２０１３年第ｇ期
文章编号：１００９—２５５２（２０１３）０９—０１３５—０５ 中图分类号：ＴＮ９１１．７ 文献标识码：Ａ
一种新颖的ＨＥＭＴ小信号模型参数直接提取方法
吕 瑛 ，康星朝
（１．西北工业大学明德学院电子信息工程系，西安７１００００； ２．中国通信建设第ｚ．３－程局有限公司，西安７１００００）
摘要：建立了一套完整的直接提取高电子迁移率器件（ＨＥＭＴ）小信号模型等效电路参数的新 方法。采用Ｏｐｅｎ去嵌图形对器件寄生电容进行近似提取，避免了ＣｏｌｄＦＥＴ方法提取的寄生参数
为负值的现象；通过Ｙｏｎｇ Ｌｏｎｇ方法对寄生源电阻进行提取，减少了模型参数提取复杂度。与其
它文献报道的小信号模型参数提取方法相比，该方法物理意义简明清晰，提取速度快，并且对 新材料、新器件结构有较强的实用性。
关键词：参数提取；高电子迁移率器件（ＨＥＭＴ）；小信号模型
Ａ ｎｏｖｅｌ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒ．ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ
ＨＥＭＴ ｓｍａｌｌ—ｓｉｇｎａｌ ｍｏｄｅｌ
ＬＶ Ｙｉｎｇ ．ＫＡＮＧ Ｘｉｎｇ—ｅｈａｏ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｍｉｎｇｄｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ Ｐｏｌｙｔｅｅｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉ’ａｎ ７１００００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ Ｉｎｔｎａｍｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏ．ｏｐｔｉｏｎ，Ｘｉ’ａｎ ７１００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ—ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｈｉ．ｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ（ＨＥＭＴ） ｓｍａｌｌ—ｓｉｇｎａｌ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ
ｏｐｅｎ ｄｅ—ｅｍｂｅｄｄｉｎｇ ｐａｄｓ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｉｍｐｒａｃｔｉｃａｌ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ＣｏｌｄＦＥＴ ｐａｒａｍｅｔｅｒ— ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｓｏｕｒｃｅ ｒｅｓｉｓｔｏｒ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ Ｙｏｎｇ Ｌｏｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
ｗｈｉｃｈ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ ｃｌｅａｒ ａｎｄ ｃｏｎｃｉｓｅ ｉｎ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ，ｖｅｒｙ ｆａｓｔ ｉｎ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ
ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ ｆｏｒ ｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ；ｈｉｇｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＨＥＭＴ）；ｓｍａｌｌ—ｓｉｇｎａｌ ｍｏｄｅｌ
０ 引言
高电子迁移率晶体管（ＨＥＭＴ）通过异质结界面
的导带不连续性，产生具有高电子迁移率和饱和漂
移速度的二维电子气，其作为单极型器件表现出高 电子迁移率、低噪声、低功耗及高增益等特点，在高 速、高频等应用领域中占据重要的地位 Ｉ４ Ｊ。准确
的器件模型是工艺研制和集成电路设计的纽带，其
对工艺进行监测和指导，提高了集成电路设计的成
功率、缩短了电路研制周期。小信号模型作为大信 号模型及噪声模型的基础，可以分析器件固定偏置
状态下增益、阻抗、噪声等特性，因此有效的小信号
参数提取方法不仅对器件的研究有指导意义，更是 建立器件模型及电路设计必不可少的步骤。
小信号等效电路是用一定数目的集总元件来表 征器件的整体性能，模型的复杂度和精确度需要根
据器件物理结构和模型应用的具体要求来定。小信
号等效电路参数的提取主要分为直接提取和参数优 化的方法。参数优化方法根据特定条件的参数初始
值，按照一定条件确定各种参数之间的大小关系并
进行参数优化，最后根据误差函数来确定这些参数
是否达到预设的优化目标。计算量很大，优化与参
收稿日期：２０１３—０１—２７ 作者简介：吕瑛（１９７８一），女，硕士，从事通信信号处理以及集成电 路方面的研究。
一
ｌ３５— 数的初始值密切相关，不准确的初始值会造成错误 的提取结果。直接提取法则基于多种｛贝４试手段和物
理结构的假设近似等方式，直接提取某一个或者几 个参数，然后通过方程求解其他相关参数，提取过程
无需引入繁琐的数学优化过程，提取速度快，并且具
有比较好的精度和较宽频带范围的适用性，同时其 能比较直观地反映器件物理本质，得到的参数可以
直接对比不同器件之间区别和优劣，用于监控工艺
过程中参数变化和开发新的工艺和器件结构，直接 提取方法是较好的计算方法。
外围寄生电容参数的提取是小信号参数提取的 第一步，外围参数的精度直接影响到进一步的参数
提取准确度，从而影响内部本征参数数值计算的正
确性，所以需要采取合适的方法进行外围寄生参数 的提取。传统寄生参数提取主要是基于ＣｏｌｄＦＥＴ方
法，其广泛应用于ＭＥＳＦＥＴ器件寄生参数的提出， 而对于一些新材料及新结构则需要进行一些改进。
例如为了提高击穿电压，通常漏栅间距大于源栅间
距，这与传统的源漏对称器件存在一定的偏差，参数 提取时一些近似假设就不成立。本文对传统Ｃｏｌｄ—
ＦＥＴ提取法进行改进，通过Ｙｏｎｇ Ｌｏｎｇ方法提取寄 生电阻，通过Ｏｐｅｎ去嵌图形进行寄生电容的提取。
１ ＨＥＭＴ小信号模型的等效电路
当器件直流偏置点被设定为某个固定电流电 压，且信号源输人幅度可以跟ｋＴ／ｑ相比拟或比直
流工作电压小得多的情况下，可认为器件工作在小 信号模式。此时器件特性可以用一系列的集总参数
元件来描述，可以用形象的等效电路拓扑来表示，模 型中各个部分都有其相对应的物理含义，和器件实
际工作状态是一一对应的，因此是分析器件各个部
分对整体性能影响的重要工具。 传统的ＨＥＭＴ小信号模型的等效电路原理图 如图１所示。其包括两部分：本征参数和非本征参
数。本征参数为虚线框内部分，其随着偏置变化。 受控电流源表征器件栅压控制的源漏沟道电流，Ｒ
为沟道电阻，沟道电容Ｃ 表征沟道源漏两端电子浓
度不同形成的电容。栅金属与半导体接触所形成的 肖特基结分成两部分，一部分为栅源间（ ｒ、 、ｃ ）
肖特基结，另一部分为栅漏间（ ｃ ）肖特基结。
ｃ 和ｃ 表征栅与源漏端沟道的电容耦合，其值取 决于栅下面耗尽区分布。 ｒ、Ｒ 分别表示栅源间和 栅漏间漏电。跨导中的延迟因子：分布效应使得沿 着栅宽方向耗尽层宽度不同，沟道层电子将对势垒
区的栅极电容充电，因此会形成一定的延迟。
非本征参数为图中虚线框外面部分，主要是寄
一１ ３６一 图ｌ Ｉ－ＩＥＭＴ小信号等效电路原理
生电容（Ｃ Ｃ ）、电感（￡ 、Ｌ ）和接触电阻（Ｒ
扑 ），且不随偏置的变化而变化。对于高频器件
来说，器件接触部分都应该看着分布传输线。其中 寄生电感和寄生电阻主要用来表征分布传输线的相
位延迟和损耗。随着线变窄，传输线损耗增加，寄生 电阻增加。同时接触之间也会有寄生电容存在，因
此需要在栅漏和源之间加寄生电容。
２参数提取理论
ＨＥＭＴ器件小信号模型参数提取过程分四步。 第一步提取器件的源寄生电阻，其在小信号模型参 数提取过程中影响其他参数的提取，因此其准确性 直接影响到整个模型参数的精度；第二步提取器件
的寄生电容、电感参数。寄生参数值通常较小，但是
其作为外围寄生参数，其精度影响到进一步的本征 参数数值计算的正确性，在ＨＥＭＴ器件小信号模型 电路参数的提取过程中十分重要；第三步是在前两
步的基础上，将寄生电容、电阻和电感去掉得到器件 的本征模型并运用电路网络理论得到本征电路的各
参数值；最后是对提取参数按照误差函数对其进行 局部优化，得到各项指标拟合较好的小信号模型。 ２．１源电阻尺 提取 根据公式（１）提取栅肖特基接触势垒的理想因 子ｎ和反向饱和电流 ，此时器件漏电压ｖｏｓ＝０Ｖ。
考虑到栅肖特基接触势垒反向偏置时，反向扩散电 流比较小，而反向电压会增加势垒区电场从而增加
产生率；正向电压过小时，复合电流占主要位置，理 想因子接近２；随着正向电压增加，指数项增加，扩
散电流为主，增加过大会造成大注入现象，从而使得 正向压降落在空穴扩散区，并且此时串联效应比较
明显，电流与电压成线性关系。理想因子／７，与反向 饱和电流，｜提取时，正向电压需要根据不同的材料
具体确定，一般为１～１０倍的热电压。
（ ）＿Ｉｓ【ｅｘｐ（ ）一１】 （１）
采用Ｙｏｎｇ Ｌｏｎｇ方法 对寄生源电阻进行提
取，根据假设沟道电流远远大于栅电流；沟道电阻均
匀分布，不依赖于具体位置。栅电流如式所示，其中 △ 表示由于沟道上电压变化给， 或 所带来的 误差，△Ｖ＝ｎ・ ・Ｉｎ（Ｆ）。漏电压从Ｉ１变为Ｉ２，栅
电流保持不变，寄生源电阻可由式（３）求得。
Ｉｓ＝ＷｌｇＪ，ｅｘｐ（（ — ＋ＡＶ）／ｎ。 ） （２） Ｒ ＝（Ｉ， 一 １＋凡・ＹｔＩｎ（Ｆ２／Ｆ１））／（１２一Ｉ１）
（３） 其中，Ｆ＝（１一ｅｘｐ（一“））／ｕ； ＝Ｖｄｓ’／（１＇ｔＴ） ），Ｖｄｓ’ 为栅下沟道源漏电压。当Ｖｄｓ’＞７ｎＶ，且１２／１１＝
１．１时，Ｉｎ（Ｆ２／Ｆ１）＝０．９０９；同时前面假设沟道电阻
均匀分布，因此测试时漏源电压应该足够小使得器
件偏置在线性区。
（ａ） ２．２寄生参数的提取 传统寄生电容的ＣｏｌｄＦＥＴ提取方法 ，栅源电 压 偏置在截止电压以下，且漏电压 ＝０Ｖ，认
为栅下源端和漏端产生的耗尽层厚度几乎相同，两
个电容相等，此时器件等效电路如图２（ａ）所示。在 低频下，电感和电阻的影响几乎可以忽略不计，从而
得到如图２（ｂ）所示的等效电路，用ｌ，参数可以求解
出寄生电容，但使用该方法进行参数提取时，发现容 易出现负值，可能是由于器件在截止状态下栅端等
效电路不能完全反映出器件实际物理特性，而且 ＨＥＭＴ器件栅下本来就存在很强的肖特基特性，虽
然是截止状态，但仍然会有少量电流通过从而影响 了电容的提取，同时对于新型结构器件，为了增加器
件击穿电压，栅漏间距通常大于栅源间距，这样器件 本身就非对称，因此图２（ａ）中的近似将不成立，
ＣｏｌｄＦＥＴ方法将不适合特定材料及其器件结构的寄
生电容参数提取。
汗
图２ ＜ ， ＝０Ｖ时。ＨＥＭＴ器件等效电路
采用与器件外围结构相同但是没有内部有源区 的开路去嵌图形，进行外围寄生电容参数的提取，在 进行器件验证的时候就需要把整个器件看成一个整
体进行模型的验证。经过检验这是一种很实用的方
法，并且模型参数的提取也很准确。图３为开路去 嵌图形的等效电路。
１
图３开路去嵌图形等效电路
根据二端口网络计算可以得到等效电路的ｌ， 参数表达式：
ｌｍ（ １）＝Ｗ（ｃ ＋ｃ础） （４）
ｌｍ（Ｙ１：）＝ｌｍ（ ）＝一ｗＣｇｄ． （５）
（ ）＝ （ ＋ｃ曲） （６）
根据式（４）一（６）可以计算出外围寄生电容 ｃ 、 如和ｃ础的数值分别为：
ｃｇｄａ：一 （７） 乙 一——— ■一 Ｌ
： 一Ｃ础 （８）
： 一Ｃ础 （９）
去除外围寄生电容参数后，采用ＣｏｌｄＦＥＴ技术 对源电阻以外其他寄生电阻和寄生电感进行提取。
器件栅电压 ＞ 且 ｌＤｓ＝０Ｖ偏置下，测量器件的 ｓ参数。为了消除ＨＥＭＴ器件栅肖特基电容效应，
需要施加很大的正向栅电压使得Ｓ。 曲线处于感性
范围，忽略等效电路中电容的影响以利于电感和电
阻的提取，当然栅偏压应该在安全工作范围，不应给 器件肖特基造成不可逆的损伤。
首先将器件正向偏置下的Ｓ参数转化为Ｙ参
数，并除去寄生电容的影响得到 ，在ＣｏｌｄＦＥＴ ｆｏｒ－
ｗａｒｄ偏置状况下，ＨＥＭＴ器件肖特基栅下采用分布
一１
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