MOS器件的区别在于RF-LDMOS器件存在一个低掺杂的漂移区结构［4］。由于漂移区的存在使RF-LDMOS器件相较于普通MOS器件多出了准饱和效应［5］、负阻效应［6］等一些特殊特性。这造成仅仅使用标准的BSIM3V3模型进行RF-LDMOS器件的直流特性提模验证变得不再准确。

根据RF-LDMOS器件的以上特点，本文提出了一种基于BSIM3V3的宏模型建模方法。该方法主要利用结型场效应管（JFET）模拟准饱和特性［7］，利用压控电阻Rdr来模拟负阻特性从而达到建模目的［8-9］。图1为基于BSIM3V3的宏模型结构。

图1 基于BSIM3V3的宏模型结构

由于漂移区电阻受栅压与漏压的影响，图1中漂移区压控电阻Rdr的建模公式如下。

直流特性的宏模型SPICE网表如下，其中MOS管模型与JFET模型分别以BSIM3V3模型和JFET模型为基础。

上述SPICE网表中d、d1、d2、g、s为电路节点，“.para”主要是用于参数定义，“.subket”主要是用于描述宏模型结构，“.model”主要是成熟的MOS与JFET器件模型。

1.2 射频特性建模

目前对于器件的射频特性建模多以宏模型建模为主，但大多是关于在片器件的宏模型建模［10］，而这些方法大致雷同。本文在此基础上提出一种考虑了封装特性的射频器件宏模型建模方法。图2所示是考虑了封装特性的射频LDMOS建模结构。图2中虚线框中的是在片器件的宏模型建模结构，虚线框外围部分是封装结构相对于在片器件所引入的寄生参数。

图2中射频特性的宏模型建模网表如下：

上述 SPICE网表中 g、g_i2、g_i1、gx、g_i、d_i、s_i等都是电路节点，中心LDMOS模型用上节中描述的直流特性宏模型。

图2 RF-LDMOS的宏模型结构

2 RF-LDMOS模型参数提取

本文选取的建模目标RF-LDMOS器件结构如图3所示。器件的主要参数如表1所示，通过测试器件的Ids_Vds，Ids_Vgs和器件的射频S参数，利用MBP软件对该器件进行模型参数的提取。

图3 射频LDMOS的器件结构

表1 器件的主要结构及参数

2.1 直流参数提取

直流参数主要是基于MBP软件，通过拟合Ids_Vds，Ids_Vgs的仿真与测试数据得到。表2所示为上述器件直流特性的主要模型参数。

表2 直流模型参数

2.2 射频参数提取

图4所示的是图2中封装RF-LDMOS器件整体的小信号等效电路［11］。

图4 封装器件的小信号等效电路

射频器件模型参数的提取可以分为外围寄生电阻、电感、电容的提取，本征部分模型参数以及衬底阻抗网络部分模型参数的提取。

如图4所示，虚线框中为封装RF-LDMOS器件的本征参数部分，其余皆是封装器件的寄生参数部分。其中 Rpg、Lpg、Cpgs、Rpd、Lpd、Cpds、Rps、Lps为封装结构引入的寄生参数，Prg、Plg、Prgd、Pld、Prs、Pls为封装内部PAD与金属线引入的寄生参数。

2.2.1 寄生参数提取

首先，采用Cold FET法提取外围寄生参数［12-13］，Cold FET法即零偏条件下（Vgs=0，Vds=0），测出两端口的Z参数。利用Z参数与本征外围部分的关系，得到外围寄生部分的参数值。图5所示为封装RF-LDMOS器件零偏时的小信号等效电路图。

根据上图，我们可以推出：

图5 零偏时的小信号等效电路图

基于在零偏条件下测试得到的S参数，利用MBP处理数据可以得到射频寄生参数。

2.2.2 本征部分参数提取

去除外围的寄生参数，可以得到本征部分的S参数，根据以下公式可以得到本征部分模型参数。

射频模型参数的提取可以通过参数拟合得到，利用MBP软件可以将测得的S参数转化为Y参数。图6所示，通过拟合Y参数的仿真与测试数据［14-15］可以得到射频特性模型参数。表3所示为器件射频特性的模型参数。

图6 仿真曲线与实测曲线的拟合对比

表3 射频模型参数

3 模型验证

直流特性模型验证与射频特性模型验证

图7所示是选取器件的直流测试曲线与仿真曲线对比结果。

利用得到的参数进行模型仿真，小信号模型仿真结果与实际测试结果对比如图8所示。

从拟合程度来看，无论是直流特性还是射频特性，所建立的RF-LDMOS器件模型的平均误差在5%范围内，能够准确的反映器件的电学特性。

图7 RF-LDMOS直流参数曲线对比

图8 S参数仿真与测试曲线对比

4 总结

本文从分立射频器件的建模角度出发，分别对封装RF-LDMOS器件的直流特性与射频特性进行了宏模型研究，提出了一套针对射频分立器件的宏模型建模与提模方法。基于选定的一款RF-LDMOS器件，运用提模软件MBP对其进行了直流与射频参数的提取，并对模型进行了验证。验证结果显示模型的平均误差在5%范围内，因此，本文提出的宏模型能够准确的描述射频RF-LDMOS器件的电学特性。

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顾新艳（1977-）女，汉族，江苏常州，南京工程学院，讲师，硕士，主要从事电子电气自动化方面的教学与研究，zdhxgx⁃iny@njit.edu.cn。