CN116822170A - 考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了考虑DIBL的GaAspHEMT电流模型计算方法，应用于微波半导体器件建模技术领域，包括：根据每个栅源电压下的饱和电流进行最小二乘法拟合，得到饱和电流的数值表达式，并代入非线性电流表达式中，根据每个偏置点下的漏源电流，获取每个偏置点对应的临界电场；根据GaAs pHEMT的等效热阻，获取不同偏置下的沟道温度，并结合临界电场进行最小二乘法拟合，得到临界电场的数值表达式；将饱和电流以及临界电场代入非线性电流表达式中，并以考虑DIBL的等效栅压替换栅源电压，得到考虑DIBL的GaAspHEMT电流模型。本发明弥补了现有GaAspHEMT电流模型二阶效应考虑不全导致的精度不足的问题。
Description
技术领域
本发明涉及微波半导体器件建模技术领域，特别涉及考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法。
背景技术
器件模型是连接半导体器件和电路的重要桥梁，精准的器件模型对于电路设计以及器件工艺的指导优化设计具有重要意义。GaAs pHEMT(Pseudo-morphic high-electron-mobility transistor)具有高电子迁移率等优势，使其在功率放大器上应用广泛。对于这种功放设计，准确的电流模型尤为重要。当器件沟道较短时，大的漏源电压Vds会使漏源之间的势垒高度降低，导致阈值电压变小，出现正的输出电导，即漏诱势垒降低(DIBL)效应。因此在电流模型中必须得考虑该效应。
2007年西班牙罗威拉-威尔吉利大学Hamdy Abd El Hamid等人提出了一种适用于双栅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的二维解析阈值电压和亚阈区摆幅模型，该模型从二维泊松方程推导得到，并通过与二维数值仿真结果对比验证了模型在DIBL，亚阈区摆幅和阈值电压滚降的表征能力。
2012年比利时鲁汶大学Mohd Khairuddin Md Arshad等人分析了超薄硅体，超薄硅体和薄埋氧层MOSFET中的DIBL效应，所提出的包含拓展MASTAR方程的模型与实验中DIBL具有很好的一致性。
2013年约旦科技大学的MamounF.AI-Mistarihi等人提出了一种准确的绝缘体上硅(SOI)MOSFET DIBL隧穿新模型，并讨论了漏源电压和衬底电压变化对DIBL效应的影响。
由上述现有技术可知，目前DIBL已经广泛应用于MOSFET模型中，而对于GaAspHEMT器件，迫切需要一种考虑DIBL效应的物理基电流模型来弥补现有GaAs pHEMT电流模型二阶效应考虑不全导致的精度不足的问题。
为此，如何提供一种能够考虑DIBL效应的物理基电流模型，以提高电流模型表征精度的考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法，包括：
步骤(1)：根据每个栅源电压下的饱和电流进行最小二乘法拟合，得到饱和电流的数值表达式；
步骤(2)：将饱和电流的数值表达式代入非线性电流表达式中，并根据每个偏置点下的漏源电流，获取每个偏置点对应的临界电场；
步骤(3)：根据GaAs pHEMT的等效热阻，获取不同偏置下的沟道温度，并结合临界电场进行最小二乘法拟合，得到临界电场的数值表达式；
步骤(4)：将饱和电流的数值表达式以及临界电场的数值表达式代入非线性电流表达式中，并以考虑DIBL的等效栅压替换栅源电压，得到考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型。
可选的，步骤(1)中，每个栅源电压下的饱和电流为通过在25℃下对待测器件进行静态I-V测试得到。
可选的，步骤(1)中，饱和电流的数值表达式，如下：
其中，Isat为器件的饱和电流；W为器件栅宽；q为电子电荷量；vsat为饱和电子速度；An、Bn、an、bn、cn、dn、en均为拟合参数。
可选的，步骤(2)中，非线性电流表达式，如下：
其中，Ids为非线性电流，Isat为器件的饱和电流；Vds为漏极-源极电压；Ec为临界电场；ls、ld分别为源极和漏极的接入区长度；lg为器件栅长；β为速度场的阶数。
可选的，步骤(3)中，GaAs pHEMT的等效热阻为通过在125℃下对待测器件进行脉冲I-V测试，并结合静态I-V测试的结果提取得到。
可选的，步骤(3)中，根据GaAs pHEMT的等效热阻，获取不同偏置下的沟道温度，如下：
Tch＝Tamb+VdsIdsRtheq；
其中，Tch为不同偏置下的沟道温度；Vds为漏极-源极电压；Ids为非线性电流；Rtheq为GaAspHEMT的等效热阻。
可选的，步骤(3)中，临界电场的数值表达式，如下：
其中，Ec为临界电场；Bgs为栅极-源极电压；Tch为不同偏置下的沟道温度；a0、a1、b0、b1、b2均为拟合参数。
可选的，步骤(4)中，考虑DIBL的等效栅压，如下：
Vgseff＝Vgs+Vdsexp(K)；
其中，Vgseff为考虑DIBL的等效栅压；Vgs为栅极-源极电压；Vds为漏极-源极电压；K为效应拟合参数。
可选的，效应拟合参数K为通过在25℃下对待测器件进行脉冲I-V测试得到。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提出了考虑DIBL的GaAspHEMT电流模型计算方法。通过基于区域划分的准物理基电流模型以及基于等效阈值电压的物理基DIBL模型，得到考虑DIBL效应的GaAs pHEMT电流模型。实验表明，本发明提出的考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型可有效提高电流模型表征精度，弥补了现有GaAs pHEMT电流模型二阶效应考虑不全导致的精度不足的问题。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的饱和电流曲线实测与仿真示意图。
图3为本发明的临界电场曲线实测与仿真示意图。
图4为本发明的脉冲I-V曲线实测与仿真示意图。
图5为本发明的DC I-V曲线实测与仿真示意图。
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。
实施例1：
本发明实施例1公开了考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法，如图1所示，包括：
步骤(1)：在25℃下(常温下)对待测器件进行静态I-V测试(Vgs＝0～1.2V，Vds＝0～6V)，获取每个栅源电压Vgs下的饱和电流，根据每个栅源电压下的饱和电流Isat(每个栅源电压Vgs下不同漏源电压Vds对应的漏源电流Ids的最大值Isat)进行最小二乘法拟合，拟合效果如图2所示，得到饱和电流的数值表达式，如下：
其中，Isat为器件的饱和电流；W为器件栅宽；q为电子电荷量；vsat为饱和电子速度；An、Bn、an、bn、cn、dn、en均为拟合参数。
步骤(2)：将饱和电流Isat的数值表达式代入非线性电流Ids表达式中，并根据每个偏置点下的漏源电流Ids，获取每个偏置点对应的临界电场Ec；
采用区域划分模型，基于器件沟道的电场分布或载流子分布，将沟道划分为若干个区域。在每个区域，根据该区域器件工作的主要原理，采用相应的物理方程描述I-V关系。再根据电压、电流等物理量在各区域交界处的连续性，将所有区域的方程联立求解，最终得到器件的I-V特性，得到非线性电流表达式Ids，如下：
其中，Ids为非线性电流，Isat为器件的饱和电流，可表示为Isat＝Wqns(Vgs)vsat，其中，W为器件栅宽，ns(Vgs)为电子面密度；Vds为漏极-源极电压；Ec为临界电场；ls、ld分别为源极和漏极的接入区长度；lg为器件栅长；β为速度场的阶数，采用二阶场-速关系，即β＝2。
步骤(3)：在125℃(高温)下对待测器件进行脉冲I-V测试(静态偏置点Vgsq＝0V，Vdsq＝0V)，并结合静态I-V测试的结果，获取GaAspHEMT的等效热阻Rtheq，根据GaAs pHEMT的等效热阻Rtheq，获取不同偏置下的沟道温度Tch，并结合临界电场Ec进行最小二乘法拟合，拟合效果如图3所示，得到临界电场Ec的数值表达式；
不同偏置下的沟道温度Tch，如下：
Tch＝Tamb+VdsIdsRtheq；
其中，Tch为不同偏置下的沟道温度；Vds为漏极-源极电压；Ids为非线性电流；Rtheq为GaAspHEMT的等效热阻。
临界电场Ec的数值表达式，如下：
其中，Ec为临界电场；Vgs为栅极-源极电压；Tch为不同偏置下的沟道温度；a0、a1、b0、b1、b2均为拟合参数。
步骤(4)：将饱和电流Isat的数值表达式以及临界电场Ec的数值表达式代入非线性电流表达式Ids中，并以考虑DIBL的等效栅压Vgseff替换栅源电压Vgs，得到考虑DIBL的GaAspHEMT电流模型。
采用等效阈值电压的方法将DIBL嵌入电流模型，得到考虑DIBL的等效栅压Vgseff，如下：
Vgseff＝Vgs+Vdsexp(K)；
其中，Vgseff为考虑DIBL的等效栅压；Vgs为栅极-源极电压；Vds为漏极-源极电压；K为效应拟合参数，为通过在25℃下(常温下)对待测器件进行脉冲I-V测试(静态偏置点Vgsq＝0V，Vdsq＝0V)得到，拟合效果如图4所示。
以栅长0.25μm，栅宽为10×125μm的多栅指GaAs pHEMT电流模型为例，采用上述考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法，得到的考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型，拟合效果如图5所示，且图5中还标记出了不考虑DIBL效应的仿真结果，相比较，本发明提出的模型表征精度提升4.76％。
本发明实施例公开了考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法。通过基于区域划分的准物理基电流模型以及基于等效阈值电压的物理基DIBL模型，得到考虑DIBL效应的GaAs pHEMT电流模型。实验表明，本发明提出的考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型可有效提高电流模型表征精度，弥补了现有GaAs pHEMT电流模型二阶效应考虑不全导致的精度不足的问题。
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。对于实施例公开的装置而言，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。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法，其特征在于，包括：
步骤(1)：根据每个栅源电压下的饱和电流进行最小二乘法拟合，得到所述饱和电流的数值表达式；
步骤(2)：将所述饱和电流的数值表达式代入非线性电流表达式中，并根据每个偏置点下的漏源电流，获取每个偏置点对应的临界电场；
步骤(3)：根据GaAs pHEMT的等效热阻，获取不同偏置下的沟道温度，并结合所述临界电场进行最小二乘法拟合，得到所述临界电场的数值表达式；
步骤(4)：将所述饱和电流的数值表达式以及所述临界电场的数值表达式代入所述非线性电流表达式中，并以考虑DIBL的等效栅压替换所述栅源电压，得到考虑DIBL的GaAspHEMT电流模型。
2.根据权利要求1所述的考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法，其特征在于，步骤(1)中，每个所述栅源电压下的饱和电流为通过在25℃下对待测器件进行静态I-V测试得到。
3.根据权利要求1所述的考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法，其特征在于，步骤(1)中，所述饱和电流的数值表达式，如下：
其中，Isat为器件的饱和电流；W为器件栅宽；q为电子电荷量；vsat为饱和电子速度；An、Bn、an、bn、cn、dn、en均为拟合参数。
4.根据权利要求1所述的考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法，其特征在于，步骤(2)中，所述非线性电流表达式，如下：
其中，Ids为非线性电流，Isat为器件的饱和电流；Vds为漏极-源极电压；Ec为临界电场；ls、ld分别为源极和漏极的接入区长度；lg为器件栅长；β为速度场的阶数。
5.根据权利要求2所述的考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法，其特征在于，步骤(3)中，所述GaAs pHEMT的等效热阻为通过在125℃下对待测器件进行脉冲I-V测试，并结合所述静态I-V测试的结果提取得到。
6.根据权利要求1所述的考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法，其特征在于，步骤(3)中，根据GaAs pHEMT的等效热阻，获取不同偏置下的沟道温度，如下：
Tch＝Tamb+VdsIdsRtheq；
其中，Tch为不同偏置下的沟道温度；Tamb为室温；Vds为漏极-源极电压；Ids为非线性电流；Rtheq为GaAspHEMT的等效热阻。
7.根据权利要求1所述的考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法，其特征在于，步骤(3)中，所述临界电场的数值表达式，如下：
其中，Ec为临界电场；Vgs为栅极-源极电压；Tch为不同偏置下的沟道温度；a0、a1、b0、b1、b2均为拟合参数。
8.根据权利要求1所述的考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法，其特征在于，步骤(4)中，考虑DIBL的等效栅压，如下：
Vgseff＝Vgs+Vdsexp(K)；
其中，Vgseff为考虑DIBL的等效栅压；Vgs为栅极-源极电压；Vds为漏极-源极电压；K为效应拟合参数。
9.根据权利要求8所述的考虑DIBL的GaAs pHEMT电流模型计算方法，其特征在于，所述效应拟合参数K为通过在25℃下对待测器件进行脉冲I-V测试得到。
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