InGaP/GaAs HBT的晶体管结构和器件ADS仿真模型

InGaP/GaAs HBT的晶体管结构

为了制造RFIC电路，必须遵守由代工厂（foundry）提供给设计者的一套严格的设计规则和器件模型。 在InGaP/GaAs HBT技术情况下，代工厂（foundry）的设计规则给设计者一套完整的布局规则，实际上它告诉了芯片设计者代工厂（foundry）的晶圆制造设施和制造设备遇到了什么物理限制。 例如，要求特定金属层的最小线宽的设计规则是在通知设计人员代工厂（foundry）的光刻设备对该特定layout层的分辨率限制。

设计规则向设计师保证，他或她的RFIC设计可以按照设计要求的尺寸和公差来制作。 为了确保设计信息以最明确的方式传达给代工厂（foundry），代工厂（foundry）和设计师必须商定一套共同的单位，以确保设计数据的清晰交流。 以下是一组普遍接受的单位，GaAs HBT代工厂（foundry）（也包括大多数其他技术的代工厂）。

1. 间隔尺寸以微米或µm测量(1E-6m)。

2. 计算机辅助设计(CAD)布局工具中使用的最小网格是

0.5µm。

3. 电容用pF或fF为单位计量。

4. 电感量以nH为单位计量。

5. 电阻以欧姆为单位测量。

代工厂（foundry）通常由两种不同的IC制造结构。 第一组结构涉及制造晶体管所需的所有层。 第二组结构包括构成金属互连、电阻、电容器和电感的所有金属和介质层。

在晶体管制造方面，每个代工厂（foundry）在晶体管布局和制造方面都是独一无二的，即彼此互不相同。 一些代工厂（foundry）将允许设计师完全控制晶体管的设计几何形状，而其他代工厂（foundry）实际上只是直接提供一个包含所有必要的层，以制造一个单指发射极晶体管的单元。 在单元晶体管的情况下，设计者可以自由地通过并行连接这些贴花般“单元”晶体管来制造更大的晶体管。 这是一种非常常见的方法，一些代工厂（foundry）只是为设计者提供了一个“虚拟”单元（“dummy” unit cell），它的所有输入和输出都在适当的位置。 在这种情况下，在制作掩膜（mask）时，代工厂（foundry）将读取到每个虚拟单元所需的所有层，以制造驻留在虚拟单元中的单元晶体管。

让我们回到晶圆制造工艺的开始，看看晶体管是如何处理的。 第一步称为外延层（epitaxial layer）在晶片顶面的沉积。 “外延（epitaxial）”一词来源于拉丁词“表皮（epidermis）”，意思是皮肤的外层，“taxial”指的是晶体。 实际上，“外延”是指“晶体的外层”，这正是它的本质。 只有外延晶片的非常薄的顶部表面是导电的，但正是这些薄层完全决定了将在晶片上制造的晶体管的电学特性。 晶片本身是半绝缘的，这意味着它的电导率很低，这实际上使得它的行为像绝缘体，如玻璃或石英那样。 在这种绝缘基板上，沉积了几（5）个导电层，如图1所示。 底层是N+型GaAs子集电极（subcollector），接下来一层是N型GaAs集电极，再上一层是P+型GaAs基，上一层是N型InGaP发射极，最顶层是N+型GaAs发射极接触。 由于InGaP发射极层的存在，这一过程形成的晶体管被称为异质结双极晶体管(HBTs，heterojunction bipolar transistors)。 HBT具有优良的高频电特性，使其成为在无线通信频率下工作的射频集成电路的理想器件。

GaAs HBT RFIC电路的初始光刻晶圆制造-对HBT器件本身进行图案化和制造的分析。 这一工艺过程涉及到一系列步骤，包括对晶圆的外延层进行选择性蚀刻。 将这些层蚀刻成具有适当的长度和宽度尺寸的集电极、基极和发射极结构的介面结构，然后在相应的半导体层顶部形成图案并沉积以形成金属接触层。 成品晶体管结构如图2所示，包括所有接触金属。 代工厂（foundry）为设计师提供布局“应用”，其中包括所有必要的层，用于图案化和制造单指发射极（single-emitter-finger）的晶体管单元。 在每个晶体管单元的外围是第一金属(M1)垫，在那里连接到必须制作的更大的电路上。 较大的晶体管是通过组合许多晶体管单元来制造的，以便创建一个满足设计要求的发射极指数适当大小的器件。

图1、GaAs HBT晶圆的横截面：显示出了与晶体管结构相关的各种外延层

一旦所有晶体管和二极管（只使用晶体管的基极到发射极结，而把集电极和基极端子硬连接在一起的器件）都被制造出来，任何剩余的外延层材料都会被剥离，暴露出裸GaAs半绝缘基板，为沉积金属和绝缘体做准备，这些金属和绝缘体将定义RFIC内的所有无源和互连组件。

图2、InGaP/GaAs 异质结双极晶体管的截面示意图

InGaP/GaAs HBT的晶体管器件的ADS仿真模型

InGaP/GaAs HBT器件利用了两种可能的器件的大信号电气模型。 大信号模型使设计人员能够真实地模拟实验室中可以测量的所有设备和电路性能参数。 这些模型中最古老的是Gummel Poon模型，以及最近的VBIC模型。 Gummel Poon模型最初是用于单单元硅双极性器件中的。 它是一种优良的模型，广泛应用于各种器件和材料技术中的双极性电路设计中，但它有一些缺点与GaAs HBT器件有关。 Gummel Poon模型的第一个局限性是缺乏一种解释自热效应的方式。 在硅器件中，这不是一个主要因素，因为硅器件具有高热导率，但是对于GaAs器件，这是一个不同的故事。 GaAs器件经历了相当大的自热影响，这是由于这种材料的低导热率的直接后果。 这意味着GaAs HBT晶体管在接近其最大功率额定值时将经历显著的温升。 这种温升将影响元件在模型中的等效电路中，如果不考虑，则可能被证明它将会导致模拟电路与实验测量相比产生重大误差。 Gummel Poon模型的第二个缺点是无法模拟晶体管在雪崩击穿边缘的电学行为。 当电子和空穴从器件的内部电场中获得足够的能量，从而导致链式反应发生时，就会发生雪崩击穿，释放出额外的电子和空穴，从而增加额外的电流增长。 通常如果不严格区分的话,这种将破坏器件的雪崩电流现象称为击穿。 如果只在每个射频周期的峰值上接近击穿，这种现象可以作为波形修正机制，将会对HBT器件在大信号电平上工作时的非线性行为产行贡献。 与自热一样，在Gummel Poon模型中没有考虑击穿现象。 开发人员开发VBIC模型的目的是要纠正Gummel Poon模型中的这些缺陷，并为所有类型的GaAs HBT晶体管创建一个更精确的模型， 图3是一种用于发射极面积为15μm X 2µm的单指单元器件单元的通用的Gummel Poon模型，类似单元单元设备的通用VBIC模型如图4所示)。 模拟的DC IV曲线和每个模型的小信号s参数如图3和图4所示。 这些通用的器件模型被用来模拟许多电路，这些电路将在后面的章节中介绍。 通用模型描述了与当前芯片代工器件非常相似的器件行为。 在仿真模拟中，大晶体管可以方便地调整大小：要么在模拟器的原理图中并行连接一些单元，要么只需增加晶体管的原理图符号中的面积（以发射极指的整数数目为单位），如图5所示的ADS原理图符号所示。 这些大信号器件模型为设计者提供了所有必要的信息，以准确地模拟晶体管行为来仿真模拟直流条件、小信号射频条件和大信号射频条件（包括几种非线性度量）。 非线性器件行为的建模在PAs（射频放大器）的设计中至关重要。 Gummel Poon和VBIC模型都包含热噪声和1/f噪声的建模方法。

图3、仿真原理图：使用Gummel Poon器件模型生成双极晶体管直流IV曲线的ADS仿真原理图

图4、ADS中的BJT_Model 模型

BJT_Model提供BJT器件的值（BJT4器件包括基极端子），该模型根据Gummel和Poon的积分电荷控制模型改编而成，它在高偏置电平下具有多种影响。如果未指定Gummel-Poon所需的某些参数，它将简化为更简单的Ebers-Moll模型。

修正的Gummel-Poon BJT的直流特性定义为：

Is，Bf，Ikf，Nf，Ise和Ne，它们确定正向电流的增益特性。

Is，Br，Ikr，Nr，Isc和Nc，它们确定反向电流的增益特性

Vaf和Var，它们确定正向区域和反向区域的输出电导。

Is（饱和电流）； Eg和Xti部分确定Is的温度依赖特性。

Xtb确定了基极电流的温度依赖性。

Rb，Rc和Re是欧姆电阻； Rb与电流有关。

非线性耗尽层电容取决于：

Cje，Vje和Mje适用于基极-发射极结。

Cjc，Vjc和Mjc适用于基极-集电极结。

Cjs，Vjs和Mjs适用于集电极-衬底结（如果是垂直BJT），或者用于基极-衬底结（如果是横向BJT）

集电极或基极到衬底的结点被建模为PN结。

衬底端子

由五个模型参数控制衬底结的建模：Cjs，Vjs和Mjs对非线性衬底结电容进行建模； Iss和Ns为非线性衬底的P-N结电流建模。

使用BJT4_NPN或BJT4_PNP器件时，请根据需要明确连接基板端子。当使用3端子BJT_NPN或BJT_PNP器件时，基板端子默认是接地的。如果未指定衬底模型参数Cjs和Iss，则这不会影响仿真，因为它们默认为0。

横向参数模型会改变基板结的连接方式。在其默认设置为no的情况下，衬底结模拟了一个垂直双极晶体管，其中衬底结连接到集电极。当“横向”设置为“是”时（Lateral=yes），对横向双极型晶体管进行建模，将衬底结连接至基极。

图5、仿真单个单元Gummel Poon HBT器件模型的DC IV曲线

图6、使用Gummel Poon HBT器件模型模拟的单个单元的S参数

VBIC模型可以指定环境温度的模型，就像这两种模型中的任何其它变量一样， 这种功能使设计人员能够检查特定设计在极端温度下的工作能力； 这是在这类大信号器件模型中所提供的一种重要的能力，在设计LNAs和低相位噪声VCO以及射频功率放大器时至关重要。

图7、使用VBIC器件模型生成双极晶体管直流IV曲线的ADS原理图

图8、单个单元HBT的通用VBIC大信号可缩放的器件模型

图9、模拟单个单元的VBIC HBT器件模型的DC IV曲线