CN113378371B - 二极管电荷模型建立方法及其模型参数萃取方法 - Google Patents

二极管电荷模型建立方法及其模型参数萃取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二极管电荷模型建立方法及其模型参数萃取方法，包括：基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和曲线平滑参数，获得调整电压；基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和所述调整电压，获得沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压；基于本征二极管的内部偏置电压和主动器件沟道完全耗尽时的电荷值，获得二极管电荷值；对二极管电荷值进行电压微分，获得二极管电容值。本发明支持基于主动器件(如HEMT、pHEMT等的外延工艺)的二极管的电荷/电容描述，特别是沟道开启带来的电容爬升效应。

Description

二极管电荷模型建立方法及其模型参数萃取方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种二极管电荷模型建立方法及其模型参数萃方法。
背景技术
在射频微波领域中，肖特基二极管工艺常常搭配其他主动器件工艺共同用于微波射频计。例如搭配HEMT工艺或者pHEMT工艺，可以用于设计射频微波的低噪声放大器电路者功放电路。在HEMT/pHEMT外延在外延生长过程中，需要形成一层二维电子气，用以成主动器件的沟道。
但是由于外延层沟道的存在会导致在二极管关断时的结电容会存在一个剧烈的爬升。主要是由于外部电压导致沟道开启并充满电子，从而增加了结电容。
传统的二极管电荷模型公式如下
Figure BDA0003102156740000011
对电荷微分得到电容公式如下
Figure BDA0003102156740000012
参见图1所示(其中的Test data表示测试数据曲线，Model表示传统的二极管电荷模型的仿真曲线)，传统的电荷模型没有办法支持基于主动器件外延工艺的二极管的电荷描述，尤其是在沟道开启后的电容爬升部分。
为了描述电容爬升的行为，产业界通常使用两种方式进行解决：
第一种方式是使用pHEMT/HEMT三极管的模型，利用三极管电荷模型中，沟道开启对电容影响的描述，将三极管的漏极/源极短接，组成简单的二极管模型；这种方法的缺点是，需要用更高阶或者更复杂的三极管模型去描述，会增加模型公式的复杂程度，增加仿真解法器的计算时间；
第二种方式是使用量测数据的查表模型；这种方法的缺点是，仅能支持直流和小信号仿真，无法支持大信号仿真。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种二极管电荷模型建立方法及模型参数萃取方法，能够支持基于主动器件(如pHEMT、HEMT)外延工艺的二极管的电荷/电容描述，特别是沟道开启带来的电容爬升效应。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一方面，一种二极管电荷模型建立方法，包括：
基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和曲线平滑参数，获得调整电压；
基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和所述调整电压，获得沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压；
基于所述本征二极管的内部偏置电压和主动器件沟道完全耗尽时的电荷值，获得二极管电荷值；
对所二极管电荷值进行电压微分，获得二极管电容值。
优选的，基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和曲线平滑参数，获得调整电压，具体如下：
Figure BDA0003102156740000021
其中，Vpos表示调整电压；Va表示偏置电压；Vth表示主动器件的沟道开启电压；D表示曲线平滑参数。
优选的，基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和所述调整电压，获得沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压，具体如下：
Figure BDA0003102156740000022
其中，Vpinchoff表示沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压；Vpos表示调整电压；Va表示偏置电压；Vth表示主动器件的沟道开启电压。
优选的，基于所述本征二极管的内部偏置电压和主动器件沟道完全耗尽时的电荷值，获得二极管电荷值，具体如下：
Figure BDA0003102156740000023
其中，Qg表示二极管电荷值；Cg0表示二极管零偏结电容；Vbi表示二极管内建电势；Vpinchoff表示沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压；mj表示结电容衰减系数；Qov表示主动器件沟道完全耗尽时的电荷值。
优选的，所述二极管电容值，表示如下：
Figure BDA0003102156740000031
其中，Cg表示二极管电容值；Cg0表示二极管零偏结电容；Va表示偏置电压；Vth表示主动器件的沟道开启电压；Vpos表示调整电压；Vpinchoff表示沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压；Vbi表示二极管内建电势；mj表示结电容衰减系数；Cov表示二极管耗尽结电容。
另一方面，一种二极管电荷模型参数萃取方法，包括：
获取二极管的电容-电压特性的测试曲线；
确定预设二极管模型中的核心参数的标定值以及辅助参数的经验初值；所述核心参数为影响电容-电压特性的变化趋势的模型参数，所述核心参数的标定值根据工艺/外延设定、基于经验计算公式而确定或通过对所述二极管进行测试而确定；所述辅助参数为影响电容-电压特性的变化精度的模型参数；
调整获取所述辅助参数的调节值；
将所述核心参数的标定值以及所述辅助参数的调节值代入所述预设二极管模型；
获取所述预设二极管模型的电容-电压特性的仿真曲线；
判断所述仿真曲线与所述测试曲线的拟合误差是否小于预设阈值；
若是，则将所述辅助参数的调节值确定为所述辅助参数的标定值；
若否，则继续执行所述调整获取所述辅助参数的调节值的步骤。
优选的，所述预设二极管模型包括获取二极管电荷值和获取二极管电容值；所述二极管电容值通过对所述二极管电荷值进行电压微分获得。
优选的，所述核心参数包括电压核心参数、电容核心参数和电荷核心参数；所述电压核心参数包括二极管内建电势和主动器件的沟道开启电压；所述电容核心参数包括二极管零偏结电容和二极管耗尽结电容；所述电荷核心参数包括主动器件沟道完全耗尽时的电荷值；所述辅助参数包括曲线平滑参数和结电容衰减系数。
优选的，所述二极管电荷值，表示如下：
Figure BDA0003102156740000041
其中，Qg表示二极管电荷值；Cg0表示二极管零偏结电容；Vbi表示二极管内建电势；
Figure BDA0003102156740000042
表示沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压，Va表示偏置电压，Vth表示主动器件的沟道开启电压，D表示曲线平滑参数；mj表示结电容衰减系数；Qov表示主动器件沟道完全耗尽时的电荷值。
优选的，所述二极管电容值，表示如下：
Figure BDA0003102156740000043
其中，Cg表示二极管电容值；
Figure BDA0003102156740000044
表示调整电压；mj表示结电容衰减系数；Cov表示二极管耗尽结电容。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明一种二极管电荷模型建立方法，所述建立的二极管模型能够支持基于主动器件外延工艺的二极管的电荷/电容描述，特别是沟道开启带来的电容爬升效应；
(2)本发明一种二极管电荷模型参数萃取方法，将预设二极管模型中的模型参数区分为核心参数和辅助参数，并且，针对于对电容-电压特性影响较小的辅助参数，采用较为简单的仿真拟合校准方法进行标定，从而省却了复杂的研究计算，节省了人力和时间，提高了标定效率并确保了结果准确度。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种二极管电荷模型建立方法及模型参数萃取方法不局限于实施例。
附图说明
图1为传统的二极管电荷模型的仿真曲线与测试曲线的比对图；
图2为本发明的二极管电荷模型建立方法的流程图；
图3为本发明方法的电荷模型的仿真曲线与传统的二极管电荷模型的仿真曲线的比对图；
图4为本发明方法的电容模型的仿真曲线与传统的二极管电容模型的仿真曲线的比对图；
图5为本发明方法的电容模型的仿真曲线与测试曲线的比对图；
图6为本发明的二极管电荷模型参数萃取方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
参见图2所示，本发明一种二极管电荷模型建立方法，包括：
S201，基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和曲线平滑参数，获得调整电压；
S202，基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和所述调整电压，获得沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压；
S203，基于所述本征二极管的内部偏置电压和主动器件沟道完全耗尽时的电荷值，获得二极管电荷值；
S204，对所二极管电荷值进行电压微分，获得二极管电容值。
本实施例中，所述二极管优选为肖特基二极管。所述的主动器件包括HEMT、pHEMT等。
本实施例中，基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和曲线平滑参数，获得调整电压，具体如下：
Figure BDA0003102156740000051
其中，Vpos表示调整电压；Va表示偏置电压；Vth表示主动器件的沟道开启电压；D表示曲线平滑参数。
具体的，所示的偏置电压Va表示施加给二极管的偏置电压，具体为二极管阳极和阴极的压差。主动器件的沟道开启电压Vth为根据主动器件的工艺和/或外延设定的参数，或者主动器件的沟道开启电压Vth基于经验计算公式而确定。曲线平滑参数D需要通过仿真拟合校准方法进行标定，所述曲线平滑参数D的取值范围为0到1左右，用于避免曲线在接近0的区域过渡太硬直。
本实施例中，基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和所述调整电压，获得沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压，具体如下：
Figure BDA0003102156740000061
其中，Vpinchoff表示沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压。
本实施例中，基于所述本征二极管的内部偏置电压和主动器件沟道完全耗尽时的电荷值，获得二极管电荷值，具体如下：
Figure BDA0003102156740000062
其中，Qg表示二极管电荷值；Cg0表示二极管零偏结电容；Vbi表示二极管内建电势；Vpinchoff表示沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压；mj表示结电容衰减系数；Qov表示主动器件沟道完全耗尽时的电荷值。
具体的，二极管内建电势Vbi为根据二极管的工艺和/或外延设定的参数。曲线平滑参数D需要通过仿真拟合校准方法进行标定。二极管零偏结电容Cg0为根据二极管的工艺和/或外延设定的参数，或者，二极管零偏结电容Cg0为通过对所述二极管进行测试而确定。结电容衰减系数mj需要通过仿真拟合校准方法进行标定。主动器件沟道完全耗尽时的电荷值Qov为根据主动器件的工艺和/或外延设定的参数，或者，主动器件沟道完全耗尽时的电荷值Qov为通过对所述二极管进行测试而确定。
本实施例中，所述二极管电容值，表示如下：
Figure BDA0003102156740000063
其中，Cg表示二极管的电容值；Cov表示二极管耗尽结电容。
具体的，二极管耗尽结电容Cov为根据主动器件的工艺和/或外延设定的参数，或者，极管耗尽结电容Cov为通过对所述二极管进行测试而确定。
进一步的，依据上述方法建立好电荷值和电容值后，本发明模型与传统的二极管电荷模型的仿真曲线的比对图参见图3所示；与传统的二极管电荷模型的仿真曲线的比对图参见图4所示；与测试曲线的比对图参见图5所示。由对比图可知，本发明的模型可以较好的拟合由于沟道带来的电容爬升效应。
本发明一种二极管电荷模型建立方法，所述建立的二极管模型能够支持基于主动器件外延工艺的二极管的电荷/电容描述，特别是沟道开启带来的电容爬升效应。
参见图6所示，一种二极管电荷模型参数萃取方法，包括：
S601，获取二极管的电容-电压特性的测试曲线；
S602，确定预设二极管模型中的核心参数的标定值以及辅助参数的经验初值；所述核心参数为影响电容-电压特性的变化趋势的模型参数，所述核心参数的标定值根据工艺/外延设定、基于经验计算公式而确定或通过对所述二极管进行测试而确定；所述辅助参数为影响电容-电压特性的变化精度的模型参数；
S603，调整获取所述辅助参数的调节值；
S604，将所述核心参数的标定值以及所述辅助参数的调节值代入所述预设二极管模型；
S605，获取所述预设二极管模型的电容-电压特性的仿真曲线；
S606，判断所述仿真曲线与所述测试曲线的拟合误差是否小于预设阈值；若是，进入S607，若否，进入S603；
S607，将所述辅助参数的调节值确定为所述辅助参数的标定值。
本实施例中，所述预设二极管模型包括获取二极管电荷值和获取二极管电容值；所述二极管电容值是通过对所述二极管电荷值进行电压微分获得。
进一步的，所述核心参数包括电压核心参数、电容核心参数和电荷核心参数；所述电压核心参数包括二极管内建电势和主动器件的沟道开启电压；所述电容核心参数包括二极管零偏结电容和二极管耗尽结电容；所述电荷核心参数包括主动器件沟道完全耗尽时的电荷值；所述辅助参数包括曲线平滑参数和结电容衰减系数。
具体地，本申请所提供的二极管电荷模型参数萃取方法，主要包括两类模型参数的确定：核心参数和辅助参数。其中，核心参数对肖特基二极管的电容-电压特性的变化趋势起到主要的影响作用，当核心参数变化时将会影响整个电容-电压特性曲线的走向和走势；相对而言，辅助参数对电容-电压特性特性曲线的影响较小，辅助参数的变化将在小
范围内影响电容-电压特性曲线的精度。
鉴于核心参数与辅助参数的不同影响效果，本发明可先确定出核心参数的标定值，然后在确定了核心参数的基础上对辅助参数进行微调，直至基于预设肖特基二极管模型得出的仿真曲线与肖特基二级管的测试曲线基本一致，从而确定出辅助参数的标定值。
对于部分核心参数，具体如二极管零偏结电容、二极管耗尽结电和主动器件沟道完全耗尽时的电荷值等核心参数，它们与电容特性直接相关，因此可依据肖特基二极管的电容-电压特性的测试曲线得出标定值。所说的测试曲线，即为通过测试得到的真实特性曲线数据。一般地，产品手册中可能会有厂商提供的特性曲线测试数据；当然，本领域技术人员也可以自行测试获取。
对于核心参数中的二极管内建电势和主动器件的沟道开启电压参数，可依据经验计算公式而计算确定标定值；当然，若产品手册中提供了相关数据，本领域技术人员也可通过查询产品手册而获取。
对于辅助参数，由于其往往是电子技术领域中的一些常用参数，对此，可在经验初值的基础上进行微调，将核心参数与调节后的辅助参数代入到预设肖特基二极管模型中，仿真生成电容-电压特性的仿真曲线，并与测试曲线进行对比，直至两者的拟合误差小于预设阈值。则至此，核心参数与辅助参数的标定均已完成。
本实施例中，所述二极管电荷值，表示如下：
Figure BDA0003102156740000081
其中，Qg表示二极管电荷值；Cg0表示二极管零偏结电容；Vbi表示二极管内建电势；
Figure BDA0003102156740000082
表示沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压，Va表示偏置电压，Vth表示主动器件的沟道开启电压，D表示曲线平滑参数；mj表示结电容衰减系数；Qov表示主动器件沟道完全耗尽时的电荷值。
进一步的，所述二极管电容值，表示如下：
Figure BDA0003102156740000083
其中，Cg表示二极管电容值；
Figure BDA0003102156740000084
表示调整电压；mj表示结电容衰减系数；Cov表示二极管耗尽结电容。
本发明一种二极管电荷模型参数萃取方法，将预设二极管模型中的模型参数区分为核心参数和辅助参数，并且，针对于对电容-电压特性影响较小的辅助参数，采用较为简单的仿真拟合校准方法进行标定，从而省却了复杂的研究计算，节省了人力和时间，提高了标定效率并确保了结果准确度。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种二极管电荷模型建立方法，其特征在于，包括：
基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和曲线平滑参数，获得调整电压；
基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和所述调整电压，获得沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压；
基于所述本征二极管的内部偏置电压和主动器件沟道完全耗尽时的电荷值，获得二极管电荷值；
对所述二极管电荷值进行电压微分，获得二极管的电容值；
基于所述本征二极管的内部偏置电压和主动器件沟道完全耗尽时的电荷值，获得二极管电荷值，具体如下：
Figure FDA0003802528680000011
其中，Qg表示二极管电荷值；Cg0表示二极管零偏结电容；Vbi表示二极管内建电势；Vpinchoff表示沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压；mj表示结电容衰减系数；Qov表示主动器件沟道完全耗尽时的电荷值；
所述二极管电容值，表示如下：
Figure FDA0003802528680000012
其中，Cg表示二极管电容值；Cg0表示二极管零偏结电容；Va表示偏置电压；Vth表示主动器件的沟道开启电压；Vpos表示调整电压；Vpinchoff表示沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压；Vbi表示二极管内建电势；mj表示结电容衰减系数；Cov表示二极管耗尽结电容。
2.根据权利要求1所述的二极管电荷模型建立方法，其特征在于，基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和曲线平滑参数，获得调整电压，具体如下：
Figure FDA0003802528680000013
其中，Vpos表示调整电压；Va表示偏置电压；Vth表示主动器件的沟道开启电压；D表示曲线平滑参数。
3.根据权利要求1所述的二极管电荷模型建立方法，其特征在于，基于施加给二极管的偏置电压、主动器件的沟道开启电压和所述调整电压，获得沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压，具体如下：
Figure FDA0003802528680000021
其中，Vpinchoff表示沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压；Vpos表示调整电压；Va表示偏置电压；Vth表示主动器件的沟道开启电压。
4.一种二极管电荷模型参数萃取方法，其特征在于，包括：
获取二极管的电容-电压特性的测试曲线；
确定预设二极管模型中的核心参数的标定值以及辅助参数的经验初值；所述核心参数为影响电容-电压特性的变化趋势的模型参数，所述核心参数的标定值根据工艺/外延设定、基于经验计算公式而确定或通过对所述二极管进行测试而确定；所述辅助参数为影响电容-电压特性的变化精度的模型参数；
调整获取所述辅助参数的调节值；
将所述核心参数的标定值以及所述辅助参数的调节值代入所述预设二极管模型；
获取所述预设二极管模型的电容-电压特性的仿真曲线；
判断所述仿真曲线与所述测试曲线的拟合误差是否小于预设阈值；
若是，则将所述辅助参数的调节值确定为所述辅助参数的标定值；
若否，则继续执行所述调整获取所述辅助参数的调节值的步骤；
所述预设二极管模型包括二极管电荷值和二极管电容值；所述二极管电容值通过对所述电荷值进行电压微分获得；
所述核心参数包括电压核心参数、电容核心参数和电荷核心参数；所述电压核心参数包括二极管内建电势和主动器件的沟道开启电压；所述电容核心参数包括二极管零偏结电容和二极管耗尽结电容；所述电荷核心参数包括主动器件沟道完全耗尽时的电荷值；所述辅助参数包括曲线平滑参数和结电容衰减系数；
所述二极管电荷值，表示如下：
Figure FDA0003802528680000022
其中，Qg表示二极管电荷值；Cg0表示二极管零偏结电容；Vbi表示二极管内建电势；
Figure FDA0003802528680000031
表示沟道开启后的本征二极管的内部偏置电压，Va表示偏置电压，Vth表示主动器件的沟道开启电压，D表示曲线平滑参数；mj表示结电容衰减系数；Qov表示主动器件沟道完全耗尽时的电荷值；
所述二极管电容值，表示如下：
Figure FDA0003802528680000032
其中，Cg表示二极管电容值；
Figure FDA0003802528680000033
表示调整电压；mj表示结电容衰减系数；Cov表示二极管耗尽结电容。
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