CN107609269A - 一种随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，公开了一种随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法，包括：测量晶体管的直流IV特性，选取直流IV模型，并用所述直流IV模型对测试的直流IV数据进行拟合，获得准确的直流IV模型；基于所述准确的直流IV模型，计算晶体管的小信号模型参数，获得晶体管的小信号模型；基于所述准确的直流IV模型，获得晶体管的漏极和栅极噪声电流源及其相关性；将所述晶体管的漏极噪声电流源、栅极噪声电流源及其相关性，带入晶体管的小信号模型中，计算获得晶体管的四个噪声参数，进而大大简化了建模流程、节省了建模时间，更加简单高效、模型精度更高，且易于扩展。
Description
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，尤其涉及一种随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法。
背景技术
在集成电路设计中，不仅需要利用器件模型来仿真电路拓扑，以验证所设计的电路结构是否达到指标要求，而且也会根据电路的设计指标对器件工艺提出相关的性能要求；在集成电路制作中，不仅会根据器件等效电路模型中相关元件的参数值来控制工艺的重复性，而且会根据所提取的器件等效电路参数来优化器件设计工艺，以进一步提高集成电路的性能。当今随着芯片设计指标要求和电路工作频段的升高，电路集成度的加大，电路设计对器件模型的依赖度越来越高，因而获得精确的器件模型将显得越来越重要，这不仅会提高电路设计的准确性，而且可以提高电路设计的一次性成功率，减少工艺反复，而且会降低产品成本，缩短研制周期。
晶体管的噪声模型主要用于设计微波低噪声放大器。精确的晶体管小信号模型是建立噪声模型的基础，晶体管噪声模型的建立方法首先需要建立其小信号模型，在传统的小信号模型参数提取过程中，需要在小信号S参数测量后提取参数初值，然后还需要对参数进行多次迭代和优化，提取流程复杂，而且参数很容易落入局部最小值，导致错误或不具有物理意义的值，对建模人员的专业知识和经验要求很高；另外，为提取晶体管噪声模型的相关经验参数，还需要对晶体管四个噪声参数(最小噪声系数NFmin、等效噪声阻抗Rn、最佳噪声源电导Gopt和最佳噪声源电纳Bopt)的测试数据进行拟合，而噪声测试系统需要一个昂贵的信号源阻抗调谐器(tunner)，并且采用优化方法进行测试求解，需要较多的源阻抗点数，非常耗时，而且可能出现不收敛的解，造成错误的结果。最后，若是需要建立随栅极和漏极偏置电压缩放关系的噪声模型，还需要在多个偏置条件下，重复上述建模步骤，然后再对多偏置的结果进行优化拟合。因此，传统的晶体管噪声模型建立方法十分繁琐复杂，且非常耗时。
发明内容
本发明为了解决现有技术中晶体管噪声模型建立方法中存在繁琐复杂，耗时的技术问题，进而提供了一种随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法，包括如下内容：
测量晶体管的直流IV特性，选取直流IV模型，并用所述直流IV模型对测试的直流IV数据进行拟合，获得准确的直流IV模型；
基于所述准确的直流IV模型，计算晶体管的小信号模型参数，获得晶体管的小信号模型；
基于所述准确的直流IV模型，获得晶体管的漏极和栅极噪声电流源及其相关性；
将所述晶体管的漏极噪声电流源、栅极噪声电流源及其相关性，带入晶体管的小信号模型中，计算获得晶体管的四个噪声参数。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况：
1、由于在本发明的技术方案中，采用晶体管的直流IV模型，计算获得晶体管的小信号模型参数，从而构建出小信号模型，然后还是基于该直流IV模型，计算获得晶体管的漏极噪声电流源、栅极噪声电流源及其相关性，最后，将获得的漏极噪声电流源、栅极噪声电流源及其相关性带入该小信号模型中，从而得到晶体管的四个噪声参数，获得了该晶体管的噪声模型，由于小信号参数直接与器件物理结构参数和直流IV模型相关，无需像传统小信号参数的提取方法一样，对器件进行小信号S参数测试，简化了提取流程，而且小信号模型参数结果更加直观，可用于分析器件物理结构参数对器件小信号特性的影响规律，用于优化器件结构设计，因此，本申请的技术方案大大简化了建模流程、节省了建模时间，更加简单高效、模型精度更高，且易于扩展。
2、由于提出的晶体管的噪声模型是随栅极和漏极偏置条件缩放的，可用于分析偏置条件下晶体管小信号和噪声性能的影响，寻找晶体管的最佳偏置工作点，用于电路设计。
3、由于采用的晶体管直流IV模型以及推导出的小信号模型参数和噪声电流源，是直接与晶体管器件的物理结构参数相关的，如沟道电子浓度、电子饱和速度、势垒层厚度、栅长、栅宽等，可用于分析器件物理结构对晶体管小信号和噪声性能的影响，优化器件结构设计。
附图说明
图1是本发明实施例中随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法的步骤流程示意图；
图2是本发明实施例中GaAs pHEMT晶体管的漏极电流Ids随偏置电压变化的测试数据和模型计算结果的对比的示意图；
图3是本发明实施例中小信号等效电路拓扑示意图；
图4a-图4d是本发明实施例中150μm栅宽的GaAs pHEMT管芯，在Vds＝2V，Ids＝200mA偏置条件下，模型计算得到的四个噪声与实测的结果对比示意图。
具体实施方式
本发明为了解决现有技术中在晶体管噪声模型建立方法中存在繁琐复杂、耗时的技术问题，进而提供了一种随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法。
为了解决上述技术问题，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本发明提供的一种随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法，如图1所示，包括：S101，测量晶体管的直流IV特性，选取直流IV模型，并用所述直流IV模型对测试的直流IV数据进行拟合，获得准确的直流IV模型；S102，基于该准确的直流IV模型，计算晶体管的小信号模型参数，获得晶体管的小信号模型；S103，基于该准确的直流IV模型，获得晶体管的漏极和栅极噪声电流源及其相关性；S104，将该晶体管的漏极噪声电流源、栅极噪声电流源及其相关性，带入晶体管的小信号模型中，计算获得晶体管的四个噪声参数。
在具体的实施方式中，该晶体管类型具体可以为GaAs pHEMT、GaN HEMT、InP HEMT中的任意一种，本发明具体以一0.25μm栅长的GaAs pHEMT晶体管器件为实例，介绍具体的模型建立方法。
首先，在S101中，晶体管的物理结构参数和器件工作特向最终都可以反映到器件的直流IV曲线上，因此，为了准确的描述器件的工作特性，根据器件类型，选取一个合适的直流IV模型，然后，测试的直流IV数据进行拟合，从而能够获得一个准确的直流IV模型，该模型参数是直接与晶体管器件的物理参数相关的，如沟道电子浓度、电子饱和速度、势垒层厚度、栅长、栅宽等。
具体地，为了准确地模拟0.25μm栅长的GaAs pHEMT晶体管的直流IV特性，选取漏极电流Ids模型公式如式(1)所示：
其中，
式中，Vgs为栅源偏置电压；Vds为漏源偏置电压；Idss为Vgs＝0V时的漏极饱和电流；VT为器件夹断电压；ΔVT为夹断电压的非理想偏移；q为电子电荷常数；Nd为掺杂浓度；hb为势垒层厚度；εs为GaAs的介电常数；LG为器件栅长；γ、λ、α、η为经验拟合参数，这里，需要说明的是，还可以选择其他物理基的漏极电流Ids模型来模拟不同类型的晶体管，如Angelov模型、EEHEMT模型、表面势模型等。
具体地，如图2所示，为该GaAs pHEMT晶体管的漏极电流Ids随偏置电压变化的测试数据和模型计算结果的对比，其中弧线为模型计算结果，圆圈代表测试数据，器件总栅宽为150μm，Vgs范围从-1.5V到-0.5V，间隔0.1V，Vds范围从0V到8V，间隔0.5V。从图2中对比结果可以看出，直流IV模型的拟合精度较高，可用于后面步骤中计算小信号模型参数和噪声参数。
接着，在S102中，具体地，根据准确的直流IV模型中的漏极电流Ids模型公式，获取该小信号模型参数的7个本征参数和6个寄生参数，漏极电流Ids模型公式具体采用(1)-(3)中公式。
由于精确的小信号等效电路模型是建立晶体管噪声模型的基础，因此，在本步骤中根据上述获得的准确的晶体管直流IV模型，计算晶体管的小信号模型参数，从而获得晶体管的小信号模型，具体地，上述的小信号模型参数中7个本征参数具体为栅源本征电容Cgs、栅漏本征电容Cgd、漏源本征电容Cds、沟道本征电阻Ri、本征跨导Gm、漏源电导Gds、沟道延迟时间τ，6个寄生参数具体为外部寄生参数，具体为晶体管栅极(Gate)、漏极(Drain)和源极(Source)的寄生电感、寄生电阻，分别表示为Rg、Lg、Rd、Ld、Rs、Ls，这里忽略了晶体管栅指与电极之间电磁耦合所引起的并联的寄生电容。
具体选取的小信号等效电路拓扑如图3所示，其中，虚线框中的部分表示GaAspHEMT的本征参数。
栅源本征电容Cgs和本征跨导Gm是晶体管两个重要的小信号参数，它们共同决定了晶体管的小信号工作截止频率ft。栅源本征电容Cgs的表达式为：
其中，νs晶体管沟道电子饱和速度；W为器件总栅宽。
器件的外部总跨导gm可由漏极电流Ids对栅极电压求偏导数得到，根据式(1)得到：
该晶体管内部本征跨导Gm与外部跨导gm的关系为：
其中，Rs为源极寄生电阻，从晶体管器件结构上来看，Rs由两部分组成，分别为栅源之间的寄生沟道电阻和源极的欧姆接触电阻，可以表示为：
其中，Dgs为晶体管栅极到源极的距离；μn为沟道电子低场迁移率；hc为沟道厚度；Rc为源极的欧姆接触电阻，可以从晶体管制备的过程监控(PCM)测试数据中得到。同样，漏极寄生电阻也可以表示为：
其中，Dgd为晶体管栅极到漏极的距离；X为栅下沟道在漏极方向的扩展。
栅源本征电容Cgd是另一个影响晶体管小信号特性的重要参数，它的值一般远小于Cgs，可以表示为
其中，Φb为晶体管肖特基势垒高度。
晶体管本征沟道电阻Ri可以表示为
该式中系数1/3主要用来描述晶体管肖特基接触界面态和沟道中的深能级陷阱造成的影响。
晶体管沟道延迟时间τ可以表示为：
时中的系数1/2用来描述沟道中电子的速度过冲效应。
晶体管的漏源本征电容Cds可以表示为：
晶体管的漏源本征电导Gds可以由漏极电流Ids对漏源电压Vds求偏导数得到，由式(1)得：
该式中系数3主要用来描述晶体管肖特基接触界面态和沟道中的深能级陷阱造成的影响。
晶体管的栅极寄生电阻电阻Rg和寄生电感Lg可以分别表示为
其中，m为晶体管栅指个数，de为耗尽层深度，HG为栅电极高度，ρ栅极金属电阻率，μ0为自由空间磁导率。
最后，对GaAs pHEMT器件，可以假设Ld≈Lg，且认为Ls≈0。从而可以通过上述式(4)～(15)得到图3中所有晶体管小信号模型参数，由上述获得的小信号模型参数可以看出，所有这些参数是直接与器件物理结构参数和直流IV模型相关的，无需像传统小信号模型参数的提取方法一样，对器件进行小信号S参数测试，简化了提取流程，而且，小信号模型参数结果更加直观，可用于分析器件物理结构参数对器件小信号特性的影响规律，用于优化器件结构设计。
根据上述获得的晶体管的小信号模型参数，从而获得晶体管的小信号模型。
接着，S103中，基于该准确的直流IV模型，从而获得晶体管的漏极和栅极噪声电流源及其相关性。
具体地，首先基于该直流IV模型中漏极电流Ids模型公式，获得晶体管的漏极噪声电流源的噪声功率谱密度与漏极电流的关系式、栅极噪声电流源的噪声功率谱密度与漏极电流的关系式；然后，基于该漏极噪声电流源的噪声功率谱密度，获得漏极噪声电流源，基于该栅极噪声电流源的噪声功率谱密度，获得栅极噪声电流源；最后，基于该栅极噪声电流源和漏极噪声电流源，获得栅极噪声电流源与漏极噪声电流源的相关性。
在具体的实施方式中，针对GaAs pHEMT器件，首先，按照上述图3的小信号等效电路拓扑，在基于小信号模型参数的基础上，增加几个噪声电流源，其中，和分别表示栅极寄生电阻Rg、漏极寄生电阻Rd和源极寄生电阻Rs产生的热噪声电流源，由热噪声理论，可以得到表达式如下：
式中，k为玻尔兹曼常数，T为环境温度，Δf为噪声宽带，Rg、Rd和Rs的值已经在步骤S102中计算得到。
对于晶体管的本征噪声特性，最重要的噪声源是漏极噪声电流源和栅极噪声电流源以及两者的相关性其中漏极噪声电流源主要是由于沟道中的载流子传输过程中的随机波动引起的，漏极噪声电流源的噪声功率谱密度与漏极电流Ids的关系为：
式中，θsat是描述沟道电子迁移率随场强变化的电子速度饱和因子；ψd为晶体管漏端表面势，ψs为晶体管源端表面势，ψds＝ψd-ψs；电压Vgo＝Vgs-(VT+ΔVT)；Cg为栅电容密度，Cg＝εb/hb，εb为晶体管势垒层介电常数，hb为势垒层厚度。
晶体管的栅极噪声电流源主要是由于沟道噪声通过栅极电容耦合效应，感应到栅极上产生，栅极噪声电流源的噪声功率谱密度与漏极电流Ids的关系为：
其中，
根据上述栅极噪声电流源的噪声功率谱密度从而获得栅极噪声电流源
同理，漏极噪声电流源
最后，栅极噪声电流源和漏极噪声电流源的相关性可以表示为：
其中，
因此，在S103中，获得了噪声源。
紧接着，在S104中，将S103中获得的晶体管的漏极噪声电流源、栅极噪声电流源及其相关性，带入S102中获得的晶体管的小信号模型中，计算获得晶体管的四个噪声参数。
具体的，四个噪声参数具体为最小噪声系数NFmin、等效噪声阻抗Rn、最佳噪声源电导Gopt和最佳噪声源电纳Bopt。
该S104的具体步骤为，首先，将晶体管的漏极噪声电流源、栅极噪声电流源及其相关性带入晶体管的小信号模型中，获得晶体管完整的小信号噪声模型，然后，采用Pucel噪声模型(PRC噪声模型)或者电路仿真软件(如ADS)，计算晶体管的四个噪声参数。
具体实施方式中，对该150μm栅宽的GaAs pHEMT管芯，在Vds＝2V，Ids＝200mA偏置条件下，模型计算得到的四个噪声与实测的结果对比如图4a-图4d所示，具体地，弧线代表模型得到的四个是噪声数据，圆圈代表实测的四个噪声的数据，从对比结果可以看出，本发明得到的小信号噪声模型精度较高，满足电路设计需求。
从上述实施例可以看出，本发明提出的晶体管噪声模型建立方法仅需进行直流IV测试，直接计算提取晶体管小信号模型参数的噪声源，避免了复杂的多偏置S参数和噪声参数测试提取以及优化拟合过程，大大简化了建模流程，节省建模时间，方法简单高效，模型精度高，且易于扩展，且提出的晶体管的噪声模型是随栅极和漏极的偏置条件缩放的，可用于分析偏置条件对晶体管小信号和噪声性能的影响，寻找晶体管的最佳偏置工作点，用于电路设计。最后，提出的晶体管的直流IV模型以及推导出的小信号模型参数和噪声电流源，是直接与晶体管器件的物理结构参数相关的，如沟道电子浓度、电子饱和速度、势垒层厚度、栅长、栅宽等，可用于分析器件物理结构对晶体管小信号和噪声性能的影响，优化器件结构设计。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法，其特征在于，包括如下内容：
测量晶体管的直流IV特性，选取直流IV模型，并用所述直流IV模型对测试的直流IV数据进行拟合，获得准确的直流IV模型；
基于所述准确的直流IV模型，计算晶体管的小信号模型参数，获得晶体管的小信号模型；
基于所述准确的直流IV模型，获得晶体管的漏极和栅极噪声电流源及其相关性；
将所述晶体管的漏极噪声电流源、栅极噪声电流源及其相关性，带入晶体管的小信号模型中，计算获得晶体管的四个噪声参数。
2.根据权利要求1所述的随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法，其特征在于，基于所述准确的直流IV模型，计算晶体管的小信号模型参数，具体为：
根据准确的直流IV模型中的漏极电流Ids模型公式，获取所述小信号模型参数的7个本征参数和6个寄生参数，所述漏极电流Ids模型公式具体为：
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<mi>d</mi>
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</mrow>
</msub>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，
Vgs为栅源偏置电压；Vds为漏源偏置电压；Idss为Vgs＝0V时的漏极饱和电流；VT为器件夹断电压；ΔVT为夹断电压的非理想偏移；q为电子电荷常数；Nd为掺杂浓度；hb为势垒层厚度；εs为GaAs的介电常数；LG为器件栅长；γ、λ、α、η为经验拟合参数。
3.根据权利要求2所述的随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法，其特征在于，所述7个本征参数具体为栅源本征电容、栅漏本征电容、漏源本征电容、沟道本征电阻、本征跨导、漏源电导、沟道延迟时间，所述6个寄生参数具体为晶体管栅极、漏极和源极的寄生电感、寄生电阻。
4.根据权利要求1所述的随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法，其特征在于，基于所述准确的直流IV模型，获得晶体管的漏极电流源、栅极噪声电流源及其相关性，具体包括：
基于所述直流IV模型中漏极电流Ids模型公式，获得晶体管的漏极噪声电流源的噪声功率谱密度与漏极电流的关系式、栅极噪声电流源的噪声功率谱密度与漏极电流的关系式；
基于所述漏极噪声电流源的噪声功率谱密度，获得漏极噪声电流源，基于所述栅极噪声电流源的噪声功率谱密度，获得栅极噪声电流源；
基于栅极噪声电流源和漏极噪声电流源，获得栅极噪声电流源与漏极噪声电流源的相关性。
5.根据权利要求1所述的随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法，其特征在于，将所述晶体管的漏极噪声电流源、栅极噪声电流源及其相关性，带入晶体管的小信号模型中，计算获得晶体管的四个噪声参数，具体包括：
将所述晶体管的漏极噪声电流源、栅极噪声电流源及其相关性，带入晶体管的小信号模型中，获得晶体管完整的小信号噪声模型；
采用Pucel噪声模型或者电路仿真软件，计算晶体管的四个噪声参数。
6.根据权利要求1或5所述的随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法，其特征在于，所述四个噪声参数具体为最小噪声系数、等效噪声阻抗、最佳噪声源电导和最佳噪声源电纳。
7.根据权利要求1所述的随偏置缩放的晶体管噪声模型建立方法，其特征在于，所述晶体管具体为GaAs pHEMT、GaN HEMT、InP HEMT中的任意一种。
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