深亚微米CMOS器件建模与BSIM模型

介绍了深亚微米CMOS器件基于电荷模型、基于表面势模型和基于电导模型的建模方法及其优缺点,并以BSIM系列模型为例,讨论了BSIM系列模型特点及半导体工艺发展对CMOS器件建模方法的影响。     

伯克利短沟道绝缘栅场效应晶体管模型的研究进展

随着金属氧化物半导体(MOS)集成电路工艺的飞速发展,体硅金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)模型经历了从物理到经验,最后到半经验物理的转变.介绍了以阈值电压和反转电荷为建模基础的伯克利短沟道绝缘栅场效应晶体管模型(BSIM),以及该模型中阈值电压、饱和电流和电容的基本建模理论.回顾了近年来体硅MOSFET BSIM的研究进展,着重从各种模型的优缺点、建模机理和适用范围方面分析了4种最有代表性的BSIM,即BSIM3v3,BSIM4,BSIM5和BSIM6.从模型的发展历史可以看出模型是随着MOSFET尺寸的缩小而不断完善和发展的.最后,对体硅MOSFET的模型发展趋势进行了展望.     

一种基于BSIM-CMG的FinFET变容管模型

提出了一种适用于FinFET变容管的建模方法.在BSIM-CMG的基础上,模型采用衬底模型和外围寄生模型来表征变容管的射频寄生效应.提出了具体的参数提取方法,将测试的S参数导入到安捷伦IC-CAP建模软件提取参数,测试结构引入高频寄生采用(open+ short)去嵌方法进行去嵌.通过调节模型参数拟合测试曲线得到FinFET变容管模型.该模型可精确表述FinFET变容管全工作区域特性,解决传统MOS变容管模型无法准确描述三维FinFET器件变容特性的问题.模型和模型参数提取方法采用20个硅鳍、16个栅指、158 nm栅长、578 nm栅宽的FinFET变容管进行建模验证,模型仿真和测试所得C-V,R-V和S参数特性吻合良好.     

基于Anand模型的柔性直流输电用IGBT模块焊接应力变形分析

IGBT模块直接覆铜(DBC)基板与底板进行回流焊接过程中,由于材料热膨胀系数不匹配,会产生较大翘曲与残余应力,影响模块可靠性.针对某柔性直流(VSC-HVDC)输电用大功率IGBT模块,基于有限元法,根据实际真空回流焊温度曲线,对比分析了Al2O3/Cu、AlN/AISiC和Si3N4/AlSiC 3种陶瓷衬板与底板组合的焊接翘曲变形与残余应力分布.结果 表明相对于Cu底板,采用AlSiC底板能有效降低底板翘曲与残余应力.相较于Si3N4陶瓷衬板,AlN陶瓷衬板与AlSiC底板的热膨胀系数匹配度更高,焊接后翘曲与残余应力最小.测试结果表明,AlN/AlSiC组合的仿真与实测变形量基本一致,测量范围内长边和短边方向误差分别为5.9％和5.6％.     

功率器件IGBT槽栅设计尺寸对直流参数影响的研究

IGBT由于其优异特性而广泛应用于电机、电焊机和功率开关等领域,是功率器件的主流产品之一。本文首先简要介绍IGBT及历代器件工艺的发展,提出了一种槽栅IGBT的工艺流程,并研究了其槽栅设计尺寸对器件主要直流参数的影响。     

一种新型高性能FinFET的设计与特性分析

针对CMOS器件随着技术节点的不断减小而产生的短沟道效应和漏电流较大等问题,设计了一种新型直肠形鳍式场效应晶体管(FinFET),并将该新型器件与传统的矩形结构和梯形结构的FinFET通过Sentaurus TCAD仿真软件进行对比。结果表明,当栅极长度控制在10 nm时,新型器件相比于另外两种传统的FinFET具有更小的鳍片尺寸,且鳍片高度不低于抑制短沟道效应的临界值。仿真结果显示,这种新型的FinFET具有更好的开关特性和亚阈值特性。同时,该器件在射频方面的特性参数也显示出该器件具有较高性能,并有一定的实际应用价值。     

基于量子模型的碳纳米管场效应晶体管电子输运特性

采用量子输运模型和NEGF理论,自洽求解薛定谔方程和泊松方程,对类MOS-碳纳米管场效应晶体管的电子输运特性建模。考察了沟道长度Lg为5~25 nm时,其对器件的导通电流、阈值电压、关态泄漏电流、电流开关比、亚阈值摆幅等性质的影响。结果表明:当Lg≥15 nm时,MOS-CNTFET没有量子尺寸效应;当Lg<15 nm时,器件出现短沟道效应;Lg<10 nm时短沟道效应更加明显。     

基于平均迁移率模型的SiC埋沟MOSFET I-V特性

提出了一种SiC隐埋沟道MOSFET平均迁移率模型,并在此基础上对器件,I-V特性进行了研究.采用一个随栅压变化的平均电容公式,并用一个简单的解析表达式来描述沟道平均迁移率随栅压的变化关系.计算漏电流时考虑了埋沟器件的三种工作模式,推出了各种工作模式下的漏电流表达式,并用实验值对模型进行了验证.     

基于平均迁移率模型的SiC埋沟MOSFET Ⅰ-Ⅴ特性

提出了一种SiC隐埋沟道MOSFET平均迁移率模型,并在此基础上对器件I-V特性进行了研究。采用一个随栅压变化的平均电容公式,并用一个简单的解析表达式来描述沟道平均迁移率随栅压的变化关系。计算漏电流时考虑了埋沟器件的三种工作模式,推出了各种工作模式下的漏电流表达式,并用实验值对模型进行了验证。     

新颖的IGBT SPICE模型及非破坏参数提取和验证

提出并优化了一种和现有SPICE软件如HSPICE完全兼容的IGBT等效电路模型.该模型摒弃了双极晶体管的所谓准静态假设而用精确的双极输运理论进行分析,更符合IGBT的实际工作条件.利用电压控制可变电阻模型等效IGBT的n-外延层的电导调制效应,取得了很好的效果.基于器件的非破坏实测参数以器件物理方程为基础的模型参数提取,计算依据正确,物理意义明确.用该模型计算了IGBT的I-V特性、开关特性等,与实测符合较好,误差不超过8%,此结果比已报道的同类模型要好,且更为简单方便.     

新颖的IGBT SPICE模型及非破坏参数提取和验证

提出并优化了一种和现有SPICE软件如HSPICE完全兼容的IGBT等效电路模型.该模型摒弃了双极晶体管的所谓准静态假设而用精确的双极输运理论进行分析,更符合IGBT的实际工作条件.利用电压控制可变电阻模型等效IGBT的n- 外延层的电导调制效应,取得了很好的效果.基于器件的非破坏实测参数以器件物理方程为基础的模型参数提取,计算依据正确,物理意义明确.用该模型计算了IGBT的I- V特性、开关特性等,与实测符合较好,误差不超过8% ,此结果比已报道的同类模型要好,且更为简单方便.     

考虑背栅偏置的FOI FinFET电流模型

建立了绝缘体上鳍(FOI)鳍式场效应晶体管(FinFET)的电流模型,通过推导出背栅对前栅的耦合系数,使电流模型可以预测背栅电压对沟道电流的影响。该模型可以较为精准地预测实验数据和TCAD仿真结果,并且对于FOI FinFET的鳍宽和侧壁倾斜角等几何参数有较宽的适用范围。通过提取耦合系数,证明了背栅对前栅的耦合效应将随着鳍宽和侧壁倾角的增大而增强,而鳍底部的夹角对沟道的影响可以忽略。所提出的模型可以用于建立BSIM模型,指导设计者优化器件性能,以及进行背栅偏置的低功耗集成电路设计。     

基于PSCAD/EMTDC的轻型直流输电系统设计

与传统的高压直流输电系统相比,轻型直流输电系统(HVDC Light)采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)作为功率开关器件,能够对有功功率和无功功率进行独立的控制,具有调节迅速,稳定性高等优点。在研究轻型直流输电技术的工作原理和控制方法的基础上,设计了一个轻型直流输电系统,并在电磁暂态程序PSCAD/EMTDC环境下建立仿真模型,仿真实验结果验证了系统参数选择的合理性和控制方法的有效性。     

基于FDSOI的TFET和MOSFET总剂量效应仿真

对基于全耗尽绝缘体上硅(FDSOI)的隧穿场效应晶体管(TFET)器件和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件进行了总剂量(TID)效应仿真,基于两种器件不同的工作原理,研究了总剂量效应对两种器件造成的电学影响,分析了辐照前后TFET和MOSFET的能带结构、载流子密度等关键因素的变化。仿真结果表明:两种器件在受到较大辐射剂量时(1 Mrad (Si)),TFET受辐射引起的固定电荷影响较小,仍能保持较好的开关特性、稳定的阈值电压;而MOSFET则受固定电荷的影响较大,出现了背部导电沟道,其关态电流增加了几个数量级,开关特性发生了严重退化,阈值电压也严重地向负电压偏移。此外,TFET的开态电流会随着辐照剂量的增加而减小,这与MOSFET的表现恰好相反。因此TFET比MOSFET有更好的抗总剂量效应能力。     

基于Elman神经网络模型的IGBT寿命预测

建立了Elman神经网络模型来实现绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的寿命预测。分析了IGBT的结构及其失效原因,结合NASA埃姆斯中心的加速热老化试验数据,确定了以集电极-发射极关断电压尖峰峰值作为失效预测依据。利用高斯滤波的方法对试验数据进行预处理,构建了单、多隐层Elman神经网络寿命预测模型,并构建了广义回归神经网络(GRNN)寿命预测模型作为对比模型。采用均方误差、平均绝对误差、最大相对误差作为各模型预测性能的评估指标。结果表明,提出的Elman神经网络模型比GRNN模型有更好的预测效果。二隐层的Elman神经网络模型均方误差为0.202 0%,平均绝对误差为0.387 6%,最大相对误差为3.023 0%,可以更好地实现IGBT寿命的预测。     

InP基HBT GP大信号模型直流参数提取的研究

基于HBT特殊的物理机理及结构,将适用于BJT的GP大信号模型用于InP基HBT的研究中.通过构建误差函数,采取解析法提取了该模型中的13项SPICE直流参数.并设计了参数提取实验装置,最后将研究结果用于发射极为2μm×19μm的InP/InGaAs HBT建模中.通过对比模型仿真和器件实测的数据可以看出,本文采用的HBT GP模型准确度高,可以较好地表征实际HBT器件的直流特性.     

聚合物栅绝缘层厚度对并五苯有机场效应管性能的影响

采用不同厚度的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为栅绝缘层,制备了并五苯有机场效应晶体管(OFET)。测量了不同厚度的PMMA的介电特性,并详细分析了栅绝缘层厚度对器件性能的影响。其中,采用260nm厚的PMMA栅绝缘层的OFET具有比采用其它厚度的器件更优越的性能,其场效应迁移率、阈值电压与开关电流比分别达到3.39×10-3 cm2/Vs、-19V和103。