CN108520084B - 一种微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法及系统，所述方法包括：根据待提取参数器件静态I‑V测试数据，得到器件最大漏极‑源极电流模型；根据待提取参数器件的常温静态I‑V曲线和高温脉冲I‑V测试数据，提取得到临界电场模型；根据不同静态偏置点下常温脉冲I‑V测试数据得到陷阱模型；根据漏极‑源极最大电流模型、临界电场模型以及陷阱模型的参数构建完整的非线性电流模型。采用本方法或系统保证整个模型参数的物理意义及参数取值的合理性，降低人为因素的影响，保证模型参数的唯一性，能够从根本上克服传统优化算法参数多值效应的缺点，大大提高了模型的精度，同时极大缩短了器件建模的周期。

Description

一种微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法及系统
技术领域
本发明涉及非线性电流模型参数提取领域，特别是涉及一种微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法及系统。
背景技术
非线性电流模型即I-V模型是大信号模型的核心，不同于传统的经验基模型，为了能够精确表征GaN HEMT在高工作电压、大功率条件下工作时的自热效应，物理基模型通常是寻找与沟道温度、环境温度强相关的物理参数，基于物理模型，建立起解析的关系，再辅以少量的经验参数进行模型精度上的修正。因此，整个物理基GaN HEMT的I-V模型参数相对较少，大多数模型参数可在器件制备过程中直接获得，极大得简化了模型参数提取的流程。同时，由于模型与器件物理参数直接挂钩，经验模型中存在的参数多值性问题也得到解决，可以一次性提取得到合理的模型参数值。
针对GaN HEMT器件I-V模型参数提取方法的研究于国内外已发表的学术论文中并不多见，例如Chalmers大学的I.Angelov等人于2013年提出一种参数提取方法。该方法先基于直流I-V曲线中特定区域的斜率提取出部分具有物理意义的参数，再采用通过拟合低频时域波形提取得到其余参数。但该模型参数提取方法无法一次性得到全部的模型参数，因此，人为因素引入的误差和模型参数的多值性问题无法得到解决。
电子科技大学的闻彰等人于2015年提出通过对传统的Angelov模型参数进行分块的方式来进行参数提取，从而降低了I-V模型的复杂度，同时模型又能够准确反映器件的工作状态。参数提取过程采用拟合器件在每个漏极电压Vds下的I-V转移特性曲线的方法，而非传统方法拟合输出特性曲线，这使得拟合过程中的自变量只有栅极电压Vgs，减少了自变量个数，降低了拟合难度并且提高了拟合精度。但是，该工作主要针对传统的经验基Angelov模型，仅对参数提取优化算法作了调整，模型参数的物理意义依然不够明确，无法彻底解决模型参数多值性问题。
北卡罗莱纳州立大学的GriffL.Bilbro和Robert J.Trew于2015年报道了他们在物理分区模型上的工作。不同于传统物理基模型较为复杂的非线性电流方程，该方程中仅包含5个参数，能够同时涵盖了器件的物理尺寸和材料特性。为了能够精确表征器件的小信号特性，他们还引入了一种包含12元件的RLC子网络，同时给出了该模型对应的参数提取方法。但是，该模型中缺少对器件自热效应、陷阱效应、短沟道效应等特性的表征，因此不能完全真实得反映器件的工作状态；另外，该模型尚缺乏一套完整的参数提取流程，模型参数的提取仍会存在人为因素的影响。
印度理工学院坎普尔分校的Sheikh Aamir Ahsan等人于2017年基于他们之前在表面势物理基大信号建模方面的工作，提出了一套多偏置大信号模型参数提取流程，不同于传统的经验基和人工神经网络基模型，该参数提取流程不需要复杂的优化算法，仅通过拟合器件的DC-IV特性即可完成多偏置条件下的大信号模型参数提取。但是，该模型中缺乏自热及陷阱效应具体参数的分步提取方法，仅指出了模型参数对仿真结果的影响，没有一套能够自动提取出所有参数的算法，无法避免人为因素带来的影响；此外，该物理基模型中仍存在较多拟合参数，因此，也无法彻底解决参数的多值性问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法及系统，基于物理公式计算初值，通过测试获得部分参数，最后通过拟合公式提高精度并结合优化算法，减少了传统优化算法的多值效应，大大提高了模型的精度，同时极大缩短了器件建模的周期。
实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法，包括：
对待提取参数器件进行静态I-V测试，获得测试所得不同栅极-源极电压Vgs下不同漏极-源极电压Vds对应的漏极-源极电流Ids数据；
根据所述测试数据，得到最大漏极-源极电流模型；
对所述待提取参数器件进行高温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型和每个偏置点下的漏极-源极电流Ids测试数据得到临界电场模型；
对所述待提取参数器件进行常温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型，提取陷阱参数，得到陷阱模型；
根据所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型和陷阱模型构建完整的非线性电流模型。
可选的，所述根据所述测试数据，得到最大漏极-源极电流模型具体包括：
根据所述测试数据，得到在每个所述栅极-源极电压Vgs下，不同所述漏极-源极电压Vds对应的所述漏极-源极电流的最大值Imax；
根据所述最大值Imax、所述栅极-源极电压Vgs得到二者的散点关系图；
根据所述散点关系图，对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，得到最大漏极-源极电流模型。
可选的，所述对所述待提取参数器件进行高温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型和每个偏置点下的漏极-源极电流Ids测试数据，得到临界电场模型具体包括：
对所述待提取参数器件在125℃的环境温度下，静态偏置点为Vgsq＝0V，Vdsq＝0V时，进行高温脉冲I-V测试，并结合所述静态I-V测试的结果，寻找静态I-V曲线在Vgs＝0V时与脉冲I-V曲线在Vgsq＝0V时，漏极电流曲线交点，结合等效热阻Rth与环境温度Tamb、耗散功率Pdiss的函数关系，根据公式
Figure BDA0001565283080000031
进行等效热阻提取，其中，Thigh为高温脉冲IV测试对应环境温度，Troom为常温，Pdiss为所述漏极电流曲线交点处器件的耗散功率，Rth为所述等效热阻；
根据所述漏极-源极电流Ids测试数据和最大漏极-源极电流模型，基于器件漏极-源极电流关系式
Figure BDA0001565283080000032
提取得到每个栅极-源极电压Vgs下，不同漏极-源极电压Vds和临界电场二者的散点关系图；其中，Imax为所述最大漏极-源极电流模型，λ为沟道调制系数，Vds为漏极-源极电压，Ec为临界电场，ls为源极接入区长度，ld为漏极接入区长度，lg为器件栅长，β为速度场的阶数；
根据所述等效热阻Rth、所述每个偏置点对应漏极-源极电压Vds、漏极-源极电流Ids及环境温度Tamb依据公式Tch＝Tamb+VdsIdsRth得到所述待提取参数器件每个偏置点下的沟道温度Tch，并将所述每个栅极-源极电压Vgs下，不同漏极-源极电压Vds和临界电场Ec二者的散点关系图转换为每个栅极-源极电压Vgs下，不同沟道温度Tch和临界电场Ec二者的散点关系图；其中Tamb代表环境温度，Vds为漏极-源极电压，Ids为漏极-源极电流，Rth为所述器件等效热阻；
对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，根据公式
Figure BDA0001565283080000041
得到临界电场模型，其中a0，a1，b0，b1，b2均为拟合参数，Tch为所述沟道温度，Vgs为栅极-源极电压。
可选的，根据所述最大漏极-源极电流模型、所述临界电场模型，提取陷阱效应参数，得到陷阱模型具体包括：
对所述待提取参数器件分别在静态偏置点为Vgsq＝0V，Vdsq＝0V；Vgsq＝-4V，Vdsq＝0V；Vgsq＝-4V，Vdsq＝25V进行常温脉冲I-V测试，得到不同静态偏置点对应的不同动态栅极-源极电压Vgsnq下，不同动态漏极-源极电压Vdsnq与动态漏极-源极电流Idsnq的关系曲线；
将所述最大漏极-源极电流模型和临界电场模型中包含的栅极-源极电压Vgs替换为等效栅极-源极电压Vgseff，得到关系式：Vgseff＝Vgs+γsurf1×(Vgsq-Vgp)×(Vgs-Vgp)+γsubs1×(Vdsq+Vdssubs0)×(Vds-Vdsq)，其中，Vgs为栅极-源极电压，Vds为栅极-源极电压，γsurf1为表面陷阱调制系数，Vgp为夹断电压，γsubs1为缓冲陷阱调制系数，Vdssubs0为漏极-源极静态偏置点修正因子，Vgsq为栅极静态偏置电压，Vdsq为漏极静态偏置电压；
在静态偏置点Vgsq＝0V，Vdsq＝0V下提取与所述静态偏置点无关的第一陷阱模型参数，所述第一陷阱模型参数包含夹断电压Vgp，漏极-源极静态偏置点修正因子Vdssubs0；
在静态偏置点Vgsq＝0V，Vdsq＝0V；Vgsq＝-4V，Vdsq＝0V；Vgsq＝-4V，Vdsq＝25V下提取与所述静态偏置点相关的第二陷阱模型参数，所述第二陷阱模型参数包含表面陷阱调制系数γsurf1，缓冲陷阱调制系数γsubs1；得到所述静态偏置点与所述第二陷阱模型参数的散点关系图；
对所述散点关系图中所述表面陷阱调制系数γsurf1的散点数据采用公式γsurf1＝γsurf1gVgsq+γsurf1dVdsq+γsurf1o进行最小二乘法拟合，得到与静态偏置点相关的第一陷阱参数γsurf1对应模型；对所述缓冲陷阱调制系数γsubs1的散点数据采用公式γsubs1＝γsubs1gVgsq+γsubs1dVdsq+γsubs1o进行最小二乘法拟合，得到与静态偏置点相关的第二陷阱参数γsubs1对应模型，其中，γsurf1g，γsurf1d，γsurf1o，γsubs1g，γsubs1d，γsubs1o均为拟合参数。
一种微波氮化镓器件大信号模型参数提取系统，包括：
测试数据获取模块，用于对待提取参数器件进行静态I-V测试，获得测试所得不同栅极-源极电压Vgs下漏极-源极电流Ids数据；
最大漏极-源极电流获取模块，用于根据所述测试数据，得到最大漏极-源极电流模型；
临界电场获取模块，用于对所述待提取参数器件进行高温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型和每个偏置点下的漏极-源极电流Ids测试数据得到临界电场模型；
陷阱参数获取模块，用于对所述待提取参数器件进行常温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型，提取陷阱参数，得到陷阱模型；
非线性电流模型构建模块，用于根据所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型和陷阱模型构建非线性电流模型。
可选的，所述最大漏极-源极电流模块具体包括：
电流最大值确定单元，用于根据所述测试数据，得到在每个所述栅极-源极电压Vgs下，不同所述漏极-源极电压Vds对应的所述漏极-源极电流Ids的最大值Imax；
散点关系图获取单元，用于根据所述最大值Imax、所述栅极-源极电压Vgs得到二者的散点关系图；
最大漏极-源极电流建模单元，用于根据所述散点关系图，对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，得到最大漏极-源极电流模型。
可选的，所述临界电场获取模块具体包括：
等效热阻提取单元，用于对所述待提取参数器件进行高温脉冲I-V测试，并结合所述静态I-V测试的结果，得到所述待提取参数器件的等效热阻Rth；
沟道温度计算单元，用于根据所述等效热阻Rth、所述测试数据得到所述待提取参数器件的沟道温度Tch；
散点关系图获取单元，用于根据所述静态I-V测试数据和最大漏极-源极电流模型，提取得到每个栅极-源极电压Vgs下，不同漏极-源极电压Vds和临界电场Ec二者的散点关系图；
散点关系图转换单元，用于根据所述器件在每个偏置点下的沟道温度Tch与漏极-源极电压Vds的函数关系，将所述每个栅极-源极电压Vgs下，不同漏极-源极电压Vds和临界电场二者的散点关系图转换为每个栅极-源极电压Vgs下，不同沟道温度Tch和临界电场Ec二者的散点关系图；
临界电场建模单元，用于对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，得到临界电场模型。
可选的，所述陷阱参数获取模块具体包括：
测试数据获取单元，用于对待提取参数器件在不同静态偏置点下进行常温脉冲I-V测试，获得测试数据；所述测试数据包括所述静态栅极-源极电压Vgsq、静态漏极-源极电压Vdsq、动态栅极-源极电压Vgsnq、动态漏极-源极电压Vdsnq和动态漏极-源极电流Idsnq；
静态偏置点不相关陷阱参数获取单元，用于将所述最大漏极-源极电流模型和临界电场模型中包含的栅极-源极电压Vgs替换为所述等效栅极-源极电压Vgseff，并在所述特定静态偏置点下，提取得到与所述静态偏置点不相关的第一陷阱模型参数；
静态偏置点相关陷阱参数获取单元，用于将所述最大漏极-源极电流模型和临界电场模型中包含的栅极-源极电压Vgs替换为等效栅极-源极电压Vgseff，并在不同特定静态偏置点下提取与所述静态偏置点相关的第二陷阱模型参数，得到静态偏置点与所述第二陷阱模型参数的散点关系图；
静态偏置点相关陷阱参数建模单元，用于对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，提取得到静态偏置点相关的陷阱模型参数；
陷阱模型构建单元，用于将提取得到的所述第一陷阱模型参数和所述第二陷阱模型参数代入所述等效栅极-源极电压Vgseff关系式中，得到陷阱模型。
可选的，所述非线性电流模型构建模块具体作用为：
将所述最大漏极-源极电流模型表达式、临界电场模型表达式和陷阱模型表达式代入漏极-源极电流表达式
Figure BDA0001565283080000071
中，得到完整的非线性电流模型。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明中通过对器件进行测试得到器件静态I-V测试数据，结合测试数据得到最大漏极-源极电流模型、临界电场模型，陷阱模型，完成非线性电流模型的构建。本发明中的参数提取方法通过对非线性电流公式中重要参数单独提取，保证参数的物理意义和取值的合理性，使得模型能够真实反映器件的工作状态；本发明的参数提取方法基于测试-拟合分步式参数提取方法，保证了模型参数的唯一性，降低了人为因素的影响，解决了传统经验模型中参数多值性问题，大大提高了模型的精度，同时极大缩短了器件建模的周期。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法流程图；
图2为本发明实施例微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取系统模块图；
图3为本发明实施例最大漏极-源极电流拟合效果图；
图4为本发明实施例临界电场的拟合效果图；
图5(a)为Vgsq＝0V,Vdsq＝0V时静态偏置点脉冲I-V曲线拟合效果图，图5(b)为Vgsq＝-4V,Vdsq＝0V时静态偏置点脉冲I-V曲线拟合效果图，图5(c)为Vgsq＝-4V,Vdsq＝25V时静态偏置点脉冲I-V曲线拟合效果图；
图6为本发明实施例静态I-V曲线拟合效果图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法流程图。参见图1，一种微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法，包括：
步骤101：对待提取参数器件进行静态I-V测试，获得测试数据；所述测试数据包括所述待提取参数器件的栅极-源极电压Vgs、漏极-源极电压Vds和漏极-源极电流Ids；
步骤102：根据所述测试数据，得到最大漏极-源极电流模型；
步骤103：对所述待提取参数器件进行高温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型和每个偏置点下的漏极-源极电流Ids测试数据得到临界电场模型；
步骤104：对所述待提取参数器件进行常温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型，提取陷阱参数，得到陷阱模型；
步骤105：根据所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型和陷阱模型，基于2017年电子科技大学闻彰报道的区域划分物理基模型理论构建完整的非线性电流模型。
采用本发明的参数提取方法对非线性电流公式中重要参数单独提取，保证参数的物理意义和取值的合理性，使得模型能够真实反映器件的工作状态；本发明的参数提取方法基于测试-拟合分步式参数提取方法，保证了模型参数的唯一性，降低了人为因素的影响，解决了传统经验模型中参数多值性问题；本发明的参数提取方法可于Matlab中编程实现，程序一次运行即可得到I-V模型的所有参数值，与传统参数提取方法相比，极大减少了工作量，显著提高了器件建模效率。
步骤102具体包括：
根据所述测试数据，得到在每个所述栅极-源极电压Vgs下，不同所述漏极-源极电压Vds对应的所述漏极-源极电流的最大值Imax；
根据所述最大值Imax、所述栅极-源极电压Vgs得到二者的散点关系图；
根据所述散点关系图，对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，得到最大漏极-源极电流模型。
步骤103具体包括：
对所述待提取参数器件进行高温脉冲I-V测试，并结合所述静态I-V测试的结果，得到所述待提取参数器件的等效热阻Rth；
根据所述等效热阻Rth、所述测试数据得到所述待提取参数器件的沟道温度Tch；
根据所述漏极-源极电流Ids测试数据和最大漏极-源极电流模型，提取得到每个栅极-源极电压Vgs下，不同漏极-源极电压Vds和临界电场Ec二者的散点关系图。
根据所述等效热阻Rth、所述每个偏置点对应漏极-源极电压Vds、漏极-源极电流Ids及环境温度Tamb得到所述待提取参数器件每个偏置点下的沟道温度Tch。并将所述每个栅极-源极电压Vgs下，不同漏极-源极电压Vds和临界电场Ec二者的散点关系图转换为每个栅极-源极电压Vgs下，不同沟道温度Tch和临界电场Ec二者的散点关系图；
对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，得到临界电场模型。
步骤104具体包括：
对所述待提取参数器件在不同静态偏置点下进行常温脉冲I-V测试，得到不同静态偏置点对应的不同动态栅极-源极电压Vgsnq下，不同动态漏极-源极电压Vdsnq与动态漏极-源极电流Idsnq的关系曲线；
将所述最大漏极-源极电流模型和临界电场模型中包含的栅极-源极电压Vgs替换为等效栅极-源极电压Vgseff；
根据所述不同静态偏置点对应的不同动态栅极-源极电压Vgsnq下，不同动态漏极-源极电压Vdsnq与动态漏极-源极电流Idsnq的关系曲线，在特定静态偏置点下提取与静态偏置点不相关的陷阱模型参数；
在不同特定静态偏置点下提取与静态偏置点相关的陷阱模型参数，得到静态偏置点与这些偏置点对应陷阱模型参数的散点关系图。
对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，得到偏置相关的陷阱参数模型。
图2为本发明实施例微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取系统模块图。参见图2，一种微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取系统，包括：
测试数据获取模块201，用于对待提取参数器件进行静态I-V测试，获得测试数据；所述测试数据包括所述待提取参数器件的栅极-源极电压Vgs、漏极-源极电压Vds和漏极-源极电流Ids；
最大漏极-源极电流获取模块202，用于根据所述测试数据，得到最大漏极-源极电流模型；
临界电场获取模块203，用于对所述待提取参数器件进行高温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型和每个偏置点下的漏极-源极电流Ids测试数据，得到临界电场模型；
陷阱参数获取模块204，用于对所述待提取参数器件进行常温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型，提取陷阱参数，得到陷阱模型；
非线性电流模型构建模块205，用于根据所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型和陷阱模型构建非线性电流模型。
采用本发明中的系统对非线性电流公式中重要参数单独提取，保证参数的物理意义和取值的合理性，使得模型能够真实反映器件的工作状态；本发明的参数提取方法基于测试-拟合分步式参数提取方法，保证了模型参数的唯一性，降低了人为因素的影响，解决了传统经验模型中参数多值性问题。
所述最大漏极-源极电流获取模块202具体包括：
电流最大值确定单元，用于根据所述测试数据，得到在每个所述栅极-源极电压Vgs下，不同所述漏极-源极电压Vds对应的所述漏极-源极电流的最大值Imax；
散点关系图获取单元，用于根据所述最大值Imax、所述栅极-源极电压Vgs得到二者的散点关系图；
最大漏极-源极电流建模单元，用于根据所述散点关系图，对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，得到最大漏极-源极电流模型。
所述临界电场获取模块203具体包括：
等效热阻提取单元，用于对所述待提取参数器件进行高温脉冲I-V测试，并结合所述静态I-V测试的结果，得到所述待提取参数器件的等效热阻Rth；
沟道温度计算单元，用于根据所述等效热阻Rth、所述测试数据得到所述待提取参数器件的沟道温度Tch；
散点关系图获取单元，用于根据所述静态I-V测试数据和最大漏极-源极电流模型，提取得到每个栅极-源极电压Vgs下，不同漏极-源极电压Vds和临界电场Ec二者的散点关系图；
散点关系图转换单元，用于根据所述器件在每个偏置点下的沟道温度Tch与漏极-源极电压Vds的函数关系，将所述每个栅极-源极电压Vgs下，不同漏极-源极电压Vds和临界电场Ec二者的散点关系图转换为每个栅极-源极电压Vgs下，不同沟道温度Tch和临界电场Ec二者的散点关系图；
临界电场建模单元，用于对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，得到临界电场模型。
所述陷阱参数获取模块204具体包括：
测试数据获取单元，用于对待提取参数器件在不同静态偏置点下进行常温脉冲I-V测试，获得测试数据；所述测试数据包括所述静态栅极-源极电压Vgsq、静态漏极-源极电压Vdsq、动态栅极-源极电压Vgsnq、动态漏极-源极电压Vdsnq和动态漏极-源极电流Idsnq；
静态偏置点不相关陷阱参数获取单元，用于将所述最大漏极-源极电流模型和临界电场模型中包含的栅极-源极电压Vgs替换为所述等效栅极-源极电压Vgseff，并在所述特定静态偏置点下，提取得到与所述静态偏置点不相关的第一陷阱模型参数；
静态偏置点相关陷阱参数获取单元，用于将所述最大漏极-源极电流模型和临界电场模型中包含的栅极-源极电压Vgs替换为等效栅极-源极电压Vgseff，并在不同特定静态偏置点下提取与所述静态偏置点相关的第二陷阱模型参数，得到静态偏置点与所述第二陷阱模型参数的散点关系图；
静态偏置点相关陷阱参数建模单元，用于对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，提取得到静态偏置点相关的陷阱模型参数。
陷阱模型构建单元，用于将提取得到的所述第一陷阱模型参数和所述第二陷阱模型参数代入所述等效栅极-源极电压Vgseff关系式中，得到陷阱模型。
所述非线性电流模型构建模块205具体作用为：
将所述最大漏极-源极电流模型表达式、临界电场模型表达式和陷阱模型表达式代入漏极-源极电流对应的非线性方程中，得到完整的非线性电流模型。
以下为本发明中微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法详细流程：
(1)针对需要提取参数的晶体管，常温下(25℃)进行静态I-V测试(Vgs＝-4～0V，Vds＝0～25V)。
(2)在测试数据中，寻找出每个栅极-源极电压Vgs下不同漏极-源极电压Vds对应的漏极-源极电流Ids的最大值即Imax，整理得到最大漏极-源极电流Imax和栅极-源极Vgs的散点关系图。
(3)基于该散点关系图，采用式(1)对散点数据进行最小二乘法拟合，提取出拟合参数A1，B1，C1，D1，E1和F1，拟合效果见图3。
Imax＝Wqvsat(A1tanh(B1Vgs 3+C1Vgs 2+D1Vgs+E1)+F1) (1)
其中，Imax为所述最大漏极-源极电流，vsat为饱和电子速度，W为器件栅宽，q为电子电荷量，A1，B1，C1，D1，E1和F1均为拟合参数。
(4)将上一步骤中拟合得到的最大漏极-源极电流Imax数值表达式代入式(2)所示的非线性电流Ids的表达式。基于步骤(1)中静态I-V测试得到的每个偏置点下漏极-源极电流Ids，分别提取得到每个偏置点对应的临界电场Ec。
Figure BDA0001565283080000131
其中Imax为最大漏极-源极电流，λ为沟道调制系数，Vds为漏极-源极电压，Ec为临界电场，ls和ld为源极和漏极接入区长度，lg为器件栅长，β为速度场的阶数。
(5)针对需要提取参数的晶体管进行高温(125℃)脉冲I-V测试(静态偏置点Vgsq＝0V，Vdsq＝0V)，并结合静态I-V测试结果，提取得到GaN HEMT器件的等效热阻Rth。再基于式(3)提取出不同偏置下器件的沟道温度Tch。
Tch＝Tamb+VdsIdsRth (3)
其中，Tamb代表环境温度，Vds代表漏极-源极电压，Ids代表漏极-源极电流，Rth代表等效热阻。
(6)基于不同偏置下沟道温度Tch对应的临界电场Ec，采用式(4)进行最小二乘法拟合，提取出拟合参数a0,a1,b0,b1和b2，拟合效果见图4。
Figure BDA0001565283080000132
其中a0，a1，b0，b1和b2为拟合参数，Vgs为栅极-源极电压，Tch为沟道温度。
(7)在不同静态偏置点(Vgsq＝0V，Vdsq＝0V，Vgsq＝-4V，Vdsq＝0V，Vgsq＝-4V，Vdsq＝25V)下进行常温(25℃)脉冲I-V测试。将步骤(3)和步骤(6)提取得到的最大漏极-源极电流Imax和临界电场Ec代入式(2)，并将式(1)中Vgs替换成式(5)所示的Vgseff表达式。
Figure BDA0001565283080000133
其中，γsurf1为表面陷阱调制参数，Vgp为夹断电压，γsubs1为缓冲陷阱调制参数，Vdssubs0为漏极-源极电压静态偏置点修正因子，Vgseff代表考虑了陷阱的效应后的等效栅极-源极电压。
(8)首先在静态偏置点Vgsq＝0V，Vdsq＝0V下提取出γsurf1,γsubs1,Vgp和Vdssubs0这四个参数，再将Vgp和Vdssubs0这两个参数固定，在不同静态偏置点(Vgsq＝-4V，Vdsq＝0V；Vgsq＝-4V，Vdsq＝25V)分别提取这些偏置点对应的γsurf1,γsubs1这两个参数。
(9)将不同静态偏置点下的γsurf1和γsubs1作为离散数据点，采用式(6)和式(7)进行曲线拟合，提取出γsurf1g，γsurf1d，γsurf1o，γsubs1g，γsubs1d，γsubs1o这几个拟合参数，得到偏置相关的γsurf1和γsubs1的数值表达式。图5(a)、图5(b)、图5(c)给出了三个不同静态偏置点下，脉冲I-V曲线的拟合效果。
γsurf1＝γsurf1gVgsq+γsurf1dVdsq+γsurf1o (6)
γsubs1＝γsubs1gVgsq+γsubs1dVdsq+γsubs1o (7)
其中γsurf1g，γsurf1d，γsurf1o，γsubs1g，γsubs1d，γsubs1o均为拟合参数。
(10)提取得到所有陷阱效应相关的模型参数后将Vgseff的表达式代入总的非线性电流方程替换变量Vgs，最终即可实现晶体管所有I-V模型参数的提取。得到最终的静态I-V曲线的拟合效果如图6所示。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法，具体包含以下步骤：
对待提取参数器件进行静态I-V测试，获得不同栅极-源极电压Vgs下，不同漏极-源极电压Vds对应的漏极-源极电流Ids的测试数据；
根据所述测试数据，得到最大漏极-源极电流模型；
对所述待提取参数器件进行高温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型和每个偏置点下的漏极-源极电流Ids测试数据得到临界电场模型；
对所述待提取参数器件进行常温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型，提取陷阱参数，得到陷阱模型；
所述对所述待提取参数器件进行常温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型，提取陷阱参数，得到陷阱模型具体包括：
对所述待提取参数器件分别在静态偏置点为Vgsq＝0V，Vdsq＝0V；Vgsq＝-4V，Vdsq＝0V；Vgsq＝-4V，Vdsq＝25V进行常温脉冲I-V测试，得到不同静态偏置点对应的不同动态栅极-源极电压Vgsnq下，不同动态漏极-源极电压Vdsnq与动态漏极-源极电流Idsnq的关系曲线；
将所述最大漏极-源极电流模型和临界电场模型中包含的栅极-源极电压Vgs替换为等效栅极-源极电压Vgseff，得到关系式：Vgseff＝Vgs+γsurf1×(Vgsq-Vgp)×(Vgs-Vgp)+γsubs1×(Vdsq+Vdssubs0)×(Vds-Vdsq)，其中，Vgs为栅极-源极电压，Vds为漏极-源极电压，γsurf1为表面陷阱调制系数，Vgp为夹断电压，γsubs1为缓冲陷阱调制系数，Vdssubs0为漏极-源极静态偏置点修正因子，Vgsq为栅极-源极静态偏置电压，Vdsq为漏极-源极静态偏置电压；
在静态偏置点Vgsq＝0V，Vdsq＝0V下提取与所述静态偏置点无关的第一陷阱模型参数，所述第一陷阱模型参数包含夹断电压Vgp，漏极-源极静态偏置点修正因子Vdssubs0；
在静态偏置点Vgsq＝0V，Vdsq＝0V；Vgsq＝-4V，Vdsq＝0V；Vgsq＝-4V，Vdsq＝25V下提取与所述静态偏置点相关的第二陷阱模型参数，所述第二陷阱模型参数包含表面陷阱调制系数γsurf1，缓冲陷阱调制系数γsubs1；得到所述静态偏置点与所述第二陷阱模型参数的散点关系图；
对所述散点关系图中所述表面陷阱调制系数γsurf1的散点数据采用公式γsurf1＝γsurf1gVgsq+γsurf1dVdsq+γsurf1o进行最小二乘法拟合，得到与静态偏置点相关的第一陷阱参数γsurf1对应模型；对所述缓冲陷阱调制系数γsubs1的散点数据采用公式γsubs1＝γsubs1gVgsq+γsubs1dVdsq+γsubs1o进行最小二乘法拟合，得到与静态偏置点相关的第二陷阱参数γsubs1对应模型，其中，γsurf1g，γsurf1d，γsurf1o，γsubs1g，γsubs1d，γsubs1o均为拟合参数；
根据所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型和陷阱模型构建完整的非线性电流模型；
所述根据所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型和陷阱模型构建完整的非线性电流模型具体包括：将所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型和陷阱模型代入漏极-源极电流对应的非线性方程中，得到完整的非线性电流模型。
2.根据权利要求1所述的微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法，其特征在于，所述根据所述测试数据，得到最大漏极-源极电流模型具体包括：
根据所述测试数据，得到在每个所述栅极-源极电压Vgs下，不同所述漏极-源极电压Vds对应的所述漏极-源极电流Ids的最大值；
根据所述最大值Imax、所述栅极-源极电压Vgs得到二者的散点关系图；
根据所述散点关系图，对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，得到最大漏极-源极电流模型。
3.根据权利要求2所述的微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法，其特征在于，得到最大漏极-源极电流模型的具体公式为：Imax＝Wqvsat(A1tanh(B1Vgs 3+C1Vgs 2+D1Vgs+E1)+F1)；其中，Imax为所述最大漏极-源极电流，vsat为饱和电子速度，W为器件栅宽，q为电子电荷量，A1，B1，C1，D1，E1和F1均为拟合参数，Vgs为栅极-源极电压。
4.根据权利要求1所述的微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取方法，其特征在于，所述对所述待提取参数器件进行高温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型和每个偏置点下的漏极-源极电流Ids测试数据得到临界电场模型具体包括：
对所述待提取参数器件在125℃的环境温度下，静态偏置点为Vgsq＝0V，Vdsq＝0V时，进行高温脉冲I-V测试，并结合所述静态I-V测试的结果，寻找静态I-V曲线在栅极-源极电压Vgs＝0V时与脉冲I-V曲线在动态栅极-源极电压Vgsnq＝0V时，漏极电流曲线交点，结合等效热阻Rth与环境温度Tamb、耗散功率Pdiss的函数关系，根据公式
Figure FDA0002360348160000031
进行等效热阻提取；
其中，Thigh为高温脉冲IV测试对应环境温度，Troom为常温，Pdiss为所述漏极电流曲线交点处器件的耗散功率，Rth为所述等效热阻；
根据所述漏极-源极电流测试数据和最大漏极-源极电流模型，基于器件漏极-源极电流关系式
Figure FDA0002360348160000032
提取得到每个栅极-源极电压Vgs下，不同漏极-源极电压Vds和临界电场Ec二者的散点关系图；其中，Imax为所述最大漏极-源极电流模型，λ为沟道调制系数，Vds为漏极-源极电压，Ec为临界电场，ls为源极接入区长度，ld为漏极接入区长度，lg为器件栅长，β为速度场的阶数；
根据所述等效热阻Rth、所述每个偏置点对应漏极-源极电压Vds、漏极-源极电流Ids及环境温度Tamb依据公式Tch＝Tamb+VdsIdsRth得到所述待提取参数器件每个偏置点下的沟道温度Tch，并将所述每个栅极-源极电压Vgs下，不同漏极-源极电压Vds和临界电场Ec二者的散点关系图转换为每个栅极-源极电压Vgs下，不同沟道温度Tch和临界电场Ec二者的散点关系图；其中Tamb代表环境温度，Vds为漏极-源极电压，Ids为漏极-源极电流，Rth为所述器件等效热阻；
对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，根据公式
Figure FDA0002360348160000033
得到临界电场模型，其中a0，a1，b0，b1，b2均为拟合参数，Tch为所述沟道温度，Vgs为栅极-源极电压。
5.一种微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取系统，其特征在于，包括：
测试数据获取模块，用于对待提取参数器件进行静态I-V测试，获得测试所得不同栅极-源极电压Vgs下漏极-源极电流Ids数据；
最大漏极-源极电流获取模块，用于根据所述测试数据，得到最大漏极-源极电流模型；
临界电场获取模块，用于对所述待提取参数器件进行高温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型和每个偏置点下的漏极-源极电流Ids测试数据得到临界电场模型；
陷阱参数获取模块，用于对所述待提取参数器件进行常温脉冲I-V测试，结合所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型，提取陷阱参数，得到陷阱模型；
所述陷阱参数获取模块具体包括：
测试数据获取单元，用于对待提取参数器件在不同静态偏置点下进行常温脉冲I-V测试，获得测试数据；所述测试数据包括静态栅极-源极电压Vgsq、静态漏极-源极电压Vdsq、动态栅极-源极电压Vgsnq、动态漏极-源极电压Vdsnq和动态漏极-源极电流Idsnq；
静态偏置点不相关陷阱参数获取单元，用于将所述最大漏极-源极电流模型和临界电场模型中包含的栅极-源极电压Vgs替换为等效栅极-源极电压Vgseff，并在特定静态偏置点下，提取得到与所述静态偏置点不相关的第一陷阱模型参数；
静态偏置点相关陷阱参数获取单元，用于将所述最大漏极-源极电流模型和临界电场模型中包含的栅极-源极电压Vgs替换为等效栅极-源极电压Vgseff，并在不同特定静态偏置点下提取与所述静态偏置点相关的第二陷阱模型参数，得到静态偏置点与所述第二陷阱模型参数的散点关系图；
静态偏置点相关陷阱参数建模单元，用于对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，提取得到静态偏置点相关的陷阱模型参数；
陷阱模型构建单元，用于将提取得到的所述第一陷阱模型参数和所述第二陷阱模型参数代入所述等效栅极-源极电压Vgseff关系式中，得到陷阱模型；
非线性电流模型构建模块，用于根据所述最大漏极-源极电流模型、临界电场模型和陷阱模型构建非线性电流模型；
所述非线性电流模型构建模块具体作用为：
将所述最大漏极-源极电流模型表达式、临界电场模型表达式和陷阱模型表达式代入漏极-源极电流表达式
Figure FDA0002360348160000051
中，得到完整的非线性电流模型。
6.根据权利要求5所述的微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取系统，其特征在于，所述最大漏极-源极电流获取模块具体包括：
电流最大值确定单元，用于根据所述测试数据，得到在每个所述栅极-源极电压Vgs下，不同所述漏极-源极电压Vds对应的所述漏极-源极电流的最大值Imax；
散点关系图获取单元，用于根据所述最大值Imax、所述栅极-源极电压Vgs得到二者的散点关系图；
最大漏极-源极电流建模单元，用于根据所述散点关系图，对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，得到最大漏极-源极电流模型。
7.根据权利要求5所述的微波氮化镓器件非线性电流模型参数提取系统，其特征在于，所述临界电场获取模块具体包括：
等效热阻提取单元，用于对所述待提取参数器件进行高温脉冲I-V测试，并结合所述静态I-V测试的结果，得到所述待提取参数器件的等效热阻Rth；
沟道温度计算单元，用于根据所述等效热阻Rth、所述测试数据得到所述待提取参数器件的沟道温度Tch；
散点关系图获取单元，用于根据所述静态I-V测试数据和最大漏极-源极电流模型，提取得到每个栅极-源极电压Vgs下，不同漏极-源极电压Vds和临界电场Ec二者的散点关系图；
散点关系图转换单元，用于根据所述器件在每个偏置点下的沟道温度Tch与漏极-源极电压Vds的函数关系，将所述每个栅极-源极电压Vgs下，不同漏极-源极电压Vds和临界电场Ec二者的散点关系图转换为每个栅极-源极电压Vgs下，不同沟道温度Tch和临界电场Ec二者的散点关系图；
临界电场建模单元，用于对所述散点关系图中的散点数据进行最小二乘法拟合，得到临界电场模型。
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