一种ⅲ-ⅴ族hemt表面势基集约型模型的建模方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及微电子器件建模技术，尤其涉及到一种m-V族HEMT表面势基集约型 模型的建模方法。
【背景技术】
[0002] m- V族高电子迀移率晶体管(HEMT)被公认为是微波/毫米波器件和电路领域中 最有竞争力的三端器件，目前利用m-V族HMET制作的低噪声放大器和功率放大器已经广 泛应用于卫星接收系统、电子雷达系统和光纤通信系统。但作为微波单片集成电路计算机 辅助设计(丽Ic CAD)的基础，可适用于大型电子设计自动化(EDA)仿真应用的m- V族HEMT 器件模型依然匮乏，建模技术发展滞后。模型和建模技术的可行性、精度是MMIC CAD能否成 功的关键。电路规模越大、指标和频段越高，对器件模型要求也越高，非线性电路设计比线 性电路设计对器件模型也越高。因而准确的m- V族HEMT对提高射频和微波毫米波电路设 计的成功率、缩短电路研制周期是非常重要的。但m-V族HEMT器件结构愈加复杂、功率变 大、频率增高、电路设计新要求不断提出，这些给模型的精确开发和参数提取带来了新问题 和新挑战。m-V族HEMT集约型模型的开发成为工业界和学术界公认的难题，器件的电流和 电荷/电容模型方程是其中急需突破的领域。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对现有m-v族HEMT器件建模技术的不足，提供一种针对m-v 族HEMT表面势基集约型模型的建模方法，旨在解决现有的m - V族HEMT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，建立精确的m-v族HEMT集约 型模型。
[0004] 本发明方法的技术方案分为建立集约型模型和模型参数提取两个过程进行，具 体内容如下：
[0005] 步骤一.建立m-V族HEMT表面势基集约型内核模型：
[0006] 1.1将m-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(X方 向）中载流子分布列泊松方程（1 )，建立表征m- V族HEMT不同的器件结构和器件机理的表 面势模型方程(2);
[0007] ".Λ C.V
[0008] 为表面电势，q为电荷量，es为介电常数，右边中括号里的四项分别表不多子空 穴N、受主电荷Na、极化电荷N P、少子电子P和施主电荷ND的贡献。
[0009] 由于m - V族HEMT中Να很小，这里忽略受主Να的影响。
[0010]
[0011 ] 在m - V族HEMT表面势ψ s表现为(Vgs-Vf b)和Vcs的隐函数，Vgs是栅源电压，￥。3是施 加在沟道与源之间的电压，Vfb为平带电压，γ为体因子，Ψρ为费米势，VT为阈值电压。
[0012] 1.2对步骤(1.1)建立的m-V族HEMT表面势模型方程⑵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Ψ s;
[0013] 1.3首先根据步骤(1.2)获得表面势的精确解将m-V族HEMT器件工作区细分成三 个区（屯 5〈0,0〈屯5〈3￥1，屯）3￥〇，然后分别通过公式(3)~(5)对上述三个区求解体电荷密 度Qs:
[0014] 在屯3〈0时，体电荷密度的计算见公式(3)，
[0015] ^ 1
[0016] 在0〈WS〈3VT时，体电荷密度的计算见公式(4)，
[0017]
[0018]在WS>3VT时，体电荷密度的计算见公式(5)，
[0019]
[0020] 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；
[0021]
[0022]
[0023]
[0024]
[0025]
[0026] 其中qi为反型层电荷密度，μ为电子迀移率，W为栅宽，L为栅长；
[0027] 小结:步骤1.1-1.4获得的精确表面势解析解和体电荷模型可实现电流、电荷方程 在器件所有工作区的连续、可导性，完成的Μ- V族HEMT表面势基集约型内核模型（本征结 构模型）的建立；
[0028] 步骤二.建立非本征结构偏压相关元件模型：
[0029] 2.1本发明采用肖克利(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I gs、栅漏电流Igd:
[0030]
[0031]
[0032] 其中I#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。
[0033] 为表征m-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IdPS 义为：
[0034] IdP = PiIds (13)
[0035] lds = 0 ,xg < 0 (14)
[0036] Ids = Piqi A φ/Gvsat xg>〇 (15)
[0037] 其中模型参数&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18士=(￥^，〇/^，&11 )=也(1-1^为沟道内的表面势变化值，也(1是漏端的表面势，1^是源 端的表面势;qi为反型层荷密度;6_*是1 = 3001((1'是温度)时零电场迀移率的乘积。
[0038] Gvsat 定义为
[0039]
[0040] 其中Effmo为有效电场强度，Mue3为迀移率降低的系数，Hmue3S迀移率降低的指数， 9 vast为速度饱和迀移因子。
[0041] 小结:步骤二建立栅-源二极管电流方程，栅-漏二极管电流方程，及表征跨导频率 分布效应的IdP电流方程，完成非本征结构偏压相关元件模型；
[0042]步骤三.结合m-V族HEMT器件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；
[0043]步骤四.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，具体是：
[0044] 采用Verilog-a语言对步骤(3)提出的模型拓扑结构进行了描述。模型源代码可通 过编译器直接编译并链接到仿真器的模型库中，实现模型在EDA仿真工具中可用。
[0045] 步骤五.模型参数提取和确定：
[0046] 5.1器件截止情况下的散射参数S提取寄生元件参数，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;
[0047] 5.2测量零偏置情况下器件的散射参数S，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L g、栅接触电阻Rg、栅端侧墙 寄生电容Cfrg、漏端侧墙寄生电容C frd、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R gd;
[0048] 5.3测量器件直流电流电压特性，采用安捷伦公司ICCAP( Integrated Circuit Characterization and Analysis Program-集成电路表征及分析软件)软件拟和获得各直 流模型参数，包括跨导&，漏源电流Ids，栅-漏、栅-源结二极管D js、Djd，并由Ith=IdsXVds获 得热子电路元件热电流Ith。
[0049] 5.4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(：_、栅源电容C gsi和源漏电容Cdsi;
[0050] 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，f= 1/ (231 X Rdb X Cdb)，确定表征跨导频率分布效应 的电阻RdP、电容(^值和交流电流放大倍数β。
[0051 ] 5.6将步骤5.1-5.5提取的模型参数进行优化：
[0052]重新测取全工作区域范围（即包括工作和非工作状态)散射参数S，采用随机优化 算法，对模型所有参数进行优化。注意:直流电流模型参数和偏压无关量在之前提取过程中 应该先确定，确定后不再改变。
[0053]小结:在片测试实际器件，获得的测试数据按照步骤(5.1)-(5.6)实现模型参数值 的提取和确定。
[0054