CN114386347B 一种场效应晶体管的建模方法 （苏州华太电子技术股份有限公司）

(19)国家知识产权局(12)发明专利(10)授权公告号CN114386347B(65)同一申请的已公布的文献号(43)申请公布日2022.04.22梅腾达.基于二维材料的高频纳机电谐振器模型研究.中国优秀硕士学位论文全文数据库(工程科技I辑).2021,全文.(73)专利权人苏州华太电子技术股份有限公司地址215000江苏省苏州市工业园区星湖街328号创意产业园10-1F(72)发明人黄安东(74)专利代理机构南京利丰知识产权代理事务所(特殊普通合伙)32256专利代理师赵世发一种场效应晶体管的建模方法本申请公开了一种场效应晶体管的建模方法，包括：建立FET的小信号本征部分等效电路，并由此获得内部本征参数与外部偏置的关系；构建FET的大信号模型，其包括栅极电荷源、漏极电过对端口电压进行路径积分，得到非线性电流源、电荷源与端口电压之间的关系；之后可使用查找表的方式储存或使用神经网络训练得到神经网络解析模型。本申请在电流源和电荷源的积NQS的物理机理一致，保证了小信号模型和大信号模型的统一，模型的精度不受频带的影响，也不需要使用高阶源，无论从模型的鲁棒性，精确Ia=I₄(Vgodelay,Vaa,T)Vgsdelay=Vgo×exp(jwr)2为漏源电容；延t,其中：32.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述NQS子电路表示为：Vgs-delay=Vgs×exp(-3.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述场效应晶体管的大信号模型还包括热子电路，所述热子电路对应于模拟热扩散的R-C并联电路。4.根据权利要求3所述的建模方法，其特征在于包括：改变环境温度，并引入温度因子α₁,得到电流源、电荷源与温度的关系为：5.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于还包括：在积分得到非线性电流源、电荷源与端口电压之间的关系后，使用查找表的方式储存下来。6.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于还包括：在积分得到非线性电流源、电荷源与端口电压之间的关系后，使用神经网络进行训练，得到神经网络解析模型。7.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述场效应晶体管的大信号模型的小信号表现由式(III)决定：=9m·e-jot·dvgs+gdsdvas=9m·(cos(wτ)-j·sin(wt))·dvg=(gm·cos(wt)+j·Cm)·dvgs8.根据权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述场效应晶体管包括MOSFET、4一种场效应晶体管的建模方法容量和低时延是5G通讯的核心，而高频率高功率放大器则是实现这两大目标的关键之一。性模型则是这一流程中最为复杂和重要的一环。对于高频场效应晶体管的NQS效应(非准静态效应，也即栅极电压对沟道电流的控制有时[0004]前述的现有模型可以归类为与工艺无关的模型(Technologyindependent不足。5[0010]其中Yint为本征Y参数，Yn为二端口Y矩阵的每一个元素，i、j=1或2,yg₁为Y7的[0013]构建场效应晶体管的大信号模型，该大信号模型包括栅极电荷源Qg、漏极电荷源通过对端口电压进行路径积分，得到非线性电流源、电荷源与端口电压之间的关系，即：在一些实施方式中，所述场效应晶体管的大信号模型还包括热子电路，所述热子电路对应于模拟热扩散的R-C并联电路，其可以表示为：6[0022]在一些实施方式中所述的建模方法还包括：改变环境温度，并引入温度因子α₁,得试，器件自热效应可以忽略，因此环境温度与沟道温度保持一致，也即沟道温度可以通过改变环境温度来控制。[0028]在一些实施方式中，所述的建模方法还包括：在积分得到非线性电流源、电荷源与端口电压之间的关系后，使用查找表的方式储存下来。[0029]在一些实施方式中，所述的建模方法还包括：在积分得到非线性电流源、电荷源与端口电压之间的关系后，使用神经网络进行训练，得到神经网络解析模型。[0030]在一些实施方式中，所述场效应晶体管的大信号模型的小信号表现由式(III)决=9m·e-jur.dvgs+9asdvds=9m·(cos(wt)-j·sin(wt))·dvg=(gm·cos(wT)+j·Cm)·dvgs[0034]较之现有技术，本申请实施例提供的技术方案至少具有如下优势：[0035](1)提出了一个新的FET模型框架，在电流源和电荷源的积分过程中，将NQS效应全部剔除出去。NQS效应由栅极的延时子电路来模拟，这种建模方式与NQS的物理机理一致，而且保证了小信号模型和大信号模型的统一，从而模型的精度不受频带的影响，也不需要使用高阶源，无论从模型的鲁棒性、精确度以及模型抽取的难度而言，都显著优于现有的模型框架；[0036](2)模型生成全自动化，模型基于二维电流与电荷，仿真收敛性好，器件所有偏置点的信息都录入到了模型中，能够好地反映出器件的非线性性能；[0038](4)基于本申请实施例所构建模型的特点，能够大规模地得到从Tcad工艺仿真得7到射频大信号模型，其既可以用于评估工艺，也可以用于芯片设计，有望实现工艺与设计协同发展，极大地加速了工艺的优化以及从工艺到芯片设计制造的过程，减少芯片流片的次附图说明[0039]图1为本申请一实施例中一种FET小信号本征部分等效电路的示意图；[0040]图2-1为本申请一实施例中一种FET大信号模型的拓扑图；[0041]图2-2为本申请一实施例中一种FET大信号模型的NQS子电路示意图；[0042]图2-3为本申请一实施例中一种FET大信号模型的热子电路示意图；[0043]图3为本申请一实施例中测试获得的脉冲沟道电流(圆圈)与模型仿真的脉冲沟道电流(线)的对比图；[0044]图4为本申请一实施例中积分得到的栅极电荷与栅源电压的关系图；[0045]图5为本申请一实施例中积分得到的栅极电荷与漏源电压的关系图；[0046]图6为本申请一实施例中积分得到的漏极电荷与栅源电压的关系图；[0047]图7为本申请一实施例中积分得到的漏极电荷与漏源电压的关系图；[0048]图8为本申请一实施例中大信号模型仿真出的栅源电容(线)与测试提取的栅源电容(圆圈)的对比图；[0049]图9为本申请一实施例中大信号模型仿真出的栅漏电容(线)与测试提取的栅漏电容(圆圈)的对比图；[0050]图10为本申请一实施例中大信号模型仿真出的漏源电容(线)与测试提取的漏源电容(圆圈)的对比图；[0051]图11为本申请一实施例中大信号模型仿真出的跨容(线)与测试提取的跨容(圆圈)的对比图。具体实施方式[0052]如前所述，现有的一些FET模型，例如是德科技(Keysight)开发出的RootModel、NeuroFET等已经覆盖了第一代半导体到第三代半导体，如MOSFET,LDMOS,GaASpHEMT以及GaNHEMT。这些模型架构与器件的物理无关，只需要测试标准的S参数(散射参数)、脉者静态I-V曲线，模型便能自动生成，无需人工干预，但其最大的缺陷在于没有对NQS很好建模方案，而恩智浦等提出的模型采用高阶电流源和电压源，只能在窄带内模拟NQS效应，而且高阶源的电荷守恒性以及仿真收敛性也会是重大挑战。[0053]鉴于现有技术的这些不足之处，本申请的发明人对FET的NQS现象进行了深入的分析，从物理机理层面给出了一套解决方案，而且该方案可以很容易集成在现有的Root附图及实施例，对本申请的技术方案进行详细描述。但如下实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。[0054]请参阅图1,首先构建场效应晶体管(FET)的小信号本征部分等效电路(以下简称89[0084]本申请实施例基于NQS效应的物理机理，在Root模型中创造性地引入了NQS子电=9m·e-iwr·dvgs+9asdvds=9m·(cos(wt)-j·sin(wt))·dvg=(gm·cos(wt)+j·Cm)·dvgs[0092]相比于其他经验模型(如METLDMOS等),本申请实施例提供的建模方法有如下优[0093]相比于物理集约模型ASM(如氮化镓物理模型)等，本申请实施[0103]7.根据图1所示的小信号等效电路拓扑，解析得到以下的关键等效电路参数，包设置；[0122]在实际操作中，可以使用脉冲测试的I-V曲线代替式(34)积分得到的电流源；[0123]10.改变环境温度，重复操作步骤2-步骤9,引入温度因子，可以得到电流与电荷随温度的关系[0128]关于温度的建模，已知业界有非常多的方式，本实施例只是列出其中一种来阐释建模流程，具体的细节这里不予展开。[0129]11.积分得到非线性电流源和电荷源与端口电压之间的关系后，可使用查找表的方式储存下来，亦可以使用神经网络来训练，得到神经网络解析模型，两种方式都可以用于[0130]在本实施例中，模型最终使用查找表的方式来存储非线性电流源和电荷源与端口[0131]其中，图3为测试的(圆圈)与模型仿真(线)的脉冲沟道电流对比，由于测试的数据如实地写入了模型中，使得测试与仿真的沟道电流基本重合。[0132]其中，图4、图5为式(31)积分得到的栅源电荷，图6、图7为式(32)积分得到的漏源电荷。显然，电荷是二维的，这种方式能够最大化地保留器件在所有偏置点的信息，并且电荷守恒也能满足，从而模型仿真的收敛性也能得到保证。[0133]其中，图8为大信号模型仿真的与测试提取出的栅源电容Cgs的对比，图9为大信号模型仿真的与测试提取出的栅漏电容Cgd的对比，图10为大信号模型仿真的与测试提取出的栅漏电容Cgd的对比。可以看出，从大信号模型仿真的非线性电容与测试结果非常接近，说明了该实施例所构建模型的准确性。值得一提的是，图10是仿真和测试的跨容Cm对比，此电容是由NQS引起，图10反映了该实施例准确地建模了NQS效应。[0134]以上所述仅是本申请的优选实施方式，本申请的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本申请思路下的技术方案均属于本申请的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。图1Ia=Ia(Vgsdelay,Vas,T十S图2-2图2-3