【摘 要】
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作为第三代半导体材料,氮化镓（GaN）以其高电子迁移率、高热导率等优势,更能满足通信设备、雷达系统等日益增长的器件大功率输出等特性需求。因此,GaN器件被广泛应用到功率放大器、振荡器、乘法器等大信号电路中。而晶体管模型作为电路设计中最基础、最重要的器件,其模型的准确性对于电路系统的性能至关重要。本文首先介绍了GaN的材料特性、器件及小信号、大信号模型发展的历史,总结了不同GaN高电子迁移率晶体管（
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作为第三代半导体材料,氮化镓（GaN）以其高电子迁移率、高热导率等优势,更能满足通信设备、雷达系统等日益增长的器件大功率输出等特性需求。因此,GaN器件被广泛应用到功率放大器、振荡器、乘法器等大信号电路中。而晶体管模型作为电路设计中最基础、最重要的器件,其模型的准确性对于电路系统的性能至关重要。本文首先介绍了GaN的材料特性、器件及小信号、大信号模型发展的历史,总结了不同GaN高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor,HEMT）大信号模型的建模方法。然后介绍了GaN HEMT的基本原理及建模要求,为建立准确的GaN HEMT大信号模型提供了理论基础。主要的研究内容如下:首先建立了GaN HEMT小信号等效电路模型;然后基于改进的Angelov I-V模型进行经验基大信号模型的建立,分别进行了I-V模型、热阻参数、陷阱效应及C-V模型相关参数的提取;最后在Advanced Design System（ADS）中建立符号定义模型（Symbol Definition Device,SDD）模型进行大信号模型的验证。发现在大功率输入条件下,模型对功率附加效率（Power Added Efficiency,PAE）的预测值要高于测试数据。针对这一点对大信号模型中原本的寄生参数sR和dR进行了研究分析,分别介绍了空间电荷限制条件及非线性电阻模型,并将非线性电阻模型嵌入到所建立的大信号模型,用栅长0.25μm,栅宽2×200μm、2×250μm、4×200μm、4×250μm的GaN HEMT器件的测试数据进行了模型的大信号验证和缩放性验证,并定义了模型的均方误差（MSE）进行比较分析。对比结果表明,嵌入非线性电阻模型的PAE预测值MSE低于原始模型;尤其是当输入功率为25d Bm～30d Bm时,改进模型的MSE分别为0.052、0.605、2.995、2.962,远远低于原始模型的MSE。证明,在大功率输入条件下,非线性电阻的嵌入能够明显提高模型PAE预测值的精度;并且在缩放模型方面,嵌入非线性电阻的经验基大信号模型与原始模型相比,也有着较好的准确性。综上,嵌入非线性电阻的经验基大信号模型能够很好地表征GaN HEMT大信号输出特性,并且可以应用于较宽尺寸的器件缩放,适用于建立准确的GaN HEMT器件模型。
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