SETIT 9 5 th International onference: Science of Electronic, Technologie of Information and Telecommunication March -6, 9 TUNISIA Modéliation Petit Signal du Tranitor PHEMT et Analye de Performance Hyperfréquence Zahra HAMAIZIA *, Nouredine SENGOUGA *, Mouhamed MISSOUS **, Mutapha YAGOUB *** * Laboratoire de Matériaux Semiconducteur et Métallique, Univerité Med Khider, 7 Bikra hamaiziaz@yahoo,fr nouredine_engouga@yahoo.co.uk ** Microelectronic & nanotructure Group School of Electronic and Electronic Eng., Mancheter Univerity miou@mancheter.ac.uk *** SITE, Univerité d'ottawa, 8 King Edward, Ottawa, Ontario, anada, KN 6N5 myagoub@ite.uottawa.ca Réumé: La connaiance de élément du circuit équivalent petit ignal de tranitor microonde à effet de champ GaA (FET) et crucial pour une conception fiable de circuit analogique tel que le amplificateur faible bruit (LNA ou "low noie amplifier") et pour l'analye de leur performance haute fréquence. et article rapporte le réultat de l'application d'un procédé analytique amélioré pour une extraction directe du modèle petit ignal à partir de meure de paramètre S de diperion ou "cattering parameter". L extraction de paramètre du chéma équivalent petit ignal et faite pour de tranitor peudomorphique à hétérojonction (phemt ou "peudomorphic high electron mobility tranitor") de la technologie GaA et InP ayant une grille de largeur μm et de longueur μm. Le comportement de élément intrinèque en fonction de divere condition de polariation et enuite examiné. Une bonne concordance entre le paramètre S imulé et meuré confirme la validité de la méthode propoée. Mot clé : extraction, HEMT, paramètre extrinèque phemt, paramètre intrinèque, modéliation petit ignal. INTRODUTION Le tranitor à hétérojonction hemt et phemt ont actuellement la bae de circuit microonde monolithique ou MMI. De par a grande maturité technologique, le hemt domine encore le marché hyperfréquence, notamment pour la conception de amplificateur faible bruit et large bande. Grâce au développement du PHEMT, l amplificateur de puiance et également un domaine où de performance remarquable ont été obtenue [BYK ]. laiquement ce tranitor ont modélié ou forme d un chéma électrique équivalent en élément localié, repréentation communément utiliée dan la conception aitée par ordinateur (AO) du fait de a facilité d intégration et de on faible coût en terme de temp de calcul. La plupart de circuit microonde ont réalié avec de compoant III-V tel que l Aréniure de Gallium (GaA ) et le Phophure d Indium (InP). ette prédominance de compoé III- V et due aux bonne performance de ce élément actif aini qu aux faible perte que préentent le tructure de tranmiion ur ce ubtrat [SIX 4], la forte mobilité électronique aini que la grande réitivité du ubtrat emi-iolant et la poibilité de réalier de hétérojonction par épitaxie. La modéliation de ce compoant pour la conception ultérieure d un amplificateur faible bruit et l objectif de notre étude.. Schéma équivalent électrique petit ignal Le chéma équivalent petit ignal largement utilié pour le HEMT en hyperfréquence et préenté dan la Figure [DAM 88, BER 9, ANH 9a]. Le différent élément électrique contituant le chéma équivalent repréentent le divere partie du tranitor et leur mécanime phyique. D aprè a tructure et on fonctionnement, le tranitor et divié en deux partie : partie intrinèque et partie - -
SETIT9 extrinèque. La partie intrinèque correpond à la partie active du tranitor c'et-à-dire au canal ; la partie extrinèque correpond à la zone reliant la partie active du compoant à la métalliation du contact (ligne d accè et électrode du compoant). Grille Lg Rg gdo Partie intrinéque Rd Lg Drain pg go do pd Partie intrinèque Lg Rg gd Rd Ld R Grille pg v g Ri Id Rd d pd Drain L Source Figure. Schéma équivalent petit ignal à V d = et V g <<V p. Id=gm.exp(-jwT).v Rd L Source Le modèle de la Figure doit être implifié en tranformant la partie intrinèque de la topologie π en topologie T Figure 3 [AD 6, ANH 9b]. La matrice correpondante au modèle pincé et donnée par le équation uivante Figure. Schéma équivalent petit ignal d un HEMT.. Extraction de paramètre du chéma équivalent petit ignal La détermination de élément du modèle linéaire repoe ur une caractériation expérimentale du tranitor à modélier. La méthode d extraction utiliée e bae ur de meure petit ignal de paramètre de diperion S en hyperfréquence. ette technique implique l utiliation de deux meure de paramètre S pour différente condition de polariation : meure à froid et meure à chaud [BYK ]. La matrice S et convertie en matrice impédance Z dont le élément Z ij ont décompoé ou forme partie réelle Réel(Z ij ) et partie imaginaire imag(z ij ) [FRE 94]. D un point de vue expérimental, le élément extrinèque peuvent être évalué à partir de meure de paramètre de diperion S dan de condition de polariation à froid et pincé, i.e., V d = et V g << V p. La meure en régime froid permet de implifier la topologie du chéma équivalent petit ignal comme indiqué ur la Figure. Z Z = Rg + R + j[ ω(l g + L ) ( ω p + g p = Z p = R + j[ ωl ω Dan le but de implifier l analye du circuit, le réeau capacitif π et tranformé en réeau en T contitué par le capacité g, et d [AD 6,KHA ] ] Zp = Rd + R + j[ ω(ld + L) ( + ω + )] d )] () () (3) go gdo g = go+ gdo (4) do + go do = go+ do (5) gdo + do gdo d = gdo+ do (6) do - -
SETIT9 go g gdo do go Figure 3. Tranformation du modèle π en T. Le réitance paraite ou d accè R g, R et R d ont déduite de la partie réelle de équation (), () et (3) [SOB 7]. La pente de courbe ω*imaginaire (Z pij ) en fonction de ω repréente approximativement le valeur de inductance paraite L g, L et L d [AD 6], [SOB 6, POU 9]. Lorque la conduction dan le canal et upprimé (c et-à-dire quand V d =, V g << V p et une zone active ou la grille totalement déertée), il et poible d extraire le capacité paraite pg et pd ; pour de fréquence de quelque GHz, le effet du aux inductance et aux réitance d accè pouvant être négligée et n ont aucune influence ur le partie imaginaire de la matrice admittance Y ij [BYK, DAM 88, FRE 94, ANH 9b, HE 6, WHI 93]. pg imag(y = pd imag(y = ) + (imag(y w ) + imag(y w )) ) d (7) (8) 3. Réultat et dicuion La méthode directe expoée dan ce travail a permi d extraire le élément du chéma équivalent petit ignal de deux échantillon de tranitor hétérojonction PHEMT ayant deux technologie différente : le premier et le VMBE-84 ur un ubtrat InP et le econd le VMBE-89 ur un ubtrat GaA dont la longueur et la largeur de la grille ont repectivement de μm et μm. Pratiquement, nou avon optimié le valeur de compoant extrinèque de telle orte que le modèle équivalent (compoant extrinèque + compoant intrinèque) ait une répone électrique la plu proche poible de meure (Figure 4 ). ela e fait en calculant le paramètre S à partir de élément du chéma équivalent petit ignal aini l erreur entre le paramètre S meuré et ceux du modèle ( tableau ). Le tableau regroupe le élément extrinèque et intrinèque du chéma équivalent du tranitor PHEMT dan le condition de polariation uivante : A3-InP ayant V d =.5V, V g =-.V ; A3-GA V d =.5V, V g =-.4V. La préciion n et pa viée ur toute la gamme de meure car une plage de quelque MHz à GHz et uffiante [HI 3]. Si on examine le courbe de la Figure 4, on contate qu il y a une bonne concordance entre le paramètre S du modèle et le paramètre S meuré. Il faut noter que le gain maximale diponible (maximum available gain :G max i k>=) ou le gain table ( mot table gain MSG i K<) et le facteur de tabilté K ont pratiquement de facteur important pour la conception de circuit microonde. La figure 5 illutre le valeur de G max (ou MSG) et le facteur de tabilité K à partir de valeur modéliée et meurée de paramètre S. En comparant le PHEMT ur GaA et le PHEMT ur InP, nou contaton que le PHEMT ur InP et moin bruyant (Facteur de bruit minimal min plu faible) en plu il préente un gain fort G max et une meilleure large bande de fréquence (Tableau 3) : PHEMT ur ubtrat InP : S = 4 db, Gmax =, min =.4 db et f c = 8 GHz, PHEMT ur ubtrat GaA : S = db, G max = 3, min =.98 db et f c = 8.6 GHz. Une foi tou le élément extrinèque déterminé, nou pouvon directement extraire le élément intrinèque (R i, g, gd, R d, gd, G m et τ) à partir de la matrice réultante elon la procédure d épluchage [DAM 88, BER 9, HI, SHI 95, WUT 94]. - 3 -
SETIT9 Module(dB) efficient de Reflexion d'entrée et de ortie - -4 S error_s 5.7 S freq (.MHz to 3.GHz) error_s 5.4 VMBE84-A3-InP error_s.67 S S meuré S calculé S error_s 7.378 ) (db min Gmax(dB)..5..5. 4 3 freq=.ghz mini=.658 5 5 5 3 Gmax X Gmax(me) Gmax(cal) Kcal Kme K 8 6 4 Facteur de tabilité (K) -6 5 5 5 3-5 5 5 3..5 Module(dB) efficient de Reflexion d'entrée et de ortie - - -3-4 S -5 VMBE89-A3-GaA error_s.779 S error_s 5.63 freq (.MHz to.ghz) S S meuré S calculé S error_s 5.55 error_s.88 min(db) Gmax(dB)..5 freq=.ghz mini=.98. 4 6 8 4 6 8 3 - Gmax X Gmax(me) Gmax(cal) 4 6 8 4 6 8 Kcal Kme K 4 3 - Facteur de tabilité (K) -6 4 6 8 4 6 8 Figure 4. omparaion entre le paramètre S meuré et calculé du tranitor PHEMT (a) VMBE-84-A3-InP pour une polariation V d =.5V, V g = -.V, (b) VMBE-89-A3-GaA pour une polariation V d =.5V, V g = -.4V. Figure 5. Gain maximal G max, facteur de tabilité K et facteur de bruit minimal ( min ) à partir de valeur de paramètre S : (a) VMBE-84-A3-InP pour une polariation V d =.5V, V g =-.V, (b) VMBE-89-A3-GaA pour une polariation V d =.5V, V g =-.4V 4. oncluion e travail préente une méthode d'extraction directe de élément du chéma équivalent petit ignal de deux échantillon de deux tranitor PHEMT l'un - 4 -
SETIT9 ur le ubtrat GaA et l'autre ur le ubtrat InP dont la longueur et la largeur de la grille repectivement µm et µm. ette modéliation et eentielle pour n'importe quel compoant actif ou paif et qui précède toute conception d'un circuit radiofréquence. La technique propoée et de type expérimental, e repoe ur de meure de paramètre de diperion S, uivie par une méthode d'optimiation; dan le but d'étudier le comportement linéaire et le performance hyperfréquence du tranitor. Le réultat obtenu montrent un bon accord entre la imulation et la meure. L'analye de performance hyperfréquence tel que le gain, le facteur de bruit min et la bande de fréquence jutifie le choix du tranitor PHEMT ur le ubtrat InP pour l'application faible bruit. Tableau. Erreur entre le valeur meurée et calculée ur le paramètre de diperion S. Tranitor Erreur VMBE-84- InP VMBE-89- GaA S S S S 5.7 7.37 5.4.6.78 5.55.88 5.6 Tableau. Paramètre extrinèque et intrinèque. Tranitor Elément VMBE- 84- A3- InP VMBE- 89- A3- GaA [BER 9] [HI ] R g (Ω).65 3 4. 5. R (Ω).6 5.77.6 R d (Ω) 3 8.6.4 L g (ph) 5.3.8 44.8 57 L (ph). 8.34.. L d (ph) 4 3.5 6 pg (ff)..47.7 7 pd (ff) 3 34 6 6 R i (Ω) 6.36 5.9 9.5 - g (ff) 56 9 5 45 gd (ff 5. 6.7 8.9 R d (Ω) 85 585 5 56 d (ff) 4.8.5 3.78 - G m (m) 89 8 3.3 7.6 τ (p).86.84.6 4 Tableau 3. Performance hyperfréquence ou facteur de mérite. Tranitor VMBE-84 InGaA-InAlA-InP VMBE-89 InGaA-AlGaA-GaA Facteur de mérite GHz GHz GHz GHz min meuré (db) - - - - min calculé (db).4.658.98.98 K meuré.84.843.546.83 K calculé.54.438.56.33 G max meuré (db).96 8.77.938.7 G max calculé (db).95 9.8 3.74.6 S meuré (db) 4.4 6.384.4 -.88 S calculé (db) 4.89 6.89.758 -.959 REFERENES [ANH 9a] R. ANHOLT, S. SWIRHUM, Equivalent circuit parameter for cold GaA MESFET, IEEE Tran. Microwave Theory Tech., vol. 39, July 99. [ANH 9b] R. ANHOLTt, S. SWIRHUM, "Meaurement and analyi of GaA MESFET paraitic capacitance, IEEE Tran. Microwave Theory Tech., vol. 39, July 99. [BER 9] M. BERROTH, R. BOSH, "Broad-band - 5 -
SETIT9 determination of the FET mall-ignal equivalent circuit," IEEE Tran. Microwave Theory Tech., vol. 38, July 99. [BYK ] E. BYK, "Méthode d analye couplé pour la modéliation de compoant et module millimétrique de forte puiance," Thèe de Doctorat, Univerité de Limoge, France,. [AD 6] A. ADDEMI, G. RUPI, N. DONATO, Microwave characterization and modeling of packaged HEMT by a direct extraction procedure down to 3K, IEEE Tran. Microwave Theory Tech., vol. 55, April 6. [HE 6] G. HEN, V. KUMAR, R.S. SHWINDT, I. ADESIDA, A low gate bia model extraction technique for AlGaN/GaN HEMT, IEEE Tran. Microwave Theory Tech., vol. 54, July 6. [HI ] E. HIGAEVA, W. WALTH, D.WIEGNER, M. GRÖZING, F.SHAIH, N. WIERSER, M. BERROTH, Determination of mall ignal parameter of GaN baed HEMT, IEEE/ornell onf. of High Performance Device, ornell Univerity, Ithaca, USA,, pp. 5-. [HI 3] L. HIRON, ouplage optimal d une antenne IRM upraconductor avec un tranitor HEMT refroidi, Thèe de Doctorat, Univerité de Pari Sud, France, 3. [UO 4] V. UOO, W..E NEO, L..N de VREEDE, H.. De Graaff, L.K. Nanver, K. Buiman, H.. Wu, H.F.F Jo, J.N. Burghartz, A new extraction technique for the erie reitance of emiconductor device baed on the intrinic propertie of bia dependent Y parameter, IEEE BTM 7.4 April 4. [DAM 88] G. DAMBRINE, A. APPY, "A new method for determination the FET mall-ignal equivalent circuit," IEEE Tran. Microwave Theory Tech., vol. 36, July 988. [FRE 94] D. A. FREKEY, onverion between S, Z, Y, h ABD and T Parameter which are valid of omplex Source and Load Impedance, IEEE Tran. Microwave Theory Tech., vol. 4, February 994. [KHA ] Y.A. KHALAF, Sytmatic optimization technique for MESFET modeling, PhD Thei, Univerity of Virginia, USA,. [KIM 94] B.S. KIM, S. NAM, K.S. SEO, Analytic intrinic Model baed paraitic extraction method for HEMT, Electronic Letter, vol. 3, June 994. [LIN 94] F. LIN, G. KOMPA, FET model parameter extraction baed on optimiation with multiplane datafitting and bidirectional earch - A new concept, IEEE Tran. Microwave Theory Tech., vol. 4, July 994. [MAT 4] J. MATEOS, T. GONZALEZ, D. PARDO, S. BOLLAERT, T. PARENTY, Deign optimization of AInA-GaInA HEMT for low-noie application," IEEE Tran. Electron Device, vol. 5, Augut 4. [OXL 5]. H. OXLEY, M.J. UREN, Meaurement of unity gain cutoff frequency and aturation velocity of a GaN HEMT tranitor, IEEE Tran. Electron Device, vol.5, Feb. 5. [POU 9] P. POUVIL,B. ZEMOUR, D. PASQUET, J. GAUBERT, Determination of ource and drain paraitic reitance of HEMT, Electron Letter, vol. 8, March 99. [SHI 95] K. SHIRAKAWA, H. OIKAWA, T. SHIMURA, Y. KAWASAKA, Y. OHASI, T. SAITO, An approach to determining an equivalent circuit for HEMT, IEEE Tran. Microwave Theory Tech., vol. 43, March 995. [SIK ] J. SIK, B. SUNG, S. NAM, A new method fort the determination of the extrinic reitance of MESFET and HEMT from the meaured S-parameter under active bia, IEIE Tran. Electron., vol. E85-, March. [SIX 4] G. SIX, "Optimiation d une technologie 3D pour la réaliation de circuit intégré millimétrique ur ubtrat de ilicium," Thèe de Doctorat, Univerité de Lille, France 4. [SOB 7] A. G. SOBHI, MMI broadband low noie amplifier for SKA application, PhD Thei, Univerity of Mancheter, England, 7. [WHI 93] P.M. WHITE, R.M. HEALTY, Improved equivalent circuit for determination of MESFET and HEMT paraitic capacitance from cold FET meaurement, IEEE Microwave Guided Wave Lett., vol. 3, Dec. 993 [WUT 94] L.T. WUTZ, GaA FET and HEMT mallignal parameter extraction from meaured S- parameter, IEEE Tran. Intrumentation Meaurement, vol.43,augut,994. - 6 -