[发明专利]一种提取晶体管的通用型热阻和热容特性的方法

说明书

本发明公开了一种基于支持向量机的功率放大器行为模型的建模方法，基于连续波高低温I‑V和小信号S参数的晶体管器件热阻和热容特性。热阻抗提取过程中使用的基本数据为高低温测试所得晶体管I‑V数据和低频小信号S参数，这些测试数据是如标准工艺线用以建立晶体管模型过程中常规测试数据，因而不需要借助如红外热成像仪器等附加测试设备。采用本方法提取得到热阻和热容特性参数，可精确用于器件自热效应评估、不同功率水平下晶体管结温变化、器件的热阻抗优化设计中。

技术领域

本发明涉及功率放大器建模领域，更具体的说，它涉及一种提取晶体管的通用型热阻和热容特性的方法。

背景技术

自热效应是由器件在工作时由于沟道中界面效应以及声子散射等效应产生的热在沟道中的热积累过程。这种效应在高功率器件、小尺寸器件、导热性能不好的器件中尤其明显。例如，用于高功率高频的HEMT器件，其功率可达到数十瓦，其功率密度很大，产生的热量很难及时散出；追求集成度和降低功耗的FinFET器件，由于其特征尺寸已经到达10nm级，其电流密度也不容忽视，且FinFET的结构也决定了其器件的热传导效率甚至不如传统MOS器件，所以在FinFET器件中也尤其显著；SOI器件由于其衬底上的埋氧层，虽然抑制了漏电流，但是同时也阻碍了热从衬底扩散的通路；HBT器件由于其高电流密度产生的温度上升对于BJT器件的性能表现起着十分显著的作用，其结构模型如图6所示。这些器件在其工作的情况下其沟道温度会显著增加，导致载流子的迁移率下降，饱和速度下降等性能下降，同时会影响器件的热可靠性。

热阻和热容是描述晶体管自热效应引起输入功率和输出功率损耗的重要参数之一，该参数的精确提取，对准确预测不同输入功率水平下，器件实际温度的变化、输出特性的变化有着重要的意义。热阻和热容同时也是建立此类晶体管用于如Spice工具进行仿真的紧凑型模型所需参数之一。

半导体材料热导率和材料温度的关系可以单一对材料进行测试得到，并采用以下表达式描述：

κ(T)＝κ_ref(T/T_ref)^-α

其中κ(T)为材料热导率，K_ref参考温度下热导率，T_ref为参考温度，T为温度，α表示热导率和温度的依赖性。

在材料热导率已知的情况下，材料热阻可简单计算为：

R_th＝R_th,ref(T/T_ref)^a

其中R_th为热阻，R_th,ref表示材料在参考温度T_ref时的热阻,a表示温度系数。

考虑采用集成电路制造工艺生产得到的晶体管衬底材料通常由多种材料复合而成，是一个复杂的衬底结构，热流流经不同材料界面时存在不连续、如隔离等工艺的采用、实际制造所得器件尺寸和设计尺寸之间的误差等因素，采用上式计算所得热阻无法等同于器件真实热阻，同时热容是热阻抗中重要的部分，目前并没有提取热容的有效方法。更为实用、精确的热阻抗提取方法必须被开发出来。

应用于紧凑型模型建模的热阻，通常处理为和结温以及功耗无关的常数，并采用下式计算一定功耗(P_d)条件下，器件结温的变化：

T＝T_ref+R_thP_d

连续波条件下，P_d计算如下：

P_d＝IV