半导体器件建模与测试实验教程——基于华大九天器件建模与验证平台XModel

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。

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