维多利亚308|官方版

本书基于国产EDA软件Empyrean Xmodel器件模型提取工具，系统、全面地介绍硅基MOSFET和GaN HEMT的器件建模、测试分析和参数提取的设计和实验全流程。本书在简要介绍半导体器件的基本理论、测试结构和测试方案的基础上，详细阐述MOSFET BSIM模型和参数提取实验、Xmodel集成的数据图形化显示系统、MOSFET器件直流模型和射频模型的提取实验、基于ASM-HEMT模型的GaN功率器件和射频器件的模型参数提取实验等，以及半导体器件中常见的各种二阶效应（如短沟道效应、版图邻近效应、工艺角模型和温度特性等）非线性模型参数的提取和验证方法。本书力求做到理论与实践相结合，可作为高校半导体相关专业高年级本科生和研究生的教材，也可供从事半导体器件研发的工程师参考。

目录
第1章  MOSFET特性和模型	1
1.1  MOSFET器件结构和基本工作原理	1
1.1.1  MOSFET器件结构	1
1.1.2  MOSFET工作原理	2
1.2  MOSFET基本电学特性	6
1.2.1  MOSFET直流电流电压方程	6
1.2.2  MOSFET直流参数与温度特性	7
1.2.3  MOSFET小信号参数	10
1.2.4  MOSFET电容参数和C-V特性曲线	12
1.2.5  MOSFET频率参数	13
1.3  MOSFET的二阶效应	14
1.3.1  背栅效应	14
1.3.2  沟道长度调制效应	15
1.3.3  亚阈值导电	16
1.3.4  短沟道效应	17
1.3.5  版图邻近效应	22
1.4  MOSFET器件模型	23
习题	25
参考文献	26
第2章  MOSFET BSIM参数提取	27
2.1  器件模型及建模意义	27
2.2  MOSFET建模的测试结构设计	27
2.3  MOSFET建模的测试方案	31
2.3.1  C-V测试	32
2.3.2  I-V测试	32
2.3.3  温度测试	32
2.4  MOSFET BSIM参数提取流程	32
2.4.1  初始化模型	34
2.4.2  C-V和I-V参数提取	34
2.4.3  温度模型及其他模型的建立	36
2.4.4  工艺波动、失配和统计建模	36
2.4.5  模型品质检验	37
习题	37
参考文献	37
第3章  器件模型提参工具Empyrean Xmodel	38
3.1  Empyrean Xmodel介绍	38
3.2  Xmodel的基本功能和界面	38
3.2.1  菜单栏	39
3.2.2  工具栏	42
3.2.3  任务栏	42
3.2.4  拟合曲线界面	43
3.2.5  模型面板界面	43
3.2.6  模型参数界面	44
3.2.7  调参界面	44
3.2.8  仿真输出界面	45
习题	45
第4章  MOSFET器件特性测试平台	46
4.1  半导体测试探针台	46
4.2  半导体器件参数分析仪	47
4.2.1  分析仪简介	47
4.2.2  测试模式	49
4.2.3  测试流程	52
习题	55
第5章  MOSFET器件电学特性测试	56
5.1  MOSFET交流C-V特性测试	56
5.2  MOSFET转移特性测试	60
5.3  MOSFET输出特性测试	63
5.4  超深亚微米MOSFET栅电流特性测试	65
5.5  超深亚微米MOSFET衬底电流特性测试	68
5.6  MOSFET温度特性测试	70
习题	71
参考文献	71
第6章  MOSFET模型参数提取实验	72
6.1  基本工艺参数和模型标记参数的设定	72
6.2  MOSFET Cgg特性模型参数的提取	78
6.3  MOSFET Cgc特性模型参数的提取	80
6.4  MOSFET大尺寸Root器件直流参数的提取	81
6.5  MOSFET短沟道效应参数的提取	85
6.6  MOSFET窄沟道效应参数的提取	90
6.7  MOSFET窄短沟道效应参数的提取	92
6.8  MOSFET泄漏电流Ioff模型参数的提取	94
6.9  MOSFET衬底电流Isub模型参数的提取	95
6.10  MOSFET温度效应参数的提取	96
6.11  MOSFET版图邻近效应参数的提取	97
6.12  MOSFET Corner模型的建立及参数提取	100
6.13  MOSFET Mismatch模型建立及参数的提取	103
6.14  MOSFET模型报告及检查	105
习题	108
参考文献	108
第7章  MOSFET射频模型参数提取	110
7.1  MOSFET射频模型的发展历程	110
7.2  MOSFET小信号等效电路	111
7.3  测试环境搭建和测试方案	116
7.3.1  矢量网络分析仪简介	116
7.3.2  校准	118
7.3.3  测试和提参	118
习题	119
参考文献	119
第8章  基于Xmodel的MOSFET射频模型参数提取实验	122
8.1  去嵌	122
8.1.1  去嵌方法	122
8.1.2  开路-短路去嵌法的步骤	122
8.1.3  开路测试结构等效电路及参数提取	123
8.1.4  短路测试结构等效电路及参数提取	124
8.1.5  基于Xmodel的开路-短路去嵌步骤	125
8.2  射频MOSFET零偏寄生参数提取	127
8.2.1  射频MOSFET零偏寄生参数简介	127
8.2.2  基于Xmodel的零偏寄生参数提取步骤	128
8.3  射频MOSFET不同偏置下寄生参数的验证与优化	135
8.3.1  不同偏置下寄生参数的提取方法	135
8.3.2  基于Xmodel的不同偏置下寄生参数的验证与优化	136
8.4  射频MOSFET衬底阻抗网络参数的提取	139
8.4.1  射频MOSFET衬底阻抗网络参数的提取方法	139
8.4.2  利用Xmodel提取衬底阻抗网络参数	140
8.5  射频MOSFET噪声参数的提取	141
8.5.1  噪声理论	141
8.5.2  噪声去嵌	142
8.5.3  噪声参数推导	143
8.5.4  利用Xmodel提取噪声参数的步骤	144
习题	146
参考文献	146
第9章  GaN HEMT及模型介绍	147
9.1  GaN HEMT的材料特性和工作原理	147
9.1.1  GaN异质结的材料特性	147
9.1.2  GaN HEMT基本结构和工作原理	148
9.2  GaN HEMT模型介绍	149
9.2.1  GaN HEMT模型概述	149
9.2.2  ASM-HEMT紧凑型模型的结构	150
9.2.3  GaN HEMT的直流特性和交流特性	152
9.3  GaN HEMT的二级效应	155
9.3.1  夹断效应	155
9.3.2  速度饱和效应	155
9.3.3  栅极电流	156
9.3.4  非理想亚阈值斜率效应	156
9.3.5  沟道长度调制效应	157
9.3.6  DIBL效应	157
9.3.7  陷阱效应	158
9.3.8  温度特性	158
习题	160
参考文献	160
第10章  基于Xmodel的GaN HEMT功率模型参数提取实验	161
10.1  GaN HEMT功率器件建模测试方案	161
10.1.1  直流特性测试	161
10.1.2  电容-电压特性测试	162
10.1.3  温度特性测试	162
10.2  基于ASM-HEMT模型的I-V参数提取	162
10.2.1  基本工艺参数和模型控制参数的设置	162
10.2.2  线性区转移特性的拟合	167
10.2.3  饱和区电流特性的拟合	172
10.2.4  栅极电流特性的拟合	175
10.3  基于ASM-HEMT模型的电容参数提取	177
10.3.1  GaN HEMT栅电容特性参数的提取	177
10.3.2  GaN HEMT输出电容特性参数的提取	185
10.4  基于ASM-HEMT模型的温度特性参数提取	187
10.4.1  GaN HEMT环境温度效应参数的提取	187
10.4.2  GaN HEMT自热效应参数的提取	190
习题	191
参考文献	191
第11章  基于Xmodel的GaN HEMT射频模型参数提取实验	193
11.1  GaN HEMT射频器件建模测试方案	193
11.2  基于ASM-HEMT模型的DC参数提取	194
11.2.1  GaN HEMT射频器件和功率器件的区别	194
11.2.2  GaN HEMT的DC参数提取	195
11.3  基于ASM-HEMT模型的S参数模型提取	198
11.3.1  寄生参数初值的提取	198
11.3.2  GaN HEMT的S参数提取	200
11.4  基于ASM-HEMT模型的非线性大信号模型参数提取	209
11.4.1  自热效应大信号模型	209
11.4.2  陷阱效应模型	210
11.4.3  负载牵引测试	211
习题	212
参考文献	212

前言
在摩尔定律的推动下，半导体器件的特征尺寸不断缩小，短沟道效应和版图邻近效应等二阶效应不断增强，严重影响了器件性能的稳定性和一致性，给半导体器件和集成电路性能的仿真带来了一系列的挑战。随着集成电路和计算机技术的飞速发展，电子设计自动化（EDA）技术对器件和电路设计人员越来越重要。在EDA工具中，电路仿真模拟分析是由SPICE仿真器来完成的，使用简单且精度高的SPICE仿真模型对缩短设计周期、降低成本、提高可靠性有着十分重要的意义。SPICE仿真模型是实际器件功能和性能的数学表征，利用建立数学方程、构建等效电路和拟合工艺数据等方法对器件电流-电压关系进行精确描述，是电路仿真的重要基础，影响仿真的精度和速度。因此，半导体行业需要快速且精确的器件模型，否则设计人员无法准确进行电路仿真，进而影响电路性能。半导体器件模型参数提取工具应运而生。一款能快速且精确地提取器件模型参数的软件可以极大地节省开发时间和人力成本。
目前，全球仅有极少数的外国公司发布了SPICE模型仿真器和验证工具相关的EDA产品。为了打破外国公司在该领域的垄断地位，国产化替代势在必行。北京华大九天科技股份有限公司（简称华大九天）开发了半导体器件模型提取工具Empyrean Xmodel，为用户提供了高效的模型提取解决方案。为了向集成电路领域从业人员全面推广我国具有自主知识产权的EDA工具，使半导体器件工程师和集成电路设计人员了解和掌握该软件的主要功能和使用方法，本书在介绍半导体器件工作原理、测试结构和测试方案的基础上，重点介绍了Empyrean Xmodel集成的数据图形化显示系统、器件典型特征模型和参数提取实验，同时对短沟道效应、版图邻近效应、工艺角和温度特性等各种二阶效应的模型提取及验证进行了详细的介绍，尤其对GaN基功率器件和射频器件的模型参数提取进行了详细阐述，并基于ASM HEMT模型对GaN器件的I-V参数、C-V参数、S参数和非线性大信号模型参数等的建模测试方案和提参实验进行了全面系统的介绍，填补了该领域半导体器件模型参数提取的空白。
本书共11章。其中，第1章至第3章、第7章至第11章由电子科技大学杜江锋教授负责编写，第4章至第6章由华东师范大学石艳玲教授负责编写。本书可作为半导体相关专业高年级本科生和研究生的教材，也可供相关领域的工程师参考。
第1章主要介绍硅基MOSFET的工作原理、电学特性、二阶效应和器件模型。
第2章主要介绍MOSFET BSIM建模测试结构设计、测试方案和模型参数提取流程。
第3章详细介绍Xmodel器件模型提参工具的基本功能和界面。
第4章主要介绍MOSFET器件特性测试的探针台和半导体器件参数分析仪B1500的测试模式和测试流程。
第5章主要介绍MOSFET主要电学特性（如C-V特性、转移特性、输出特性、泄漏电流和温度特性）的测试方法及测试步骤。
第6章详细阐述基于Xmodel的MOSFET BSIM模型参数的提取方法和实验流程。
第7章和第8章主要介绍MOSFET射频模型参数提取相关的内容，包括MOSFET射频模型发展历程，小信号等效电路及参数，基于矢量网络分析仪的测试环境搭建、校准、测试和提参方案等，以及基于Xmodel的MOSFET射频模型参数提取实验（去嵌、零偏置和不同偏置下寄生参数、衬底阻抗网络参数、噪声参数的提取等）。
第9章至第11章主要介绍GaN HEMT器件模型参数提取的相关内容。第9章简要介绍GaN HEMT的基本工作原理，并简述ASM HEMT模型和各种存在的二阶效应，作为后续GaN器件模型参数提取的理论基础。
第10章详细阐述基于Xmodel的GaN HEMT功率模型参数提取实验，在介绍功率器件建模测试方案之后，主要讨论基于ASM HEMT模型的I-V参数提取、电容参数提取和温度特性参数提取。
第11章主要讨论基于Xmodel的GaN HEMT射频模型参数提取实验，在介绍射频器件建模测试方案之后，详细阐述基于ASM HEMT模型的直流参数、S参数和非线性大信号模型等参数提取的方法和实验流程。
在本书编写过程中，华大九天在Xmodel的使用和操作方面给予了大力支持。本书是集体创作完成的。笔者统筹负责本书的编写工作，博士研究生田魁元、李柚、刘成艺在文字素材整理、软件操作界面截取和图表绘制等方面付出了大量艰辛的劳动，硕士研究生李畅、金海续、秦一凡等在资料收集和图文修订等方面给予了大力帮助。华东师范大学孙亚宾教授在直流建模实例方面付出了大量艰辛的劳动，博士研究生张佳宁、茹衍翔在软件操作界面截取和图表绘制方面也提供了大量的帮助。在此一并表示衷心的感谢。最后，笔者还要特别感谢308维多利亚出版社魏子钧编辑为本书出版所做的大量工作。
由于笔者水平有限，书中难免存在疏漏、不足甚至错误，恳切希望广大读者批评、指正。

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