CN103838939B - 一种垂直型场效应晶体管直流特性和电容特性仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直型场效应晶体管直流特性和电容特性仿真方法，包括以下步骤：步骤10)获取直流特性测试数据文件；步骤20）根据漂移区特性建立漂移区电阻；步骤30）建立垂直型场效应晶体管直流特性模型；步骤40）电容CiSS、CrSS测试，并通过计算得到CGS、CGD与漏极电压相对应的电容值，获取CGS、CGD的测试数据文件，步骤50）建立垂直型场效应晶体管电容CGD模型；步骤60）建立垂直型场效应晶体管电容CGS模型，本发明中垂直型场效应晶体管的直流特性模型可以解决BSIM3V3模型本身不具备垂直型场效应晶体管所具有的准饱和特性的问题，并且弥补了垂直型场效应晶体管电容模型的空白。
Description
技术领域
本发明涉及高压功率半导体器件的仿真领域，具体来说，本发明提供一种垂直型场效应晶体管直流特性和电容特性仿真方法。
背景技术
随着电子电力技术的不断发展，功率半导体器件作为电子电力系统中能量控制和转化的基本电子元器件，得到越来越广泛的应用。垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管(VDMOS)是新一代的电力电子开关器件。由于具有独特的高输入阻抗、高开关速度、宽安全工作区、低驱动功率、优越的频率特性、很好的热稳定性及低噪声等优点，垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管成为当前半导体分立器件中的高端产品，其应用范围广，市场需求大，发展前景好。目前，垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管主要应用于电机调速、逆变器、电子开关及汽车电器等领域。由于我国90％以上垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管产品需要进口，因此对垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管器件的物理特性及电学特性研究与建模有着重要实际意义。
集成电路用器件模型是连接实际器件和电路仿真的桥梁。集成电路用器件的SPICE模型建立在基本元器件（如晶体管、垂直型场效应管、电阻、电容等）的工作机理和物理细节之上，可以用于SPICE仿真器，精确的在电路级、器件级仿真系统仿真器件的静态和动态工作特性，验证系统的逻辑功能，进行系统级的信号完整性分析。因此，SPICE模型在集成电路设计中得到了广泛的应用。
针对垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管器件的SPICE模型，Sanchez等初步建立了一种包含准饱和效应的模型，但该模型没有考虑积累区电阻寄生结型场效应晶体管的沟道夹断对于器件特性的影响，Victory等建立了一种基于表面势的垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管模型，但该模型仅考虑了寄生结型场效应晶体管沟道未夹断的情况，且对漂移区电阻的计算并不精确，Chauhan等将垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管器件看成一个普通的N沟道金属氧化物半导体串联一个受栅压控制的电阻，该电阻仅仅由一个没有物理意义的经验公式给出，因此，该模型无法精确准确描述外界电压的变化对垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管器件内部特性造成的改变，鉴于已有垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管模型精确性差等问题，至今为止，没有一个标准的SPICE模型可以描述垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管器件的特性。
本发明在经典的BSIM3V3模型的基础上，建立一套新的描述垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管器件电学特性的SPICE模型，为了精确描述垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管器件的电学特性，将垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管器件视为普通N沟道金属氧化物半导体与漂移区电阻的串联。
发明内容
技术问题：本发明提供一种垂直型场效应晶体管直流特性和电容特性仿真方法，该方法简单有效，其中直流特性模型能够体现垂直型场效应晶体管的准饱和效应，电容模型弥补了垂直型场效应晶体管电容模型的空白。
技术方案：为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
步骤10）获取能够被MBP识别的直流特性测试数据文件，MBP是一种侧重于硅器件的器件建模软件，
步骤101）在PCII6515芯片上找到垂直型场效应晶体管相对应的引脚，其中标记为1的是垂直型场效应晶体管的源端，标记为2的是垂直型场效应晶体管的栅端，标记为8的是垂直型场效应晶体管的漏极，将垂直型场效应晶体管放入半导体参数测试仪B1505A的芯片插槽，并将垂直型场效应晶体管的栅极G接半导体参数测试仪B1505A的HPSMU端口、源极S和衬底B接半导体参数测试仪B1505A的GNDU端口，漏极D接半导体参数测试仪B1505A的HCSMU端口，
步骤102）打开半导体参数测试仪B1505A上的EasyExpert测试软件，对垂直型场效应晶体管进行测试，获得一组测试温度为25℃的输出特性数据，对垂直型场效应晶体管进行测试的具体方法如下：
利用半导体参数测试仪B1505A对栅极G施加不同的正栅压，正栅压分别为4.1V、5V、6V、13V，然后分别在每一个对应的栅压下，利用半导体参数测试仪B1505A的HCSMU端口对器件的漏极D进行正电压扫描，扫描电压范围是从0V-20V，间隔步长为1V，每扫一点即记录漏极电流大小，最后得到一组垂直型场效应晶体管器件的输出特性数据，
步骤103）将测试温度为25℃的输出特性数据组成能够被MBP识别的直流特性测试数据文件，
步骤20）根据垂直型场效应晶体管漂移区的特性建立漂移区电阻模型，所述漂移区电阻为：
（式1）
其中Rdrift为漂移区电阻，dirft为漂移区，Rsh为漂移区初始电阻，VD为漏极电压，D为垂直型场效应晶体管的漏极，b为漏极电压调节因子，VG为栅极电压，G为垂直型场效应晶体管的栅极，a为栅极电压调节因子，其中Rsh、b、a为漂移区电阻模型的模型参数，
步骤30）根据步骤20）中的漂移区电阻模型，建立垂直型场效应晶体管的直流特性模型，
步骤301）建立垂直型场效应晶体管直流特性模型的模型文件，模型文件包括垂直型场效应晶体管直流特性模型和该模型参数的初始值，
所述垂直型场效应晶体管的直流特性模型为：将漂移区电阻的一端和N沟道金属氧化物半导体的漏极连接，漂移区电阻的另一端作为垂直型场效应晶体管的漏极，N沟道金属氧化物半导体的栅极和源极分别作为垂直型场效应晶体管的栅极和源极，
对垂直型场效应晶体管模型的直流特性模型参数赋予初始值，所述模型参数包括N沟道金属氧化物半导体的BSIM3V3模型参数和漂移区电阻的模型参数，其中BSIM3V3模型参数为：Tox、xj、rsh、Vth0、K1、K2、u0、ua、ub、uc、Nfactor、Voff、A0、Ags、keta、alph0、alph1、beta0、dvt0、dvt1、dvt2、nlx、rdsw、lint、ll、prwg、prwb、cdsc、cdscd，漂移区电阻的模型参数为：Rsh、b、a，
步骤302）在MBP中选择模型类型为BSIM3V3，将步骤103）中所述的直流特性测试数据文件读入MBP中，MBP依据垂直型场效应晶体管的直流特性测试数据文件产生垂直型场效应晶体管测试输出特性离散点，读入步骤301）中所述的模型文件，MBP根据模型文件生成基于垂直型场效应晶体管模型的仿真输出特性曲线以及垂直型场效应晶体管直流特性模型的均方根误差RMSE，MBP中RMSE的内置计算方法为：
（式2）
其中，N表示测试点的总点数，mea(i)表示第i个测试点的测试数据，sim(i)表示第i个测试点的仿真数据，
调节垂直型场效应晶体管直流特性模型的模型参数，直至垂直型场效应晶体管直流特性模型的RMSE小于垂直型场效应晶体管输出特性拟合值3%，保存对应的垂直型场效应晶体管直流特性模型参数的模型文件，
步骤40）获取垂直型场效应晶体管电容CiSS、CrSS的电容值，并通过计算得到相应的CGS、CGD电容值，其中CiSS为垂直型场效应晶体管的输入电容，CrSS为垂直型场效应晶体管的反向转移电容，CGS为垂直型场效应晶体管的栅源电容，CGD为垂直型场效应晶体管的栅漏电容，
步骤401）电容CiSS的测试电路搭建以及电容值获取：AgilentE4980A精密LCR表的Hcur端口以及Hpot端口接垂直型场效应晶体管的栅极，Lcur端口以及Lpot端口接垂直型场效应晶体管的源极，Keithley2410源表分别在漏极施加0V、2V、4V、6V、8V、10V、12V、15V、20V、25V、30V、50V、80V、100V、600V，AgilentE4980A精密LCR表记录对应的CiSS电容值，
步骤402）电容CrSS的测试电路搭建以及电容值获取：AgilentE4980A精密LCR的Hcur端口以及Hpot端口接垂直型场效应晶体管的漏极，Lcur端口以及Lpot端口接垂直型场效应晶体管的栅极，源表Keithley2410分别在漏极施加0V、2V、4V、6V、8V、10V、12V、15V、20V、25V、30V、50V、80V、100V、600V，半导体仪器AgilentE4980A精密LCR表记录对应的CrSS电容值，
步骤403）在相同的漏极电压下，对应的垂直型场效应晶体管电容CiSS、CrSS与CGS、CGD的关系如下：
Ciss=CGS+CGD （式3）
Crss=CGD （式4）
根据上述的两个关系式，计算出漏极电压为0V、2V、4V、6V、8V、10V、12V、15V、20V、25V、30V、50V、80V、100V、600V时CGS、CGD的电容值，并分别建立能够被MBP识别的CGS电容值测试文件和CGD电容值测试文件，
步骤50）建立垂直型场效应晶体管电容CGD模型，
步骤501）所述垂直型场效应晶体管CGD电容如下：
（式5）
VD为漏极电压，D为垂直型场效应晶体管的漏极，CGD0为栅源电容初始参数，α为漏极电压调节参数，β为漏极电压指数影响参数，其中CGD0、α、β为垂直型场效应晶体管电容CGD模型的模型参数，
对垂直型场效应晶体管电容CGD模型的模型参数赋予初始值，然后建立垂直型场效应晶体管电容CGD模型的模型文件，该模型文件包括式（5）和垂直型场效应晶体管电容CGD模型的模型参数的初始值，
步骤502）将步骤403）所述的CGD电容值测试文件读入MBP中，MBP依据垂直型场效应晶体管电容CGD的电容值测试文件产生垂直型场效应晶体管电容CGD的测试点，读入步骤501）中建立的模型文件，MBP根据该模型文件自动生成垂直型场效应晶体管电容CGD的仿真曲线以及垂直型场效应晶体管电容CGD模型的均方根误差RMSE，
令CGD0值=CGD0初始值+3E-11*i，α值=α初始值+3E-3*j，β值=β初始值+3E-2*k，其中CGD0初始值为0，α初始值为0，β的初始值为-0.867，i为0至200的整数，j为0至500的整数，k为0至100的整数，法拉为参数CGD0的单位，伏特为参数α的单位，
调整步骤501）中建立的模型文件中的模型参数，当垂直型场效应晶体管电容CGD模型的均方根误差RMSE最小时，保存对应的含有垂直型场效应晶体管电容CGD模型参数的模型文件，
步骤60）建立垂直型场效应晶体管电容CGS模型，
步骤601）所述垂直型场效应晶体管CGS电容如下：
（式6）
VD为漏极电压，D为垂直型场效应晶体管的漏极，CGS0为栅源初始电容值，m为漏极电压正向影响参数，n为漏极电压负向影响参数，其中CGS0、m、n为垂直型场效应晶体管电容CGS模型的模型参数，
对垂直型场效应晶体管电容CGS模型的模型参数赋予初始值，然后建立垂直型场效应晶体管电容CGS模型的模型文件，该模型文件包括（式6）和垂直型场效应晶体管电容CGS模型的模型参数的初始值，
步骤602）将步骤404）所述的CGS电容值测试文件读入MBP中，MBP依据垂直型场效应晶体管电容CGS的电容值测试文件产生垂直型场效应晶体管电容CGS的测试点，调入步骤701）中建立的模型文件，MBP根据该模型文件自动生成垂直型场效应晶体管电容CGS的仿真曲线以及垂直型场效应晶体管电容CGS模型的均方根误差RMSE，
令CGS0值=CGS0初始值+1E-11*x，m值=m初始值+1E-2*y，n值=n初始值+1E-2*z，其中CGS0初始值为1.0E-10，m初始值为0，n初始值为0，x为0至100的整数，y为0至200的整数，z为0至300的整数，法拉为参数CGS0的单位，伏特-1为参数m的单位，伏特-1为参数n的单位，
调整步骤601）建立的模型文件中的模型参数，当垂直型场效应晶体管电容CGS的均方根RMS最小时，保存对应的含有垂直型场效应晶体管电容CGS模型参数的模型文件，
步骤70）将垂直型场效应管直流特性模型以及电容CGD、CGS模型的模型参数添加进电路设计及仿真软件Cadence中，对垂直场效应管进行仿真，得到垂直场效应管的直流特性和电容特性，从而最终建立起垂直型场效应管直流特性和电容特性仿真方法。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
（1）本发明的直流特性模型能够体现垂直型场效应晶体管的准饱和效应。图4为基于垂直型场效应晶体管的直流特性模型的直流特性仿真曲线以及测试数据离散点，由于该模型在N沟道金属氧化物半导体的基础上增加了漂移区电阻，考虑到垂直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体的准饱和效应，所以该模型的方均根误差RMS为3.000%，达到了相当的精度。
（2）本发明弥补了垂直型场效应晶体管电容模型的空白。图5为基于垂直型场效应晶体管CGD电容模型的仿真曲线以及CGD电容的测试数据离散点，图6为基于垂直型场效应晶体管CGS电容模型的仿真曲线以及CGS电容的测试数据离散点，可以看出CGS模型、CGD模型对应的均方根误差RMSE都在3%以内，达到了相当的精度，能够在实际中应用。
（3）垂直型场效应晶体管的直流特性模型和电容模型结构简单，拟合精度高，参数较少，且每个参数都具有物理意义，仿真收敛速度快。
（4）适于工程上推广运用。本发明的垂直型场效应晶体管直流特性模型和电容模型适于工程上进行集成电路设计与仿真，且发明具有通用性，不同型号的垂直型场效应晶体管具有不同的转移特性以及输出特性，在本发明中均可以通过同一个模型来完成，实现对于不同温度下的垂直型场效应晶体管的直流特性曲线和电容C-V曲线的拟合。
附图说明
图1为垂直型场效应晶体管直流特性仿真方法的流程图。
图2为垂直型场效应晶体管电容特性仿真方法的流程图。
图3为垂直型场效应晶体管直流特性模型。
图4为宽度1000μm、长度1μm的垂直型场效应晶体管的垂直型场效应晶体管直流特性的测试数据离散点与基于直流特性模型的仿真曲线。图中[M]VGS=4.1V表示栅压为4.1V时对应的测试数据离散点，[S]VGS=4.1V表示栅压为4.1V时对应的仿真曲线;图中[M]VGS=5.0V表示栅压为5V时对应的测试数据离散点，[S]VGS=5.0V表示栅压为5V时对应的仿真曲线；图中[M]VGS=6.0V表示栅压为6V时对应的测试数据离散点，[S]VGS=6.0V表示栅压为6V时对应的仿真曲线；图中[M]VGS=13V表示栅压为13V时对应的测试数据离散点，[S]VGS=13V表示栅压为13V时对应的仿真曲线。图中RMSE表示基于垂直型场效应晶体管直流特性模型的均方根误差。
图5为宽度1000μm、长度1μm的垂直型场效应晶体管基于CGD电容模型的仿真曲线与电容CGD的测试数据离散点。图中RMSE表示基于垂直型场效应晶体管CGD模型的均方根误差。
图6为宽度1000μm、长度1μm的垂直型场效应晶体管基于CGS电容模型的仿真曲线与电容CGS的测试数据离散点。图中RMSE表示基于垂直型场效应晶体管CGS模型的均方根误差。
具体实施方式
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
步骤10）获取能够被建模软件MBP识别的直流特性测试数据文件，MBP是一种侧重于硅器件的器件建模软件，
步骤101）在PCII6515芯片上找到垂直型场效应晶体管相对应的引脚，其中标记为1的是垂直型场效应晶体管的源端，标记为2的是垂直型场效应晶体管的栅端，标记为8的是垂直型场效应晶体管的漏极，将垂直型场效应晶体管放入半导体参数测试仪B1505A的芯片插槽，并将垂直型场效应晶体管的栅极G接半导体参数测试仪B1505A的HPSMU端口、源极S和衬底B接半导体参数测试仪B1505A的GNDU端口，漏极D接半导体参数测试仪B1505A的HCSMU端口，
步骤102）打开半导体参数测试仪B1505A上的EasyExpert测试软件，对垂直型场效应晶体管进行测试，获得一组测试温度为25℃的输出特性数据，对垂直型场效应晶体管进行测试的具体方法如下：
利用半导体参数测试仪B1505A对栅极G施加不同的正栅压，正栅压分别为4.1V、5V、6V、13V，然后分别在每一个对应的栅压下，利用半导体参数测试仪B1505A的HCSMU端口对器件的漏极D进行正电压扫描，扫描电压范围是从0V-20V，间隔步长为1V，每扫一点即记录漏极电流大小，最后得到一组垂直型场效应晶体管器件的输出特性数据，
步骤103）将测试温度为25℃的输出特性数据组成能够被MBP识别的直流特性测试数据文件，
步骤20）根据垂直型场效应晶体管漂移区的特性建立漂移区电阻模型，所述漂移区电阻为：
（式1）
其中Rdrift为漂移区电阻，dirft为漂移区，Rsh为漂移区初始电阻，VD为漏极电压，D为垂直型场效应晶体管的漏极，b为漏极电压调节因子，VG为栅极电压，G为垂直型场效应晶体管的栅极，a为栅极电压调节因子，其中Rsh、b、a为漂移区电阻模型的模型参数，
步骤30）根据步骤20）中的漂移区电阻模型，建立垂直型场效应晶体管的直流特性模型，
步骤301）建立垂直型场效应晶体管直流特性模型的模型文件，模型文件包括垂直型场效应晶体管直流特性模型和该模型参数的初始值，
所述垂直型场效应晶体管的直流特性模型为：将漂移区电阻的一端和N沟道金属氧化物半导体的漏极连接，漂移区电阻的另一端作为垂直型场效应晶体管的漏极，N沟道金属氧化物半导体的栅极和源极分别作为垂直型场效应晶体管的栅极和源极，
对垂直型场效应晶体管模型的直流特性模型参数赋予初始值，所述模型参数包括N沟道金属氧化物半导体的BSIM3V3模型参数和漂移区电阻的模型参数，其中BSIM3V3模型参数为：Tox、xj、rsh、Vth0、K1、K2、u0、ua、ub、uc、Nfactor、Voff、A0、Ags、keta、alph0、alph1、beta0、dvt0、dvt1、dvt2、nlx、rdsw、lint、ll、prwg、prwb、cdsc、cdscd，漂移区电阻的模型参数为：Rsh、b、a，
步骤302）在MBP中选择模型类型为BSIM3V3，将步骤103）中所述的直流特性测试数据文件读入MBP中，MBP依据垂直型场效应晶体管的直流特性测试数据文件产生垂直型场效应晶体管测试输出特性离散点，读入步骤301）中所述的模型文件，MBP根据模型文件生成基于垂直型场效应晶体管模型的仿真输出特性曲线以及垂直型场效应晶体管直流特性模型的均方根误差RMSE，MBP中RMSE的内置计算方法为：
（式2）
其中，N表示测试点的总点数，mea(i)表示第i个测试点的测试数据，sim(i)表示第i个测试点的仿真数据，
调节垂直型场效应晶体管直流特性模型的模型参数，直至垂直型场效应晶体管直流特性模型的RMSE小于垂直型场效应晶体管输出特性拟合值3%，保存对应的垂直型场效应晶体管直流特性模型参数的模型文件，
步骤40）获取垂直型场效应晶体管电容CiSS、CrSS的电容值，并通过计算得到相应的CGS、CGD电容值，其中CiSS为垂直型场效应晶体管的输入电容，CrSS为垂直型场效应晶体管的反向转移电容，CGS为垂直型场效应晶体管的栅源电容，CGD为垂直型场效应晶体管的栅漏电容，
步骤401）电容CiSS的测试电路搭建以及电容值获取：AgilentE4980A精密LCR表的Hcur端口以及Hpot端口接垂直型场效应晶体管的栅极，Lcur端口以及Lpot端口接垂直型场效应晶体管的源极，Keithley2410源表分别在漏极施加0V、2V、4V、6V、8V、10V、12V、15V、20V、25V、30V、50V、80V、100V、600V，AgilentE4980A精密LCR表记录对应的CiSS电容值，
步骤402）电容CrSS的测试电路搭建以及电容值获取：AgilentE4980A精密LCR的Hcur端口以及Hpot端口接垂直型场效应晶体管的漏极，Lcur端口以及Lpot端口接垂直型场效应晶体管的栅极，源表Keithley2410分别在漏极施加0V、2V、4V、6V、8V、10V、12V、15V、20V、25V、30V、50V、80V、100V、600V，半导体仪器AgilentE4980A精密LCR表记录对应的CrSS电容值，
步骤403）在相同的漏极电压下，对应的垂直型场效应晶体管电容CiSS、CrSS与CGS、CGD的关系如下：
Ciss=CGS+CGD （式3）
Crss=CGD （式4）
根据上述的两个关系式，计算出漏极电压为0V、2V、4V、6V、8V、10V、12V、15V、20V、25V、30V、50V、80V、100V、600V时CGS、CGD的电容值，并分别建立能够被MBP识别的CGS电容值测试文件和CGD电容值测试文件，
步骤50）建立垂直型场效应晶体管电容CGD模型，
步骤501）所述垂直型场效应晶体管CGD电容如下：
（式5）
VD为漏极电压，D为垂直型场效应晶体管的漏极，CGD0为栅源电容初始参数，α为漏极电压调节参数，β为漏极电压指数影响参数，其中CGD0、α、β为垂直型场效应晶体管电容CGD模型的模型参数，
对垂直型场效应晶体管电容CGD模型的模型参数赋予初始值，然后建立垂直型场效应晶体管电容CGD模型的模型文件，该模型文件包括式（5）和垂直型场效应晶体管电容CGD模型的模型参数的初始值，
步骤502）将步骤403）所述的CGD电容值测试文件读入MBP中，MBP依据垂直型场效应晶体管电容CGD的电容值测试文件产生垂直型场效应晶体管电容CGD的测试点，读入步骤501）中建立的模型文件，MBP根据该模型文件自动生成垂直型场效应晶体管电容CGD的仿真曲线以及垂直型场效应晶体管电容CGD模型的均方根误差RMSE，
令CGD0值=CGD0初始值+3E-11*i，α值=α初始值+3E-3*j，β值=β初始值+3E-2*k，其中CGD0初始值为0，α初始值为0，β的初始值为-0.867，i为0至200的整数，j为0至500的整数，k为0至100的整数，法拉为参数CGD0的单位，伏特为参数α的单位，
调整步骤501）中建立的模型文件中的模型参数，当垂直型场效应晶体管电容CGD模型的均方根误差RMSE最小时，保存对应的含有垂直型场效应晶体管电容CGD模型参数的模型文件，
步骤60）建立垂直型场效应晶体管电容CGS模型，
步骤601）所述垂直型场效应晶体管CGS电容如下：
（式6）
VD为漏极电压，D为垂直型场效应晶体管的漏极，CGS0为栅源初始电容值，m为漏极电压正向影响参数，n为漏极电压负向影响参数，其中CGS0、m、n为垂直型场效应晶体管电容CGS模型的模型参数，
对垂直型场效应晶体管电容CGS模型的模型参数赋予初始值，然后建立垂直型场效应晶体管电容CGS模型的模型文件，该模型文件包括（式6）和垂直型场效应晶体管电容CGS模型的模型参数的初始值，
步骤602）将步骤404）所述的CGS电容值测试文件读入MBP中，MBP依据垂直型场效应晶体管电容CGS的电容值测试文件产生垂直型场效应晶体管电容CGS的测试点，调入步骤701）中建立的模型文件，MBP根据该模型文件自动生成垂直型场效应晶体管电容CGS的仿真曲线以及垂直型场效应晶体管电容CGS模型的均方根误差RMSE，
令CGS0值=CGS0初始值+1E-11*x，m值=m初始值+1E-2*y，n值=n初始值+1E-2*z，其中CGS0初始值为1.0E-10，m初始值为0，n初始值为0，x为0至100的整数，y为0至200的整数，z为0至300的整数，法拉为参数CGS0的单位，伏特-1为参数m的单位，伏特-1为参数n的单位，
调整步骤601）建立的模型文件中的模型参数，当垂直型场效应晶体管电容CGS的均方根RMS最小时，保存对应的含有垂直型场效应晶体管电容CGS模型参数的模型文件，
步骤70）将垂直型场效应管直流特性模型以及电容CGD、CGS模型的模型参数添加进电路设计及仿真软件Cadence中，对垂直场效应管进行仿真，得到垂直场效应管的直流特性和电容特性，从而最终建立起垂直型场效应管直流特性和电容特性仿真方法。
Claims (1)
1.一种垂直型场效应晶体管直流特性和电容特性仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤10)获取能够被建模软件MBP识别的直流特性测试数据文件，MBP是一种侧重于硅器件的器件建模软件，
步骤101)将垂直型场效应晶体管放入半导体参数测试仪B1505A的芯片插槽，并将垂直型场效应晶体管的栅极G接半导体参数测试仪B1505A的HPSMU端口，源极S和衬底B接半导体参数测试仪B1505A的GNDU端口，漏极D接半导体参数测试仪B1505A的HCSMU端口，
步骤102)打开半导体参数测试仪B1505A上的Easy Expert测试软件，对垂直型场效应晶体管进行测试，获得一组测试温度为25℃的输出特性数据，对垂直型场效应晶体管进行测试的具体方法如下：
利用半导体参数测试仪B1505A对栅极G施加不同的正栅压，正栅压分别为4.1V、5V、6V、13V，然后分别在每一个对应的栅压下，利用半导体参数测试仪B1505A的HCSMU端口对器件的漏极D进行正电压扫描，扫描电压范围是从0V-20V，间隔步长为1V，每扫一点即记录漏极电流大小，最后得到一组垂直型场效应晶体管器件的输出特性数据，
步骤103)将测试温度为25℃的输出特性数据组成能够被MBP识别的直流特性测试数据文件，
步骤20)根据垂直型场效应晶体管漂移区的特性建立漂移区电阻模型，所述漂移区电阻为：
其中Rdrift为漂移区电阻，dirft为漂移区，Rsh为漂移区初始电阻，VD为漏极电压，D为垂直型场效应晶体管的漏极，b为漏极电压调节因子，VG为栅极电压，G为垂直型场效应晶体管的栅极，a为栅极电压调节因子，其中Rsh、b、a为漂移区电阻模型的模型参数，
步骤30)根据步骤20)中的漂移区电阻模型，建立垂直型场效应晶体管的 直流特性模型，
步骤301)建立垂直型场效应晶体管直流特性模型的模型文件，模型文件包括垂直型场效应晶体管直流特性模型和该模型参数的初始值，
所述垂直型场效应晶体管的直流特性模型为：将漂移区电阻的一端和N沟道金属氧化物半导体的漏极连接，漂移区电阻的另一端作为垂直型场效应晶体管的漏极，N沟道金属氧化物半导体的栅极和源极分别作为垂直型场效应晶体管的栅极和源极，
对垂直型场效应晶体管模型的直流特性模型参数赋予初始值，所述模型参数包括N沟道金属氧化物半导体的BSIM3V3模型参数和漂移区电阻的模型参数，其中BSIM3V3模型参数为：Tox、xj、rsh、Vth0、K1、K2、u0、ua、ub、uc、Nfactor、Voff、A0、Ags、keta、alph0、alph1、beta0、dvt0、dvt1、dvt2、nlx、rdsw、lint、ll、prwg、prwb、cdsc、cdscd，漂移区电阻的模型参数为：Rsh、b、a，
步骤302)在MBP中选择模型类型为BSIM3V3，将步骤103)中所述的直流特性测试数据文件读入MBP中，MBP依据垂直型场效应晶体管的直流特性测试数据文件产生垂直型场效应晶体管测试输出特性离散点，读入步骤301)中所述的模型文件，MBP根据模型文件生成基于垂直型场效应晶体管模型的仿真输出特性曲线以及垂直型场效应晶体管直流特性模型的均方根误差RMSE，MBP中RMSE的内置计算方法为：
(式2)
其中，N表示测试点的总点数，mea(i)表示第i个测试点的测试数据，sim(i)表示第i个测试点的仿真数据，
调节垂直型场效应晶体管直流特性模型的模型参数，直至垂直型场效应晶体管直流特性模型的RMSE小于垂直型场效应晶体管输出特性拟合值3％，保存对应的垂直型场效应晶体管直流特性模型参数的模型文件，
步骤40)获取垂直型场效应晶体管电容CiSS、CrSS的电容值，并通过计算得到相应的CGS、CGD电容值，其中CiSS为垂直型场效应晶体管的输入电容，CrSS为垂直型场效应晶体管的反向转移电容，CGS为垂直型场效应晶体管的栅源电容， CGD为垂直型场效应晶体管的栅漏电容，
步骤401)电容CiSS的测试电路搭建以及电容值获取：AgilentE4980A精密LCR表的Hcur端口以及Hpot端口接垂直型场效应晶体管的栅极，Lcur端口以及Lpot端口接垂直型场效应晶体管的源极，Keithley 2410源表分别在漏极施加0V、2V、4V、6V、8V、10V、12V、15V、20V、25V、30V、50V、80V、100V、600V，AgilentE4980A精密LCR表记录对应的CiSS电容值，
步骤402)电容CrSS的测试电路搭建以及电容值获取：AgilentE4980A精密LCR的Hcur端口以及Hpot端口接垂直型场效应晶体管的漏极，Lcur端口以及Lpot端口接垂直型场效应晶体管的栅极，源表Keithley 2410分别在漏极施加0V、2V、4V、6V、8V、10V、12V、15V、20V、25V、30V、50V、80V、100V、600V，半导体仪器AgilentE4980A精密LCR表记录对应的CrSS电容值，
步骤403)在相同的漏极电压下，对应的垂直型场效应晶体管电容CiSS、CrSS与CGS、CGD的关系如下：
Ciss＝CGS+CGD (式3)
Crss＝CGD (式4)
根据上述的两个关系式，计算出漏极电压为0V、2V、4V、6V、8V、10V、12V、15V、20V、25V、30V、50V、80V、100V、600V时CGS、CGD的电容值，并分别建立能够被MBP识别的CGS电容值测试文件和CGD电容值测试文件，
步骤50)建立垂直型场效应晶体管电容CGD模型，
步骤501)所述垂直型场效应晶体管CGD电容如下：
（式5）
VD为漏极电压，D为垂直型场效应晶体管的漏极，CGD0为栅源电容初始参数，α为漏极电压调节参数，β为漏极电压指数影响参数，其中CGD0、α、β为垂直型场效应晶体管电容CGD模型的模型参数，
对垂直型场效应晶体管电容CGD模型的模型参数赋予初始值，然后建立垂直型场效应晶体管电容CGD模型的模型文件，该模型文件包括式5和垂直型场效应晶体管电容CGD模型的模型参数的初始值，
步骤502)将步骤403)所述的CGD电容值测试文件读入MBP中，MBP 依据垂直型场效应晶体管电容CGD的电容值测试文件产生垂直型场效应晶体管电容CGD的测试点，读入步骤501)中建立的模型文件，MBP根据该模型文件自动生成垂直型场效应晶体管电容CGD的仿真曲线以及垂直型场效应晶体管电容CGD模型的均方根误差RMSE，
令CGD0值＝CGD0初始值+3×10-11*i，α值＝α初始值+3×10-3*j，β值＝β初始值+3×10-2*k，其中CGD0初始值为0，α初始值为0，β的初始值为-0.867，i为0至200的整数，j为0至500的整数，k为0至100的整数，法拉为参数CGD0的单位，伏特为参数α的单位，
调整步骤501)中建立的模型文件中的模型参数，当垂直型场效应晶体管电容CGD模型的均方根误差RMSE最小时，保存对应的含有垂直型场效应晶体管电容CGD模型参数的模型文件，
步骤60)建立垂直型场效应晶体管电容CGS模型，
步骤601)所述垂直型场效应晶体管CGS电容如下：
VD为漏极电压，D为垂直型场效应晶体管的漏极，CGS0为栅源初始电容值，m为漏极电压正向影响参数，n为漏极电压负向影响参数，其中CGS0、m、n为垂直型场效应晶体管电容CGS模型的模型参数，
对垂直型场效应晶体管电容CGS模型的模型参数赋予初始值，然后建立垂直型场效应晶体管电容CGS模型的模型文件，该模型文件包括式6和垂直型场效应晶体管电容CGS模型的模型参数的初始值，
步骤602)将步骤403)所述的CGS电容值测试文件读入MBP中，MBP依据垂直型场效应晶体管电容CGS的电容值测试文件产生垂直型场效应晶体管电容CGS的测试点，调入步骤601)中建立的模型文件，MBP根据该模型文件自动生成垂直型场效应晶体管电容CGS的仿真曲线以及垂直型场效应晶体管电容CGS模型的均方根误差RMSE，
令CGS0值＝CGS0初始值+1×10-11*x，m值＝m初始值+1×10-2*y，n值＝n初始值+1×10-2*z，其中CGS0初始值为1.0E-10，m初始值为0，n初始值为0，x为0至100的整数，y为0至200的整数，z为0至300的整数，法拉为参数CGS0的 单位，伏特-1为参数m的单位，伏特-1为参数n的单位，
调整步骤601)建立的模型文件中的模型参数，当垂直型场效应晶体管电容CGS的均方根RMS最小时，保存对应的含有垂直型场效应晶体管电容CGS模型参数的模型文件，
步骤70)将垂直型场效应管直流特性模型以及电容CGD、CGS模型的模型参数添加进电路设计及仿真软件Cadence中，对垂直场效应管进行仿真，得到垂直场效应管的直流特性和电容特性，从而最终建立起垂直型场效应管直流特性和电容特性仿真方法。
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