一种Ⅲ-Ⅴ族HEMT表面势基集约型模型的建模方法技术

本发明专利技术公开一种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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电子器件建模技术，尤其涉及到一种Ⅲ-Ⅴ族HEMT表面势基集约型模型的建模方法。
技术介绍
Ⅲ-Ⅴ族高电子迁移率晶体管(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Ⅲ-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(MMICCAD)的基础，可适用于大型电子设计自动化(EDA)仿真应用的Ⅲ-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MMICCAD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Ⅲ-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Ⅲ-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。Ⅲ-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。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有Ⅲ-Ⅴ族HEMT器件建模技术的不足，提供一种针对Ⅲ-Ⅴ族HEMT表面势基集约型模型的建模方法，旨在解决现有的Ⅲ-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Ⅲ-Ⅴ族HEMT集约型模型。本专利技术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：步骤一.建立Ⅲ-Ⅴ族HEMT表面势基集约型内核模型：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(x方向)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)；d2ψsdx2=qϵS[NA+N+Np-P-ND]---(1)]]>Ψs为表面电势，q为电荷量，εs为介电常数，右边中括号里的四项分别表示多子空穴N、受主电荷NA、极化电荷NP、少子电子P和施主电荷ND的贡献。由于Ⅲ-Ⅴ族HEMT中NA很小，这里忽略受主NA的影响。Vgs-Vfb-ψs=±γψs-VT+VT·exp((ψs-2ψF-Vcs)/VT)+VT·exp((-ψs)/VT)+exp((-2ψF-Vcs)/VT)---(2)]]>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)，qs=γψs+VT(exp(-ψsVT)-1)---(3)]]>在0<Ψs<3VT时，体电荷密度的计算见公式(4)，qs=-γψs+VT·(exp(-ψsVT)-1)---(4)]]>在Ψs>3VT时，体电荷密度的计算见公式(5)，qs=-γψs-VT---(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)Ids=-μW(qidψSdy-VTdqidy)---(7)]]>Qdd=-W∫0LqiyLdy---(8)]]>Qss=-W∫0Lqi(1-yL)dy---(9)]]>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；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Ⅲ-Ⅴ族HEMT表面势基集约型内核模型(本征结构模型)的建立；步骤二.建立非本征结构偏压相关元件模型：2.1本专利技术采用肖克利(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Igs、栅漏电流Igd：Igs=Ijs[exp(Vgs2NjsVT)-1]---(11)]]>Igd=-Ijd[exp(Vgd2NjdVT)-1]---(12)]]>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/Gvsatxg＞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(T是温度)时零电场迁移率的乘积。Gvsat定义为Gvsat=12[1+MueEffec0)Hmue](1+2(θvsatΔψ)2)---(16)]]>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。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；步骤三.结合Ⅲ-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；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：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。步骤五.模型参数提取和本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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

\t准确性。
2.如权利要求1所述的一种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)；
d2ψsdx2=qϵS[NA+N+Np-P-ND]---(1)]]>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；
Vgs-Vfb-ψs=±γψs-VT+VT·exp((ψs-2ψF-Vcs)/VT)+VT·exp((-ψs)/VT)+exp((-2ψF-Vcs)/VT)---(2)]]>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)，
qs=γψs+VT(exp(-ψsVT)-1)---(3)]]>在0<Ψs<3VT时，体电荷密度的计算见公式(4)，
qs=-γψs+VT·(exp(-ψsVT)-1)---(4)]]>在Ψs>3VT时，体电荷密度的计算见公式(5)，
qs=-γψs-VT---(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...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪洁，刘军，孙玲玲，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33