CN110287541B - 一种基于AgilentHBT模型III-V族HBT可缩放建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于AgilentHBT模型III‑V族HBT可缩放建模方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)开发DC部分可缩放模型；(2)开发CV部分可缩放模型；(3)开发Ft部分可缩放模型；(4)模型验证。本发明首次提出了一种适用于III‑V材料HBTs的可缩放AHBT模型，AHBT模型基于UCSD模型的基本概念，改进了对异质结效应的建模，在毫米波亚毫米波频段具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于器件建模技术领域，具体涉及一种基于AgilentHBT模型III-V族HBT可缩放建模方法。
背景技术
异质结双极型晶体管(HBTs)由于其线性特性和在低集电极电压下的高功率密度的优点，在移动通信系统和电路设计中有着广泛的应用。近几年，学术界提出了各种硅基和锗基双极结晶体管(BJTs)模型，其中有些已经开发出可缩放模型，例如Gummel-Poon(GP)模型、MEXTRAM模型和High Current Bipolar Compact Transistor Model(HICUM)模型。但是，专门针对III-V材料HBTs开发的AgilentHBT(AHBT)模型，用于可缩放模型库建模方法并未见于报道。AHBT模型自提出之后便得到广泛应用，可以有效的解决III-V材料HBTs器件中的多种效应的表征精度问题，而模型的精度对于电路设计至关重要。随着III-V材料HBTs应用领域的不断拓展以及电路复杂度的增加，在高速、低功耗以及低噪声等方面的性能要求越来越高，电路设计者必须选择最优的器件尺寸进行电路设计。由于不可能对所有几何尺寸的晶体管都进行测试并提取模型参数，因此开发基于AHBT模型的III-V族HBTs缩放模型对电路设计与仿真具有重要的意义。
发明内容
鉴于以上存在的技术问题，本发明用于提供一种基于AgilentHBT模型III-V族HBT可缩放建模方法，首次提出了一种适用于III-V材料HBTs的可缩放AHBT模型，AHBT模型基于UCSD模型的基本概念，改进了对异质结效应的建模，在毫米波亚毫米波频段具有广阔的应用前景。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种基于AgilentHBT模型III-V族HBT可缩放建模方法，包括以下步骤：
(1)开发DC部分可缩放模型
AHBT模型集电极-发射极电流由正向和反向电流两部分组成，模型方程基于UCSD和GP模型，模型中考虑厄利效应、异质结效应和软膝效应，通过包括参数IS、ISH、ISE、ISC、ISR、ISRH、RTH1完成曲线的拟合，利用经验方程完成尺寸缩放；
(2)开发CV部分可缩放模型
AHBT模型基极-发射极和基极-集电极结耗尽电荷方程基于HICUM模型开发而来，由于高频条件下测试焊盘的寄生很难去除，故通常选择器件在低频情况下的CV数据进行建模，焊盘的寄生采用去嵌技术去除，利用open+short的去嵌方法，通过测量得出器件在单个频率点下的S参数，然后利用相应的计算公式得出基极-发射极结电容，同样地，得出基极-集电极结电容，通过包括参数CJE，VJE，CJC，MJC，VJC，CCMAX，CPCE完成曲线的拟合，利用经验方程完成尺寸缩放；
(3)开发Ft部分可缩放模型
延时电荷方程主要表征器件的本征延时，在AHBT模型中，延时电荷主要由三部分组成：基极延时电荷(QtB)，集电极延时电荷(QtC)和柯克效应(Qkrk)，所有方程是和正向集电极电流和本征基极-集电极电压有关的，集电极渡越时间参数通常由截止频率决定，截止频率一般由共基极模式下测得的S参数计算得出，通过包括参数IKRK，VKRK，TCMIN来完成曲线的拟合，利用经验方程完成尺寸缩放；
(4)模型验证
通过步骤(1)，(2)，(3)完成缩放模型的初步建立，选取一组具有一定尺寸规律的器件进行模型的验证，存在偏差，则重复以上三个步骤，然后重新验证，直至达到精度要求；如果没有要求则完成开发工作。
采用本发明具有如下的有益效果：可缩放模型的建立对电路设计和工艺发展具有重要意义，不仅可以促进电路优化，而且能够预测工艺的准确性，这些优点可以极大地减少设计周期和成本。随着HBTs应用领域的不断拓展以及电路复杂度的增加，在高速、低功耗以及低噪声等方面的性能要求越来越高，电路设计者必须选择最优的器件尺寸进行电路设计。由于不可能对所有几何尺寸的晶体管都进行测试并提取模型参数，因此开发基于AHBT模型的III-V族HBT缩放模型对电路设计与仿真具有重要的意义。缩放模型可以解决器件尺寸有限的问题，便于电路的优化设计，并且由于AHBT模型参数具有物理意义，因此缩放模型具有相对较高的准确性。
附图说明
图1为AHBT大信号模型拓扑结构；
图2为HBT版图结构，其中FE＝2，FB＝3，Wb＝1um，We＝3um，Le＝30um，SBE＝0.5um；
图3a至图3h为不同宽度的四个器件的DC，CV，Ft和S参数仿真和测试结果的对比。
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。
图1为AHBT模型的大信号拓扑结构，包括集电极-发射极电流源ICE，基极-集电极本征和寄生二极管，基极-发射极本征和寄生二极管，以及基极-发射极，基极-集电极耗尽本征和寄生电容。附图2为一个HBT器件版图结构示例，附表1为缩放几何尺寸信息。每个器件的偏置条件和参数限制相同。基于AHBT模型对所有尺寸的HBTs进行参数提取，绘制出以发射体面积(Ae)为x轴，参数值为y轴的曲线。从图中可以直观的看出器件参数值是否偏离经验方程值，对于数值有偏差的器件，重新调整相应的参数值，使得所有尺寸的器件满足规律。AHBT模型的几何可缩放参数原则上可分为DC参数、CV参数、传输时间(Ft)参数三部分。
表1.测试器件的尺寸信息
针对以上器件，本发明实施例提出的基于AgilentHBT模型III-V族HBT可缩放建模方法具体包括以下步骤：
步骤1：提出DC部分可缩放模型：
集电极-发射极电流由正向和反向电流两部分组成。模型方程主要基于UCSD和GP模型。模型中考虑了厄利效应、异质结效应和软膝效应。表2给出了典型的用于DC可缩放建模的模型参数及其对应的经验方程。
表2. AHBT DC模型经验缩放方程和变量值
| 经验方程 | 变量值 |
| IS＝is1×Ae | is1＝18.45f |
| ISH＝ish1×Ae | ish1＝534.1a |
| ISE＝ise1×Ae+ise2 | ise1＝100.5n，ise2＝8.8e-20 |
| ISC＝isc1×Ab | isc1＝15.58u |
| ISR＝isr1×Ae | isr1＝4.17f |
| ISRH＝isrh1×Ab+isrh2 | isrh1＝1.275u，isrh2＝25.83a |
| RTH1＝rth1×Aerth2+rth3 | rth1＝228.4u，rth2＝-0.639，rth3＝432.2 |
从表2可以看出DC模型参数对应的缩放方程是和发射极面积有关的方程，并且一些方程中加入了修正变量。另外，一些模型参数被定义为可以适用于所有器件的常数值。
步骤2：提出CV部分可缩放模型：
AHBT模型基极-发射极和基极-集电极结耗尽电荷方程基于HICUM模型开发而来。由于高频条件下测试焊盘的寄生很难去除，所以通常选择器件在低频情况下的CV数据进行建模。焊盘的寄生采用去嵌技术去除，本发明中利用open+short的去嵌方法。将集电极左开路，可以测出器件在单个频率点下的S参数，然后利用相应的计算公式可以得出基极-发射极结电容。相应地，将发射极左开路可以得出基极-集电极结电容。表3给出了典型的用于CV可缩放建模的模型参数及其对应的经验方程。
表3. AHBT CV模型经验缩放方程和变量值
步骤3：提出Ft部分可缩放模型：
延时电荷方程主要表征器件的本征延时。在AHBT模型中，延时电荷主要由三部分组成：基极延时电荷(QtB)，集电极延时电荷(QtC)和柯克效应(Qkrk)。所有方程是和正向集电极电流和本征基极-集电极电压有关的。集电极渡越时间参数通常由截止频率决定。截止频率一般由共基极模式下测得的S参数计算得出。表4给出了典型的用于Ft可缩放建模的模型参数及其对应的经验方程。
表4. AHBT Ft模型经验缩放方程和变量值
步骤4：结论验证：
通过步骤1，步骤2和步骤3完成缩放模型的初步建立，选取一组具有一定尺寸规律的器件进行模型的验证，如果有偏差，则重复以上三个步骤，然后重新验证，直至达到精度要求；如果没有要求则完成开发工作。
具体的，为了验证提出的模型的准确性，利用IC-CAP软件调用ADS仿真器，来对比分析测试和仿真拟合的结果。本发明实施例中选取四个不同宽度的器件，分别为2um、3um、4um和5um，另外，FE＝3，FB＝4，Le＝20um。尺寸缩放的模型参数通过上述方程计算参数值。
图3a至图3h表示测试和仿真结果的对比图，其中WX.m/s表示四个器件的测试和仿真值，X分别表示2um、3um、4um和5um。另外，为了能够从图中清晰地看出不同宽度器件的拟合结果，给不同器件的拟合结果加上了一个变量Δ。图3a为器件的DC特性曲线，图中的Δ分别为W3.m/s：ic+Δ1(Δ1＝3mA)，W4.m/s：ic+Δ2(Δ2＝6mA)，W5.m/s：ic+Δ3(Δ3＝9mA)。图3b和图3c表示BE和BC结电容的测试和仿真拟合结果，附图3b中的Δ为cbe+Δ4(Δ4＝2pF)，W4.m/s：cbe+Δ5(Δ5＝4pF)，W5.m/s：cbe+Δ6(Δ6＝6pF)，附图3c中的Δ为W3.m/s：cbc+Δ7(Δ7＝0.5pF)，W4.m/s：cbc+Δ8(Δ8＝1pF)，W5.m/s：cbc+Δ9(Δ9＝1.5pF)。图3d为渡越时间的模型拟合结果，器件的最大Ft约为40GHz。最后，图3e-至图3h为器件的测试和仿真S参数拟合结果对比分析，可以看出模型拟合精度可以达到20GHz。附图3e中的Δ为W3.m/s：S11+Δ10(Δ10＝0.1+j0.1)，W4.m/s：S11+Δ11(Δ11＝0.2+j0.2)，W5.m/s：S11+Δ12(Δ12＝0.3+j0.3)。附图3f中的Δ为W3.m/s：S22+Δ13(Δ13＝j0.1)，W4.m/s：S22+Δ14(Δ14＝j0.2)，W5.m/s：S22+Δ15(Δ15＝j0.3)。图3g中的Δ为W3.m/s：S12+Δ16(Δ16＝0.02+j0.02)，W4.m/s：S12+Δ17(Δ17＝0.04+j0.04)，W5.m/s：S12+Δ18(Δ18＝0.06+j0.06)。附图3h中的Δ为W3.m/s：S21+Δ19(Δ19＝5+j5)，W4.m/s：S21+Δ20(Δ20＝10+j10)，W5.m/s：S21+Δ21(Δ21＝15+j15)。
通过以上对本发明实施过程的描述可知，本发明给出适用于电路设计的基于AHBT大信号模型的可缩放模型。该模型包括对DC、CV和Ft缩放模型的经验方程的详细描述。方程中的变量直接从不同尺寸的测试数据中优化得到。大多数的模型参数都可以被设置为常数，这样可以简化模型参数提取和电路设计等。缩放模型的测试和仿真值在0.1-20GHz的频率范围内有较好的拟合结果。
应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。
Claims (1)
1.一种基于AgilentHBT模型III-V族HBT可缩放建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)开发DC部分可缩放模型
AHBT模型集电极-发射极电流由正向和反向电流两部分组成，模型方程基于UCSD和GP模型，模型中考虑厄利效应、异质结效应和软膝效应，通过包括参数IS、ISH、ISE、ISC、ISR、ISRH、RTH1完成曲线的拟合，利用经验方程完成尺寸缩放；其中变量值为is1＝18.45f时，经验方程IS＝is1×Ae；变量值为ish1＝534.1a时，经验方程为ISH＝ish1×Ae；变量值为ise1＝100.5n，ise2＝8.8e-20时，经验方程为ISE＝ise1×Ae+ise2；变量值为isc1＝15.58u时，经验方程ISC＝isc1×Ab；变量值为isr1＝4.17f时，经验方程ISR＝isr1×Ae；变量值为isrh1＝1.275u，isrh2＝25.83a时，经验方程为ISRH＝isrh1×Ab+isrh2；变量值为rth1＝228.4u，rth2＝-0.639，rth3＝432.2时，经验方程RTH1＝rth1×Aerth2+rth3；
(2)开发CV部分可缩放模型
AHBT模型基极-发射极和基极-集电极结耗尽电荷方程基于HICUM模型开发而来，由于高频条件下测试焊盘的寄生很难去除，选择器件在低频情况下的CV数据进行建模，焊盘的寄生采用去嵌技术去除，利用open+short的去嵌方法，通过测量得出器件在单个频率点下的S参数，然后利用相应的计算公式得出基极-发射极结电容，同样地，得出基极-集电极结电容，通过包括参数CJE，VJE，CJC，MJC，VJC，CCMAX，CPCE完成曲线的拟合，利用经验方程完成尺寸缩放；其中变量值为cje1＝1.38m,cje2＝983.9m,cje3＝-368.3p,cje4＝4.764f时，经验方程为CJE＝cje1×Aecje2+cje3×Le+cje4；变量值为vje1＝987.4m,vje2＝-18.67m,vje3＝225.1u时，经验方程为VJE＝vje1×Aevje2+vje3；变量值为cjc1＝2.223,cjc2＝1.339f时，经验方程为CJC＝cjc1×Ab+cjc2；变量值为mjc1＝3.438,mjc2＝92.86m,mjc3＝235.8u时，经验方程为MJC＝mjc1×Aemjc2+mjc3；变量值为vjc1＝27.35m,vjc2＝341.8u,vjc3＝1.05时，经验方程为VJC＝vjc1×(Ae×1012)vjc2+vjc3；变量值为ccmax1＝758.6u,ccmax2＝202.7f时，经验方程为CCMAX＝ccmax1×Ab+ccmax2；变量值为cpce1＝64.51a,cpce2＝1.005,cpce3＝18.72f时，经验方程为CPCE＝cpce1×(Ae×1012)cpce2+cpce3；
(3)开发Ft部分可缩放模型
延时电荷方程表征器件的本征延时，在AHBT模型中，延时电荷由三部分组成：基极延时电荷QtB，集电极延时电荷QtC和柯克效应Qkrk，所有方程是和正向集电极电流和本征基极-集电极电压有关的，集电极渡越时间参数由截止频率决定，截止频率由共基极模式下测得的S参数计算得出，通过包括参数IKRK，VKRK，TCMIN来完成曲线的拟合，利用经验方程完成尺寸缩放；其中变量值为时ikrk1＝17.73K,ikrk2＝0.5736,ikrk3＝5.259m,ikrk4＝-3.26m，经验方程为IKRK＝ikrk1×Aeikrk2×FEikrk3+ikrk4；变量值为vkrk1＝1.699,vkrk2＝21.87m,vkrk3＝320.6m时，经验方程为VKRK＝vkrk1×Aevkrk2+vkrk3；变量值为tcmin1＝1.146u,tcmin2＝650.7m，tcmin3＝232.9f时，经验方程为TCMIN＝tcmin1×Aetcmin2+tcmin3；
(4)模型验证
通过步骤(1)，(2)，(3)完成缩放模型的初步建立，选取一组具有一定尺寸规律的器件进行模型的验证，存在偏差，则重复以上三个步骤，然后重新验证，直至达到精度要求；则完成开发工作；
其中FE为发射极指数；Le为发射极长度；Ae为发射极面积；Ab为基极面积。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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