[发明专利]一种Ⅲ-Ⅴ族HEMT表面势基集约型模型的建模方法

摘要

本发明公开一种Ⅲ‑Ⅴ族HEMT表面势基集约型模型的建模方法。该方法是首先建立Ⅲ‑Ⅴ族HEMT本征结构和非本征结构模型，结合器件的物理结构和行为机理，构建拓扑结构，再将建立的模型嵌入商用EDA工具；然后对实际耗尽型器件进行在片测试，获得器件的各种性能测试数据；最后对集约型模型进行验证。本发明解决了现有的器件电流、电荷方程无法积分、分段点不连续、无法用于非线性电路仿真等问题，通过求解表面势源头方程推导模型电流、电荷/电容方程的方法，解决现有物理模型存在的量子效应处理的物理问题和经典载流子传输方程与新效应联立自洽求解带来的数值算法问题；重新推导体电荷密度计算公式，解决了电荷模型中难以胶合问题。

主权项

1.一种Ⅲ‑Ⅴ族HEMT表面势基集约型模型的建模方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤(1)、建立Ⅲ‑Ⅴ族HEMT表面势基集约型内核模型：将Ⅲ‑Ⅴ族HEMT费米势的影响和量子效应直接写入泊松方程，建立表征Ⅲ‑Ⅴ族HEMT不同的器件结构和器件机理的表面势模型方程，然后应用泰勒级数近似，获得表面势精确解；根据表面势精确解将Ⅲ‑Ⅴ族HEMT器件工作区细分成三个区，求解器件三个工作区的体电荷密度，构建体电荷模型；通过精确表面势解析解和体电荷模型实现电流、电荷方程在器件所有工作区的连续、可导性，完成的Ⅲ‑Ⅴ族HEMT表面势基集约型内核模型的建立；步骤(2)、建立非本征结构偏压相关元件模型：表征Ⅲ‑Ⅴ族HEMT器件跨导频率分布效应的Idp电流方程，以及采用Shockley理想二极管方程表征偏压相关的栅‑源、栅‑漏二极管，建立器件非本征结构偏压相关元件模型；步骤(3)、结合Ⅲ‑Ⅴ族HEMT器件的物理结构和行为机理，将步骤(1)本征模型和步骤(2)非本征模型构建集约型模型拓扑结构；步骤(4)、将步骤(3)建立的模型嵌入商用EDA工具，实现模型在EDA仿真工具中可用；步骤(5)、模型参数提取和确定：对实际耗尽型Ⅲ‑Ⅴ族HEMT器件进行在片测试，获得Ⅲ‑Ⅴ族HEMT器件的各种性能测试数据，包括器件晶体管散射参数S、直流特性、交流特性；步骤(6)、集约型模型验证：给出测试与仿真的器件输出特性、转移特性、跨导特性、电容‑电压特性曲线的对比，器件测试与模型仿真结果一定程度验证建立的电荷模型的准确性；步骤(1)具体如下：1.1将Ⅲ‑Ⅴ族HEMT费米势的影响和量子效应直接写入泊松方程，根据沟道中载流子分布列泊松方程(1)，建立表征Ⅲ‑Ⅴ族HEMT不同的器件结构和器件机理的表面势模型方程(2)；其中Ψs为表面电势，q为电荷量，εs为介电常数，N为多子空穴，NA为受主电荷，NP为极化电荷，P为少子电子，ND为施主电荷；由于Ⅲ‑Ⅴ族HEMT中NA很小，这里忽略受主NA的影响；在Ⅲ‑Ⅴ族HEMT表面势Ψs表现为(Vgs－Vfb)和Vcs的隐函数，Vgs是栅源电压，Vcs是施加在沟道与源之间的电压，Vfb为平带电压，γ为体因子，ΨF为费米势，VT为阈值电压；1.2对步骤(1.1)建立的Ⅲ‑Ⅴ族HEMT表面势模型方程(2)进行求解，利用能带关系和沟道中的泊松方程求出沟道内耗尽区和积累区的表面势初解，应用泰勒级数展开近似的方法，获得表面势的精确解Ψs；1.3首先根据步骤(1.2)获得表面势的精确解将Ⅲ‑Ⅴ族HEMT器件工作区细分成三个区(Ψs<0，0<Ψs<3VT，Ψs>3VT)，然后分别通过公式(3)～(5)对上述三个区求解体电荷密度qs：在Ψs<0时，体电荷密度的计算见公式(3)，在0<Ψs<3VT时，体电荷密度的计算见公式(4)，在Ψs>3VT时，体电荷密度的计算见公式(5)，1.4根据上述求解的体电荷密度，电荷密度沿着y方向积分所得端电荷，通过以下公式(6)～(10)建立表面势基模型，公式(7)～(10)分别为全工作区的漏源电流Ids、漏电荷Qdd、源电荷Qss、栅电荷Qgg的方程；qi＝‑(Vgs‑Vfb‑ψs)‑qs  (6)Qgg＝‑(Qdd+Qss)  (10)其中qi为反型层电荷密度，μ为电子迁移率，W为栅宽，L为栅长；步骤(2)具体如下：2.1采用Shockley理想二极管方程(11)～(12)进行表征非本征结构模型栅源电流Igs、栅漏电流Igd：其中Ijs为源端反向饱和电流，Njs为源端的发射系数，Ijd为漏端反向饱和电流，Njd为漏端的发射系数，Vgs为栅源电压，Vgd为栅漏电压；为表征Ⅲ‑Ⅴ族HEMT器件跨导、漏电导在直流和交流条件下的差异引入电流Idp定义为：Idp＝β1Ids  (13)Ids＝0，xg≤0  (14)Ids＝β1qiΔψ/Gvsat xg＞0  (15)其中模型参数β1是沟道的长宽比；Ids为栅源电流；为了归一化表面势方程引入变量xg，xg＝(Vgs‑Vfb)/VT；Δψ＝ψsd‑ψss为沟道内的表面势变化值,ψsd是漏端的表面势，ψss是源端的表面势；qi为反型层荷密度；Gvsat是T＝300K时零电场迁移率的乘积，Gvsat定义为其中Effec0为有效电场强度，Mue为迁移率降低的系数，Hmue为迁移率降低的指数，θvast为速度饱和迁移因子；步骤(5)具体如下：5.1器件截止情况下测量散射参数S，此时dVds/dIds＝0，对应于拓扑结构上沟道短路，从中可精确提取偏压无关的寄生元件参数，包括寄生感漏、源接触电阻Rd、Rs和端口引线高频漏、源寄生电感Ld、Ls；5.2器件零偏置情况下测量散射参数S，此时拓扑结构等效为无源网络，利用步骤5.1已提取所得参数，采用近似提取方法将散射参数S转换为阻抗参数和导纳参数，直接提取寄生元件参数，包括寄生电感Lg、栅接触电阻Rg、栅端侧墙寄生电容Cfrg、漏端侧墙寄生电容Cfrd、版图漏源寄生电容Cds、源端二极管结寄生电阻Rgs、漏端二极管结寄生电阻Rgd；5.3测量器件直流电流电压特性，采用ICCAP软件拟和获得各直流模型参数，包括跨导gm，漏源电流Ids，栅‑漏、栅‑源结二极管Djs、Djd，并由Ith＝Ids×Vds获得热子电路元件热电流Ith；5.4测量器件的交流特性，通过测取全工作区域小信号散射参数S获得器件电压电容特性曲线，ICCAP软件提取内核模型的三端电荷模型参数，包括栅漏电容Cgdi、栅源电容Cgsi和源漏电容Cdsi；5.5在较大频率范围(选择0～40GHz)测量散射参数S，ICCAP软件提取高频特性参数，估算跨导频率分布效应临界频率f；由于f＝1/(2π×Rdb×Cdb)，确定表征跨导频率分布效应的电阻Rdp、电容Cdp值和交流电流放大倍数β；5.6将步骤5.1～5.5提取的模型参数进行优化。