JP5863585B2 - 大信号等価回路モデルを用いたトランジスタ特性計算装置 - Google Patents
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Description
等価回路モデルは、トランジスタの特性を電気的に等価な回路要素で表現したもので、この表現を用いることにより、複雑な物理方程式を解かなくても、回路シミュレータ上で高速に特性を計算することができる。
回路構成としては、上記非特許文献1に記載された回路と基本的には同じである。
等価回路モデルの計算精度を改善したモデルとして、特許文献1に示すようなモデルも報告されている。
GaN・HEMT on Siでは、Si基板上にGaNをエピ成長させるが、SiとGaNは、格子定数が異なるため、その界面部分に格子不整合に起因するトラップ(電子を捕獲する欠損)が生じる。
このトラップがRF特性に影響を与えるが、従来モデルでは、この影響を考慮していないため、計算精度が劣化していた。
細線が実測結果、太線が計算結果である。
出力電力(Pout)、利得(Gain)およびゲート電流(Ig)については、計算結果が実測結果に近似し、計算精度が良いが、ドレイン電流(Idq)、ドレイン効率(ED)および電力付加効率(PAE)については、飽和電力付近で計算結果が実測結果から外れ、計算精度が良くないことが分かる。
細線が実測結果、太線が計算結果である。
実測結果と計算結果の最適インピーダンスおよび等高線がずれていることが分かる。
このように、従来モデルでは、トラップの影響を考慮していないため、トランジスタの特性を精度良く計算できないという課題があった。
図1に本発明のトランジスタの物理構造とトラップを考慮した等価回路モデルの対応図を示す。
太線の回路部分がトラップを表現する回路であり、抵抗、容量、ダイオードのみから構成されるシンプルな回路である。
本回路を大信号等価回路モデルに組み込み、Vbgの電位をgm,Cgd,gdsにフィードバックさせることにより、トラップの影響を考慮することができる。
説明を分かりやすくするため、図2に大信号等価回路モデルからトラップ回路のみを取り出した図を示す。
ドレイン端子の電圧は、正弦波で変化しているものとする。
抵抗は、容量のインピーダンスに比べて十分に高いものとし無視すると、ダイオードの入力電圧は、図に示すような直流成分がカットされた波形になる。
そうすると、ダイオードを通った波形は、半波整流の形になるが、その後の容量で高周波成分はカットされるので、Vbgの電位は、図に示すように平滑化された直流になる。
得られたVbgの電位をgm,Cgd,gdsにフィードバックさせ、それらのパラメータをVbgによって変化させることにより、トラップの影響を計算に組み込むことができる。
これにより、飽和電力付近におけるトランジスタ特性の計算精度を改善することができる。
詳しい計算結果については、以下の実施の形態1の説明で示す。
図において、FETのゲート端子1、ドレイン端子2、ソース端子3が設けられる。
ゲート・ソース間容量(Cgs)4は、ゲート端子1とソース端子3の間に接続され、ゲート・ドレイン間容量(Cgd)5は、ゲート端子1とドレイン端子2の間に接続される。
相互コンダクタンス(gm)6、ドレインコンダクタンス(gds)7およびドレイン・ソース間容量(Cds)8は、ドレイン端子2とソース端子3の間に並列接続される。
なお、トラップは大きく分けて、表面側のものとバッファ側のものがある。
後述する実施の形態3、4が表面側のトラップを対象にしたものに対して、本実施の形態1がバッファ側のトラップを対象にしたものであることから、これらを区別するため、本実施の形態1では、バッファトラップ回路という。
ダイオード11は、抵抗(Rbuf1)9側から抵抗(Rbuf2)13側に向かって順極性に接続される。
ダイオード11の陰極と、抵抗(Rbuf2)13および容量(Cbuf2)14からなる並列回路の接続点の電位(Vbg)12は、バッファトラップ回路に蓄積される電荷の電位である。
ゲート端子1にRF電力が入力されると、ゲート端子1にかかる電圧に対応して、ドレイン電流が流れる。
ドレイン端子には、通常、整合負荷が接続されているので、ドレイン電流が流れると、それに対応してドレイン電圧は変化する。
上記で述べたように、ドレイン電圧の振幅がある大きさ以上になると、バッファトラップ回路のダイオード11がオンし、バッファトラップ回路に電荷が蓄積され、Vbgの電位12は大きくなる。
この電位(Vbg)12が、gm,gds,Cgdにフィードバックされ、それぞれのパラメータの値を変化させる。
ここで、フィードバックの方法としては、例えば、以下の式を用いる。
f=3.7GHz、Vds=30V、Vgs=−2であり、細線が実測結果、太線が計算結果である。
出力電力(Pout)、利得(Gain)およびゲート電流(Ig)の他、ドレイン電流(Idq)、ドレイン効率(ED)および電力付加効率(PAE)についても、飽和電力付近での計算結果が良好になり、実測結果と計算結果はよく一致していることが分かる。
これは、電力レベルが高い領域で本トラップ回路が動作するためである。
細線が実測結果、太線が計算結果である。
図中の各線は、電力付加効率の等高線を示している。
実測結果と計算結果は良く一致していることが分かる。
本モデルにより、最適負荷も精度良く計算することができる。
図6は本発明の実施の形態2によるトランジスタ特性計算装置に適用される大信号等価回路モデルを示す等価回路図である。
図において、バッファトラップ回路は、抵抗(Rbuf1)9および容量(Cbuf1)10からなる並列回路と、抵抗(Rbuf2)13および容量(Cbuf2)14からなる並列回路の間に、ダイオード11aが抵抗(Rbuf1)9側から抵抗(Rbuf2)13側に向かって順極性に接続され、ダイオード11bが抵抗(Rbuf1)9側から抵抗(Rbuf2)13側に向かって逆極性に、且つダイオード11aに並列に接続される。
また、抵抗(Rbuf1)9および容量(Cbuf1)10からなる並列回路と、ダイオード11aの陽極、あるいは、ダイオード11bの陰極の接続点の電位(Vbg2)12bは、バッファトラップ回路に蓄積される電荷の電位である。
その他の構成については、図3と同様である。
動作については上記実施の形態1とほぼ同じである。
但し、バッファトラップ回路に2つのダイオード11a,11bがあり、2つの電位Vbg1とVbg2を、gm,gds,Cgdにフィードバックしている点が異なる。
これは、トランジスタの対称性を考慮したためである。
したがって、トランジスタのモデルもドレイン・ソース間で対称であるべきである。
本実施の形態2は、その点を考慮したものである。
本バッファトラップ回路は、ドレイン・ソース間で対称となっている。
それぞれの場合に、蓄積される電荷の電位Vbg1,Vbg2がフィードバックされ、等価回路パラメータを変化させる。
これにより、トラップの影響をモデルに取り込むことができる。
図7は本発明の実施の形態3によるトランジスタ特性計算装置に適用される大信号等価回路モデルを示す等価回路図である。
図において、ドレイン端子2とゲート端子1の間には、ゲート・ドレイン間容量(Cgd)5に対して並列に、表面トラップ回路が接続される。
なお、上記実施の形態1,2がバッファ側のトラップを対象にしたものに対して、本実施の形態3が表面側のトラップを対象にしたものであることから、これらを区別するため、本実施の形態3では、表面トラップ回路という。
ダイオード17は、抵抗(Rsuf1)15側から抵抗(Rsuf2)19側に向かって順極性に接続される。
ダイオード17の陰極と、抵抗(Rsuf2)19および容量(Csuf2)20からなる並列回路の接続点の電位(Vsuf)18は、表面トラップ回路に蓄積される電荷の電位である。
その他の構成については、バッファトラップ回路が設けられていない以外、図3と同様である。
ゲート・ドレイン間に表面トラップ回路が装荷されているが、動作については上記実施の形態1とほぼ同じである。
ゲート・ドレイン間電圧をVdgとすると、Vdg=Vds−Vgsであり、例えば、Vds=30V,Vgs=−2Vとすると、Vdg=32Vとなり、Vds≒Vdgとなるからである。
本実施の形態3により、表面側のトラップを考慮した計算が可能である。
図8は本発明の実施の形態4によるトランジスタ特性計算装置に適用される大信号等価回路モデルを示す等価回路図である。
図において、ソース端子3とゲート端子1の間には、ゲート・ソース間容量(Cgs)4に対して並列に、表面トラップ回路が接続される。
ダイオード23は、抵抗(Rsuf3)21側から抵抗(Rsuf4)25側に向かって順極性に接続される。
ダイオード23の陰極と、抵抗(Rsuf4)25および容量(Csuf4)26からなる並列回路の接続点の電位(Vsuf2)24は、表面トラップ回路に蓄積される電荷の電位である。
なお、本実施の形態4では、ダイオード17の陰極と、抵抗(Rsuf2)19および容量(Csuf2)20からなる並列回路の接続点の電位18を、Vsuf1とする。
その他の構成については、図7と同様である。
上述のとおり、トランジスタのドレイン電極とソース電極は、ゲート電極に対して対称であるため、ゲート・ドレイン間とゲート・ソース間は、対称構造となる。
本実施の形態4は、この対称性を考慮したものであり、ゲート・ドレイン間とゲート・ソース間に表面トラップ回路が装荷されている。
これにより、ドレイン電極とソース電極に通常と反対の電圧(負電圧)をかけた際の動作にも対応できる。
本実施の形態4を用いることで、ゲート・ドレイン間の表面トラップ、ゲート・ソース間の表面トラップを考慮した計算が可能である。
図9は本発明の実施の形態5によるトランジスタ特性計算装置に適用される大信号等価回路モデルを示す等価回路図である。
図は、上記実施の形態2(図7)に示した表面トラップ回路に、上記実施の形態1(図3)に示したバッファトラップ回路を加えたものである。
本実施の形態5は、表面トラップとバッファトラップを両方考慮できるものである。
動作は上記で述べたように、表面の電位(Vsuf)18、バッファの電位(Vbg)12をそれぞれフィードバックさせトラップの影響を考慮している。
本実施の形態5を用いることにより、表面とバッファにトラップが存在する場合でも対応できる。
図10は本発明の実施の形態6によるトランジスタ特性計算装置に適用される大信号等価回路モデルを示す等価回路図である。
図は、上記実施の形態4(図8)に示した表面トラップ回路に、上記実施の形態2(図6)に示したバッファトラップ回路を加えたものである。
本実施の形態6は、トランジスタの対称性を考慮しつつ、表面トラップ、バッファトラップの影響を計算できるモデルである。
動作は、上記実施の形態で述べてきた原理と同じである。
但し、表面の電位(Vsuf1)18、(Vsuf2)24、バッファの電位(Vbg1)12a、(Vbg2)12bの4つの電位をフィードバックさせている。
本実施の形態6により、スイッチのようにトランジスタを対称動作させるようなデバイスにも本モデルを適用することが可能である。
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
Claims (5)
- ゲート端子とソース端子の間に接続されたゲート・ソース間容量と、
上記ゲート端子とドレイン端子の間に接続されたゲート・ドレイン間容量と、
上記ドレイン端子と上記ソース端子の間に接続され、相互コンダクタンス、ドレインコンダクタンスおよびドレイン・ソース間容量からなる並列回路と、
上記ドレイン端子と上記ソース端子の間に接続された第一のトラップ回路とを備え、
上記第一のトラップ回路は、
第一の抵抗および第一の容量からなる第一の並列回路、ダイオード、第二の抵抗および第二の容量からなる第二の並列回路の順に直列に接続されたことを特徴とする大信号等価回路モデルを用いたトランジスタ特性計算装置。 - ゲート端子とソース端子の間に接続されたゲート・ソース間容量と、
上記ゲート端子とドレイン端子の間に接続されたゲート・ドレイン間容量と、
上記ドレイン端子と上記ソース端子の間に接続され、相互コンダクタンス、ドレインコンダクタンスおよびドレイン・ソース間容量からなる並列回路と、
上記ドレイン端子と上記ゲート端子の間に接続された第二のトラップ回路とを備え、
上記第二のトラップ回路は、
第三の抵抗および第三の容量からなる第三の並列回路、ダイオード、第四の抵抗および第四の容量からなる第四の並列回路の順に直列に接続されたことを特徴とする大信号等価回路モデルを用いたトランジスタ特性計算装置。 - ソース端子とゲート端子の間に接続された第三のトラップ回路を備え、
上記第三のトラップ回路は、
第五の抵抗および第五の容量からなる第五の並列回路、ダイオード、第六の抵抗および第六の容量からなる第六の並列回路の順に直列に接続されたことを特徴とする請求項2記載の大信号等価回路モデルを用いたトランジスタ特性計算装置。 - ドレイン端子とソース端子の間に接続された第一のトラップ回路を備え、
第一のトラップ回路は、
第一の抵抗および第一の容量からなる第一の並列回路、ダイオード、第二の抵抗および第二の容量からなる第二の並列回路の順に直列に接続されたことを特徴とする請求項2または請求項3記載の大信号等価回路モデルを用いたトランジスタ特性計算装置。 - 第一のトラップ回路は、
第一の並列回路と第二の並列回路の間に順極性に接続された第一のダイオードと、
上記第一の並列回路と上記第二の並列回路の間に逆極性に、且つ上記第一のダイオードに並列に接続された第二のダイオードとを備えたことを特徴とする請求項1または請求項4記載の大信号等価回路モデルを用いたトランジスタ特性計算装置。
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