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表面通道型混頻肖特基二極管三維電磁仿真模型建模方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510514653.6

申請日:

2015.08.20

公開號:

CN105205211A

公開日:

2015.12.30

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 17/50申請日:20150820|||公開
IPC分類號: G06F17/50; G06T17/00 主分類號: G06F17/50
申請人: 電子科技大學
發明人: 張波; 錢駿; 紀東峰; 楊益林; 劉戈; 牛中乾; 閔應存; 高欣; 李樹丹; 樊勇
地址: 611731 四川省成都市高新區(西區)西源大道2006號
優先權:
專利代理機構: 電子科技大學專利中心 51203 代理人: 李明光
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510514653.6

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.06.19|||2016.01.27|||2015.12.30

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明提供一種表面通道型混頻肖特基二極管三維電磁仿真模型建模方法,首先建立二極管層次結構物理模型;然后根據二極管裝配工藝在三維模型仿真軟件中模擬安裝二極管于傳輸線上;再然后根據傳輸線和二極管結構設置傳輸線端口和各二極管波端口,最后將設置好的模型參數與電路仿真參數結合得到三維電磁仿真模型。本發明方法中每個二極管管芯單獨設置一個陽極波端口和一個陰極波端口,使實際二極管,二極管三維電磁仿真模型,二極管電路SPICE參數模型三者保持一致,相較于現有模型更接近實際工作情況;并且本發明建模方法中二極管波端口形狀及尺寸能夠根據二極管結構進行調整,使得本發明該建模方法適用于200GHz-500GHz多種表面通道型混頻肖特基二極管。

權利要求書

權利要求書
1.  表面通道型混頻肖特基二極管三維電磁仿真模型建模方法,包括以下步驟:
步驟1.根據表面通道型平面二極管技術的肖特基二極管經典物理構成模型,并對比真實表面通道型平面二極管結構建立二極管層次結構物理模型;
步驟2.根據二極管裝配工藝在三維模型仿真軟件中模擬安裝二極管于傳輸線上,采用電磁場仿真軟件HFSS建立二極管模型并采取反向倒貼的安裝方式將二極管固定于懸置微帶線上,形成反向并聯封裝結構平面肖特基二極管模型;
步驟3.根據傳輸線和二極管結構設置各波端口,在反向并聯封裝結構平面肖特基二極管模型兩端分別設置傳輸線端口,并分別設置反向并聯封裝結構平面肖特基二極管中兩個管芯的波端口,每個管芯波端口設置為:陽極波端口設置于陽極結所在平面,波端口封閉并環繞陽極探針,陰極波端口與陽極波端口設置于同一平面,根據二極管形狀,選取與二極管陽極探針相鄰的歐姆接觸面邊沿,采用緊貼該邊沿的長條帶模擬二極管陰極波端口;波端口電場設置為:
陽極波端口電場方向由內徑指向外徑,陰極波端口電場方向由波端口外邊沿指向波端口內邊沿;或者,陽極波端口電場方向由外徑指向內徑,陰極波端口電場方向由波端口內邊沿指向波端口外邊沿;
步驟4.將步驟3設置好的模型參數與電路仿真參數結合得到三維電磁仿真模型,采用電磁場仿真軟件ADS與步驟3中HFSS三維模型相關聯,其中,ADS中二極管SPICE參數模型的陽極和陰極與HFSS三維模型中的各二極管陽極和陰極一一對應。

說明書

說明書表面通道型混頻肖特基二極管三維電磁仿真模型建模方法
技術領域
本發明涉及肖特基二極管三維電磁仿真模型,具體為一種表面通道型混頻肖特基二極管三維電磁仿真模型建模方法。
背景技術
1938年德國物理學家WalterH.Schottky首次提出了基于金屬-半導體結的多數載流子器件—肖特基勢壘結構,后來肖特基二極管便被廣泛應用于混頻器。
目前,應用于太赫茲頻段混頻器的肖特基二極管主要有觸須接觸式肖特基二極管和平面肖特基二極管。觸須接觸式二極管難以重復制作、可靠性差,但與平面二極管相比寄生參量小;平面肖特基二極管可靠性好、電路設計相對容易;為增加功率容量,可被制作成陣列或者平衡式結構以滿足不同電路結構的需要,使用較為廣泛。
傳統的微波毫米波混頻器設計方法中,應用最為廣泛的為基于二極管性能提取的二極管線性SPICE參數等效電路模型。在微波毫米波頻段,由于二極管的封裝尺寸遠小于波長,其封裝幾乎不會影響場分布,因此不同工作頻率下二極管提取的SPICE參數未發生劇烈變化,二極管SPICE參數線性等效電路模型可認為是準確的。然而隨著頻率上升至太赫茲頻段,由于頻率的急劇升高使得波長驟減,然而由于二極管制作工藝的限制,二極管封裝尺寸減小幅度空間有限,遠低于工作頻率上升的幅度。此時二極管的封裝已影響到電路的場分布,傳統的二極管SPICE參數等效電路模型在太赫茲頻段存在缺陷。于是需要建立二極管三維電磁仿真模型對其SPICE參數在太赫茲頻段的缺陷進行彌補。
2004年,B.Thomas等人,開展了反向并聯二極管三維建模研究,在模型中考慮了寄生參量的影響,以后的二極管三維模型大都以此為基礎。通常計算二極管模型參數時主要關注三維模型中二極管陽極的參數及各物理層的尺寸,由相關理論以及I-V曲線得到二極管等效電路模型,為使二極管等效電路模型與三維電磁仿真模型聯系起來,于是在三維模型中放置波端口以連接三維仿真模型與等效電路模型。
目前所用的表面通道型混頻肖特基二極管三維電磁仿真模型建立方式是先建立肖特基二極管單管的層次化結構模型,主要確定材料、尺寸、形狀等參數,然后使用特定材料模擬與傳輸線的連接,為模擬能量在二極管三維模型中的流動在靜態物理模型的基礎上于二極管陽極探針處設置一個波端口,若使用并聯二級管對形式,則兩個陽極探針與兩個傳輸線端口共同構成一個4端口模型。當此三維模型與電磁場非線性電路仿真結合的時候就出現了三維模型端口數與電路拓撲結構端口數不相等情況,所用的解決方式是引入接地回路,即在電路中使二極管一端連接三維仿真模型陽極處設置的端口,另一端接地。雖然以上設置得到的結果被認為與實物結果較接近,但在實際電路中并不存在接地回路,而二極管三維模型中又缺少了針對二極管陰極設置的端口;所以實際的二極管、二極管三維電磁仿真模型、二極管電路仿真拓撲結構三者不能很好的聯系在一起。
發明內容
本發明的目的在于針對背景技術的缺陷提供一種表面通道型混頻肖特基二極管三維電磁仿真模型建模方法,包括以下步驟:
步驟1.根據表面通道型平面二極管技術的肖特基二極管經典物理構成模型,并對比真實表面通道型平面二極管結構建立二極管層次結構物理模型;
步驟2.根據二極管裝配工藝在三維模型仿真軟件中模擬安裝二極管于傳輸線上,采用電磁場仿真軟件HFSS建立二極管模型并采取反向倒貼的安裝方式將二極管固定于懸置微帶線上,形成反向并聯封裝結構平面肖特基二極管模型;
步驟3.根據傳輸線和二極管結構設置各波端口,在反向并聯封裝結構平面肖特基二極管模型兩端分別設置傳輸線端口,并分別設置反向并聯封裝結構平面肖特基二極管中兩個管芯的波端口,每個管芯波端口設置為:陽極波端口設置于陽極結所在平面,波端口封閉并環繞陽極探針,陰極波端口與陽極波端口設置于同一平面,根據二極管形狀,選取與二極管陽極探針相鄰的歐姆接觸面邊沿,采用緊貼該邊沿的長條帶模擬二極管陰極波端口;波端口電場設置為:
陽極波端口電場方向由內徑指向外徑,陰極波端口電場方向由波端口外邊沿指向波端口內邊沿;或者,陽極波端口電場方向由外徑指向內徑,陰極波端口電場方向由波端口內邊沿指向波端口外邊沿;
步驟4.將步驟3設置好的模型參數與電路仿真參數結合得到三維電磁仿真模型,采用電磁場仿真軟件ADS與步驟3中HFSS三維模型相關聯,其中,ADS中二極管SPICE參數模型的陽極和陰極與HFSS三維模型中的各二極管陽極和陰極一一對應。
本發明提供一種表面通道型混頻肖特基二極管的三維電磁仿真模型建模方法,該方法中每個二極管管芯單獨設置一個陽極波端口和一個陰極波端口,這種波端口設置的方式去掉了電路仿真中的二極管接地回路,使實際二極管,二極管三維電磁仿真模型,二極管電路SPICE參數模型三者保持一致,相較于現有模型更接近實際工作情況;并且本發明建模方法中二極管波端口形狀及尺寸能夠根據二極管結構進行調整,使得本發明該建模方法適用于200GHz-500GHz多種表面通道型混頻肖特基二極管。
附圖說明
圖1為實施例1中三維電磁仿真模型的傳輸線端口設置示意圖。
圖2為實施例1中三維電磁仿真模型的二極管波端口設置示意圖。
圖3為實施例1中三維電磁仿真模型的二極管波端口電場方向示意圖。
圖4為實施例1中三維電磁仿真模型建模仿真電路圖。
圖5為實施例2中三維電磁仿真模型的二極管波端口設置示意圖。
圖6為實施例3中三維電磁仿真模型的二極管波端口設置示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。
實施例1
本實施例中提供一種表面通道型混頻肖特基二極管的三維電磁仿真模型建模方法,建模步驟及使用方法如下:
步驟1:根據表面通道型平面二極管技術的肖特基二極管經典物理構成模型,并對比電子顯微鏡得到的表面通道型平面二極管真實結構圖片建立二極管層次結構物理模型;一般由下到上分為GaAs基片(用于制作二極管Wafer)、GaAs襯底、n++型GaAs緩沖層、n型GaAs耗盡層、SiO2層、金屬焊盤、金屬陽極;
步驟2:根據二極管實際裝配工藝在三維模型仿真軟件中模擬安裝二極管于傳輸線上,本發明中使用電磁場仿真軟件HFSS建立二極管模型并采取反向倒貼的安裝方式把二極管固定于懸置微帶線上;用于太赫茲諧波混頻的肖特基二級管常使用反向對管形式封裝,所以本實施例同樣采用該二極管模型,安裝模型一般包括介質基板、金屬線、二極管及其封裝的三維模型和二極管與傳輸線之間模擬導電膠的金屬塊;
步驟3:根據傳輸線和二極管結構設置各波端口,本發明中使用懸置微帶線結構傳輸線和反向并聯封裝結構平面肖特基二極管,傳輸線端口設置如圖1所示,兩端各有一個端口;單個二極管管芯陰極與陽極端口如圖2所示,由于反向對管有兩個管芯,所以兩個管芯波端口要分別設置;由于二極管模型在HFSS三維場仿真軟件中不能模擬非線性變化,所以建立二極管波端口時使用PEC材料代替二極管中的高參雜砷化鎵層材料,并直接與陽極探針接觸形成金屬連接;陽極波端口放置在陽極結所在平面,即原高參雜砷化鎵層與陽極探針接觸表面,波端口封閉并環繞陽極探針,波端口外徑略大于內徑;陰極波端口與陽極波端口處于同一平面,根據二極管具體形狀,選取一段最臨近二極管陽極探針的歐姆接觸面(金屬焊盤與n++GaAs緩沖層接觸面)邊沿,使用緊貼這段邊沿的細長條帶來模擬二極管陰極波端口,如圖2所示的半圓弧狀長條帶即為二極管陰極波端口;
波端口電場設置為以下兩種方式之一:(1)陽極波端口電場方向由內徑指向外徑,陰極波端口電場方向由波端口外邊沿(遠離姆接觸面的邊沿)指向波端口內邊沿(緊貼歐姆接觸面的),如圖3中箭頭所示;(2)陽極波端口電場方向由外徑指向內徑,陰極波端口電場方向由波端口內邊沿指向波端口外邊沿;
步驟4:把步驟3中設置好的模型參數與電路仿真參數結合得到整體電路相關結果,本發明中使用電磁場仿真軟件ADS與第三步中HFSS仿真得到的結果相關聯,如圖4所示建立仿真電路圖,其中ADS中二極管SPICE參數模型的陽極和陰極與HFSS三維模型中的各二極管陽極和陰極一一對應;此時在電路仿真結構中,包含二極管的這一段傳輸線對外顯示為兩個端口,且內部電路符合實際。
實施例2與實施例3分別對不同的結構表面通道型混頻肖特基二極管采用實施例1中相同建模方法建立三維電磁仿真模型,其二極管結構及其波端口設置分別如圖5、圖6所示。需要說明的是:對比實施例1和實施例2可知,針對兩種不同結構的二極管,所以本發明提供建模方法中二極管陽極及陰極波端口設置的形狀和位置隨二極管結構的不同可以進行修正;對比實施例2和實施例3可知,針對相同結構二極管,其陰極波端口可以設置為不同大小、形狀,所以本發明提供建模方法中二極管陰極波端口的大小及形狀具有一定可選范圍,但需包含距離陽極探針最近的一段歐姆接觸邊沿。
以上所述,僅為本發明的具體實施方式,本說明書中所公開的任一特征,除非特別敘述,均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換;所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟,除了互相排斥的特征和/或步驟以外,均可以任何方式組合。

關 鍵 詞:
表面 通道 混頻 肖特基 二極管 三維 電磁 仿真 模型 建模 方法
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