MOSFET射頻等效電路寄生電阻的確定方法

來源：SPICE模型

作者：若明

RF技術(shù)被廣泛應(yīng)用于許多多領(lǐng)域，如：WLAN、手機(jī)、雷達(dá)、GPS、5G/6G、藍(lán)牙、電視、自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)等。在這些應(yīng)用當(dāng)中RF設(shè)計(jì)工程師使用EDA軟件為商業(yè)無線、航空航天/國(guó)防和汽車市場(chǎng)設(shè)計(jì)一系列RF產(chǎn)品，包括器件模型、RF芯片、RF模塊、RF電路板和RF收發(fā)系統(tǒng)等。而這些EDA的仿真是需要基于器件模型的，一個(gè)精確的器件模型就顯得尤為重要。

DC和RF不同之處在于，在低頻時(shí)：器件的特征尺寸比波長(zhǎng)小得多，沒有信號(hào)延遲，KCL,KVL, 歐姆定律在DC下是適用的；而在高頻時(shí)：器件的特征尺寸大于信號(hào)波長(zhǎng)，這時(shí)麥克斯韋方程是適用的，器件具有分布效應(yīng)(有信號(hào)延遲)，也會(huì)產(chǎn)生趨膚效應(yīng)，寄生效應(yīng)是必須要考慮的范疇。如圖1所示，是典型的射頻MOSFET器件的小信號(hào)等效電路。可以將其劃分為由外部寄生引入的元件（虛線框外）和內(nèi)部本征元件（虛線框內(nèi)）兩部分，具體包括：Cpgd, Coxg, Coxd, Rpg, Rpd為焊盤引起的寄生元件；Lg, Ld, Ls為饋線電感元件；Rg, Rd, Rs為MOSFET器件接觸電阻；Cjd, Rsub為漏極和襯底直接的寄生元件；Cgs, Cds, Cgd為MOSFET器件本征電容；gm, gds(1/Rds)為本征跨導(dǎo)和漏導(dǎo)。

圖1：典型的射頻MOSFET器件的小信號(hào)等效電路

柵極電阻的存在對(duì)電路性能的影響很大，會(huì)引入熱噪聲，增大電路的噪聲系數(shù)，影響晶體管的開關(guān)速度和最大振蕩頻率，因此在版圖設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮盡可能地減小柵極電阻。由版圖設(shè)計(jì)、工藝制程及器件退化等因素導(dǎo)致寄生電阻的產(chǎn)生，對(duì)輸入/輸出阻抗匹配、噪聲特性及振蕩頻率等都有很大影響。寄生電阻的提取精度會(huì)直接影響整體建模的精確性。因此，如何精確地提取寄生電阻一直是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題之一。

目前，常用寄生電阻的確定方法主要包括Cold-FET方法、正常偏置方法及截止?fàn)顟B(tài)方法。今天先來介紹Cold-FET方法。

Cold-FET方法是指令晶體管偏置在強(qiáng)反型區(qū)(如Vgs=1.2V且Vds=0V)的情況。在這樣的偏置條件下，跨導(dǎo)gm很小，基本為零，可以忽略不計(jì)，且由于反向PN結(jié)引入的襯底寄生的阻抗要遠(yuǎn)大于源寄生電阻Rs和溝道電阻Rch，所以在此條件下，等效電路模型可簡(jiǎn)化為圖2所示。

圖2：強(qiáng)反型區(qū)的等效電路模型 根據(jù)小信號(hào)等效電路模型有：

式中：

Z22的虛部為：

即：

由此，根據(jù)-ω/lm(Z22)與ω^2關(guān)系曲線的斜率和截距即可求得 Cx與Rch。當(dāng)Cx與Rch確定之后，Rs, Rg和Rd可直接通過計(jì)算得到。

審核編輯：湯梓紅