摘要：本文阐述了无源元件在MMIC设计中的重要性及MIM电容模型参数提取的几种方法。以简化的MIM电容等效电路为基础，通过IC-CAP建模软件，建立平板电容的等效模型模拟其电学特性。根据实测数据提取相关模型参数，同时与实际测试的MIM电容值进行对比，对ADS元件库中电容模型的关键参数做了修改和验证。经过在GaAs工艺线实际流片统计、验证，该模型在40GHz以下实测的S参数与电磁仿真结果基本吻合，平板电容的误差控制在3%以内，可用于40GHz以下GaAs MMIC的电路设计和仿真。

　　关键词： GaAs MMIC 模型 MIM电容 IC-CAP

　　Abstract：This paper points out the importance of passive device in MMICs design and describes some methods of extracting parameters for MIM capacitors. Based on a simplified equivalent circuit model and IC-CAP modeling software, a plate capacitor equivalent circuit model has been established and the electrical characteristic has been simulated. The model parameters are extracted according to the measurement data. Compared the simulated results with the measurement, the ADS built-in capacitor model is modified and verified. Through the statistic analysis of MIM capacitor on GaAs foundry, this model is good fit to the EM simulation results. The model error is under 3% and can be applied in GaAs MMIC design and simulation below 40GHz.

　　Key words：GaAs MMIC Model MIM Capacitor IC-CAP

　　1.引言

　　CAD 软件作为一种辅助设计手段其精确性不仅取决于它的算法, 还与它所采用的元器件模型和相应的元器件库息息相关。精确的器件模型是单片电路CAD 设计的基础，是缩短研制周期，提高设计精度，降低生产成本的关键一步。由于GaAs MMIC 的制造工艺迄今仍在发展之中, 制造商的工艺各不相同, 因此元件特性不一致, 必然造成模型之间的很大差异，常常导致完全不同的设计结果，这给MMIC的设计带来很大的困难，特别是随着MMIC应用频率的不断提高，对软件系统元件库的要求也越来越高[1]。GaAs MMIC设计除有源器件外，还需用到电阻、电容、电感、微带线等大量的无源元件，其中MIM电容作为MMIC设计当中的主要元件，广泛应用于偏置电路、去耦、级间匹配，电容模型的精确性和实用性就成为GaAs MMIC设计成功与否的关键因素之一。

　　2.建立电容元件模型

　　MIM电容的元件建模包括物理解析模型、实测参数和等效电路经验模型三种方法。其中物理解析模型需要解理元件物理结构，通过分析其工作机理和几何尺寸，以数学公式表达元件电学参数，在实际应用中由于设计、工艺的偏差，很难通过计算的方法得到精确的模型参数，在工程应用中主要用来进行方案设计和设计验证;比较实用的方法是直接测量所用元件的容值或S参数，代入电路进行设计[2]，主要缺点是电容大小一旦确定就不能对其尺寸和容值进行修改，需要大量的测试来建立元件库，对电路设计有一定限制;而等效电路经验模型在精确度和实用性方面兼顾，成为目前各大微波设计软件和GaAs工艺所采用的主要方法。

　　现在各种CAD软件中都有其无源元件库，图1.a是ADS中电容模型的等效电路，由一系列微分单元和其边界条件确定其两端口网络参数。该电路需要精确的物理参数和复杂的计算公式，设计师很难确定这些模型参数，在实际应用到毫米波段时有一定偏差。本文给出了一个简化的电容模型，在这个模型中，我们考虑了金属等电导率的损耗及趋肤效应，可以通过电阻电感等效[3]。图1.b为其等效电路。

　　a.ADS中基于耦合线的MIM模型 b.简化的MIM等效模型

　　图1 MIM等效电路图

　　通过电容物理参数(金属厚度、有效面积、介质介电常数以及介质厚度等)运用1-6式计算各个元件的初值，将所得初值代入应用建模软件IC-CAP拟合在片测试的S参数，提取模型参数，图2是S参数模拟结果。

　　其中主要的参数C通过下面的平行板电容的公式计算得出：

(1)

　　金属绝缘带来的电导损耗可以用下面的公式表示：

(2)

　　金属损耗电阻部分可以用表示：

(3)

　　如果金属厚度小于趋肤深度，可以用体电阻公式表示如下：

(4)

　　其中tp表示金属层厚度

　　电感量通过微带线的损耗近似得出：

(5)

　　在低频(1GHz以内)时，忽略电感的影响，测试二端口的S参数，则可以用Y参数近似算出平板电容C和对地电容Cp.

(6)

(7)

　　L,R很小，可以通过优化的方法提取。

　　图2 电容实测和模型拟合的S参数(.m表示测试结果，.s表示模型仿真结果)

　　3. 元件参数设定和性能验证

　　为了使测试的数据更加真实有效，我们把校准图形直接制备在GaAs圆片上而不是石英基片上。 这样做不仅减小了因衬底不同带来的误差, 还消除了制造工艺偏差引入的误差;同时当建模版图中器件的参考面与实际单片电路中器件的参考面相一致时, 电路的设计结果才是正确的。在设计微波校准图形时就要确定微波参考面, 并体现在元器件建模图形中。图3 为实际制做的是电容版图和校准图形。

　　a.电容结构 b.校准图形

　　图 3 版图结构

　　将IC-CAP中提取的元件参数反馈到设计软件ADS电磁场仿真和原理图结构中，修改其特性参数，并做了相应的调整，测试在实际电路中应用到的一系列大小的MIM电容，与之比较，误差控制在3%以内(表1是10×10、10×20……100×100系列电容的实测值与模拟值的误差对比)。

　　表1 电容实测值与模拟值误差对比RME=(C.m-C.s)/C.m) W*L(μm2 ) 10×10 10×20 20×20 30×30 40×40 20×40 50×50 31×41 65×25 100×100 RME 0.1113 0.1212 0.1412 0.1617 0.2133 0.1525 0.2384 0.1844 0.1961 0.2880 将IC-CAP中提取的元件参数与实际设计的ADS中模拟的电容值进行对比，其频响和S参数都基本一致。(图 4 是一个实测的50×50um大小电容与模拟值对比的结果)

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