一种确定FET小信号等效电路的新方法

本文主要是介绍一种确定FET小信号等效电路的新方法，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

来源：A New Method for Determining the FET Small-Signal Equivalent Circuit（88年 TMTT）

摘要 - 提出了一种确定FET（场效应晶体管）小信号等效电路的新方法。该方法包括在低频段直接测定器件的外在和内在小信号参数。这种方法快速且精确，所确定的等效电路能够很好地拟合S参数直至26.5 GHz的频率范围。

文章的研究内容

这篇文章提出了一种新的方法来确定场效应晶体管（FET）的小信号等效电路。这种方法包括在低频带直接确定FET的外在和内在小信号参数。文章的主要研究内容和贡献可以总结如下：

1. 新方法的提出：文章提出了一种快速且准确的新方法，用于直接测量FET的不同元件，这些元件在相对较低的频率下进行测量。这种方法克服了传统方法的一些缺点，如需要精确的宽带S参数测量、优化方法和起始值对结果的影响，以及等效电路的物理意义需要预先确定某些参数。

2. 理论分析：文章详细描述了FET的小信号等效电路的理论基础，包括内在元件（如gm, gd, Cgs, Cgd等）和外在元件（如Lg, Rg, Cp, Ld, Rd等）的区分。文章还介绍了如何使用导纳（Y）参数来表征FET的电气特性，并提出了从实验数据中确定内在设备Y矩阵的步骤。

3. 测量技术：文章提出了一种测量等效电路外在元件（如串联电阻和电感，寄生电容）的技术。这包括在零漏极偏置电压下进行S参数测量，以及在低于截止电压的栅极电压下测量寄生电容Cpg和Cpd。

4. 实验结果：文章展示了使用新方法得到的FET小信号等效电路参数（如gms, gds, Cgs, Cgd, Cds, Rs, Rds等）随栅极电压变化的实验结果。这些结果与使用传统方法得到的S参数拟合结果相似，但计算时间更短。

5. 宽带S参数的比较：为了验证新方法的有效性，文章比较了在1-26.5 GHz范围内测量的S参数与从等效电路计算得到的S参数。结果表明，新方法得到的等效电路能够很好地拟合实验数据，证明了该方法的有效性。

6. 结论：文章总结了新方法的优点，包括直接确定所有FET寄生元件，快速且准确，只需要网络分析仪，适合于晶圆探测系统，并且能够直接获得与FET设计或工艺过程相关的大量数据。

文章的创新点

1. 直接测量方法：提出了一种直接测量FET小信号等效电路元件的方法，这种方法在相对较低的频率下进行，与传统的在宽带频率范围内优化S参数的方法相比，更为直接和快速。

2. 简化的测量过程：通过在特定的偏置条件下（零漏极偏置和低于截止电压的栅极偏置）进行测量，简化了测量过程。这种方法允许在不需要复杂优化过程的情况下，直接从实验数据中提取等效电路参数。

3. 寄生电容的测量：文章提出了一种新的测量寄生电容Cpg和Cpd的方法，这在以往的研究中并不常见。通过在特定偏置条件下测量，可以更准确地确定这些电容值。

4. 理论到实践的转化：文章不仅提出了理论分析，还详细描述了如何将理论应用于实际测量，包括如何从S参数转换到Z参数，再到Y参数，以及如何通过这些参数来确定等效电路的元件。

5. 高频适用性验证：通过将低频测量得到的等效电路与高频（高达26.5 GHz）的S参数进行比较，验证了新方法的有效性。这表明，即使在低频下测量得到的等效电路，也能够很好地拟合高频下的设备性能。

6. 适用于晶圆探测系统：文章指出，尽管这种方法最初是为了芯片设备在测试夹具中开发的，但它也非常适合晶圆探测系统。这意味着该方法可以用于更早期的制造过程，为FET的设计和工艺优化提供更直接的数据支持。

这些创新点使得文章提出的方法在FET小信号等效电路的确定方面具有显著的优势，尤其是在速度、准确性和适用性方面。

文章的研究方法

1. 理论分析：首先，文章基于FET的小信号等效电路模型，分析了内在和外在元件的特性。这包括使用导纳（Y）参数来表征FET的电气特性，并提出了从Y参数中提取内在小信号元件的方法。

2. 测量S参数：在特定的偏置条件下（零漏极偏置和低于截止电压的栅极偏置），使用网络分析仪测量FET的S参数。这些测量是在相对较低的频率下进行的，以确保理论模型的适用性。

3. 转换参数：将测量得到的S参数转换为阻抗（Z）参数，然后通过减去串联元件（如电感Lg, Ld等）来得到等效的Z参数。接着，将Z参数转换为Y参数，并减去并联元件（如电容Cpg, Cpd等）的影响，最后再将Y参数转换为所需的矩阵形式。

4. 确定等效电路元件：通过上述转换和减去已知的外在元件，可以确定FET的内在小信号参数。这包括使用简单的矩阵操作来计算gm, gd, Cgs, Cgd, Cds, Rs, Rds等参数。

5. 验证方法的有效性：通过比较在1-26.5 GHz范围内测量的S参数与从等效电路计算得到的S参数，验证了新方法的有效性。这包括检查理论计算的S参数与实验测量结果之间的一致性。

6. 实验结果分析：文章展示了在不同栅极电压下，FET小信号等效电路参数的变化，以及这些参数如何与栅极电压和漏极电压的关系。这些结果有助于理解FET在不同工作条件下的行为。

7. 适用性讨论：文章讨论了新方法在晶圆探测系统中的应用潜力，以及如何通过这种方法获得与FET设计或工艺过程直接相关的大量数据。

这种方法的关键在于它能够在低频范围内快速准确地确定FET的小信号等效电路参数，而不需要进行复杂的宽带频率测量或大量的计算工作。

文章的结论

1. 直接确定元件：新方法允许直接确定FET的所有寄生元件，包括Cpg和Cpd垫电容，这在传统的等效电路确定方法中是不常见的。

2. 快速且准确：该方法快速且准确，只需要使用网络分析仪进行低频测量，无需进行复杂的宽带频率测量或大量的计算工作。

3. 适合晶圆探测系统：新方法非常适合晶圆探测系统，这意味着它可以在早期制造过程中使用，为FET的设计和工艺优化提供直接的数据支持。

4. 大量数据获取：该方法能够直接获得与FET设计或工艺过程相关的大量数据，这对于理解和改进FET的性能至关重要。

5. 等效电路的高频适用性：通过比较低频测量得到的等效电路与高频（高达26.5 GHz）的S参数，验证了新方法的有效性。这表明，即使在低频下测量得到的等效电路，也能够很好地拟合高频下的设备性能。

6. 设计和工艺优化：新方法为FET的电气特性提供了一种有效的电学表征手段，这对于FET的技术和设计优化非常有价值。

总的来说，文章提出的新方法为FET的小信号等效电路参数的确定提供了一种更为简便、快速且准确的途径，这对于微波电路设计和FET技术的发展具有重要意义。

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