[發(fā)明專利]一種提取晶體管的通用型熱阻和熱容特性的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811404979.3
• 申請日: 2018-11-23
• 公開（公告）號: CN110008488B
• 公開（公告）日: 2023-02-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉軍;班郁
• 申請（專利權(quán)）人: 杭州電子科技大學(xué);中國電子科技集團公司信息科學(xué)研究院
• 主分類號: G06F30/367
• 分類號: G06F30/367;G06F119/08
• 代理公司: 杭州天昊專利代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 33283
• 代理人: 董世博

本發(fā)明公開了一種基于支持向量機的功率放大器行為模型的建模方法，基于連續(xù)波高低溫I?V和小信號S參數(shù)的晶體管器件熱阻和熱容特性。熱阻抗提取過程中使用的基本數(shù)據(jù)為高低溫測試所得晶體管I?V數(shù)據(jù)和低頻小信號S參數(shù)，這些測試數(shù)據(jù)是如標(biāo)準(zhǔn)工藝線用以建立晶體管模型過程中常規(guī)測試數(shù)據(jù)，因而不需要借助如紅外熱成像儀器等附加測試設(shè)備。采用本方法提取得到熱阻和熱容特性參數(shù)，可精確用于器件自熱效應(yīng)評估、不同功率水平下晶體管結(jié)溫變化、器件的熱阻抗優(yōu)化設(shè)計中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及功率放大器建模領(lǐng)域，更具體的說，它涉及一種提取晶體管的通用型熱阻和熱容特性的方法。

背景技術(shù)

自熱效應(yīng)是由器件在工作時由于溝道中界面效應(yīng)以及聲子散射等效應(yīng)產(chǎn)生的熱在溝道中的熱積累過程。這種效應(yīng)在高功率器件、小尺寸器件、導(dǎo)熱性能不好的器件中尤其明顯。例如，用于高功率高頻的HEMT器件，其功率可達到數(shù)十瓦，其功率密度很大，產(chǎn)生的熱量很難及時散出；追求集成度和降低功耗的FinFET器件，由于其特征尺寸已經(jīng)到達10nm級，其電流密度也不容忽視，且FinFET的結(jié)構(gòu)也決定了其器件的熱傳導(dǎo)效率甚至不如傳統(tǒng)MOS器件，所以在FinFET器件中也尤其顯著；SOI器件由于其襯底上的埋氧層，雖然抑制了漏電流，但是同時也阻礙了熱從襯底擴散的通路；HBT器件由于其高電流密度產(chǎn)生的溫度上升對于BJT器件的性能表現(xiàn)起著十分顯著的作用，其結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。這些器件在其工作的情況下其溝道溫度會顯著增加，導(dǎo)致載流子的遷移率下降，飽和速度下降等性能下降，同時會影響器件的熱可靠性。

熱阻和熱容是描述晶體管自熱效應(yīng)引起輸入功率和輸出功率損耗的重要參數(shù)之一，該參數(shù)的精確提取，對準(zhǔn)確預(yù)測不同輸入功率水平下，器件實際溫度的變化、輸出特性的變化有著重要的意義。熱阻和熱容同時也是建立此類晶體管用于如Spice工具進行仿真的緊湊型模型所需參數(shù)之一。

半導(dǎo)體材料熱導(dǎo)率和材料溫度的關(guān)系可以單一對材料進行測試得到，并采用以下表達式描述：

κ(T)＝κ_ref(T/T_ref)^-α

其中κ(T)為材料熱導(dǎo)率，K_ref參考溫度下熱導(dǎo)率，T_ref為參考溫度，T為溫度，α表示熱導(dǎo)率和溫度的依賴性。

在材料熱導(dǎo)率已知的情況下，材料熱阻可簡單計算為：

R_th＝R_th,ref(T/T_ref)^a

其中R_th為熱阻，R_th,ref表示材料在參考溫度T_ref時的熱阻,a表示溫度系數(shù)。

考慮采用集成電路制造工藝生產(chǎn)得到的晶體管襯底材料通常由多種材料復(fù)合而成，是一個復(fù)雜的襯底結(jié)構(gòu)，熱流流經(jīng)不同材料界面時存在不連續(xù)、如隔離等工藝的采用、實際制造所得器件尺寸和設(shè)計尺寸之間的誤差等因素，采用上式計算所得熱阻無法等同于器件真實熱阻，同時熱容是熱阻抗中重要的部分，目前并沒有提取熱容的有效方法。更為實用、精確的熱阻抗提取方法必須被開發(fā)出來。

應(yīng)用于緊湊型模型建模的熱阻，通常處理為和結(jié)溫以及功耗無關(guān)的常數(shù)，并采用下式計算一定功耗(P_d)條件下，器件結(jié)溫的變化：

T＝T_ref+R_thP_d

連續(xù)波條件下，P_d計算如下：

P_d＝IV