InPHBT老化小信号等效电路模型、参数提取及退化分析方法

inp hbt老化小信号等效电路模型、参数提取及退化分析方法
技术领域
1.本发明属于微电子及集成电路分析技术领域，具体涉及一种inp hbt老化小信号等效电路模型、参数提取及退化分析方法。


背景技术：

2.随着微电子技术的飞速发展，在微波毫米波频率下半导体器件应用在高速通信中逐渐占据重要地位。其中，磷化铟异质结双极晶体管(inp hbt)具有禁带较宽、电子饱和速度较快和截止频率较高的特性，在微波毫米波电路应用领域具有明显优势。
3.对于inp hbt的器件结构及机理研究而言，inp hbt的小信号等效电路模型由其拓扑结构决定，而其拓扑结构又可以用于表征器件自身结构特性，即器件自身结构的变化会引起相关小信号等效电路模型参数的变化。因此，建立起老化小信号等效电路模型，可为器件在加速老化实验过程中的退化机理分析提供器件参数的退化依据。其次，小信号等效电路模型是噪声等效电路模型及大信号等效电路模型的基础，老化小信号模型的建立同样可以为它们的老化模型提供外围等效电路退化基础。
4.对于集成电路芯片的设计而言，器件可靠性模型的准确性和集约性直接决定可靠性电路仿真及设计的精度和效率，准确性高、迭代简单、可导性好且电路设计友好的器件可靠性模型是器件可靠性模型建立的难点。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种inp hbt老化小信号等效电路模型、参数提取及退化分析方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
6.本发明提供了一种inp hbt老化小信号等效电路模型，包括：连接的寄生模块、外部分布电容模块和本征模块；
7.其中，所述寄生模块包括：基极寄生单元、集电极寄生单元、发射极寄生单元、基极-集电极寄生单元、基极-发射极寄生单元和集电极-发射极寄生单元；
8.所述基极寄生单元串接在基极内节点b’和基极外节点b之间；所述集电极寄生单元串接在集电极内节点c’和集电极外节点c之间；所述发射极寄生单元串接在发射极内节点e’和发射极外节点e之间；所述基极-集电极寄生单元串接在所述基极外节点b和所述集电极外节点c之间；所述基极-发射极寄生单元串接在所述基极外节点b和所述发射极外节点e之间；所述集电极-发射极寄生单元串接在所述集电极外节点c和所述发射极外节点e之间；
9.所述外部分布电容模块包括：基极-集电极外部分布单元和基极-发射极外部分布单元；
10.所述基极-集电极外部分布单元串接在所述基极内节点b’和所述集电极内节点c’之间；所述基极-发射极外部分布单元串接在所述基极内节点b’和所述发射极内节点e’之间；
11.所述本征模块包括：基极本征单元、基极-集电极本征单元、基极-发射极本征单元和受控源单元；
12.所述基极本征单元串接在所述基极内节点b’和中心节点o之间，所述基极-集电极本征单元串接在所述中心节点o和所述集电极内节点c’之间；所述基极-发射极本征单元串接在所述中心节点o和所述发射极内节点e’之间；所述受控源单元串接在所述集电极内节点c’和所述发射极内节点e’之间。
13.本发明还提供了一种inp hbt老化小信号等效电路模型的参数提取及退化分析方法，适用于上述的inp hbt老化小信号等效电路模型，包括：
14.建立inp hbt的老化小信号等效电路模型，通过焊点去嵌结构，提取所述老化小信号等效电路模型的寄生参数；所述寄生参数包括：焊盘电容、引线电感和寄生电阻；
15.根据所述寄生参数，建立在高场加速老化过程中的所述寄生参数的退化规律函数；
16.对所述寄生参数去嵌入后，运用电路网络理论，依次提取所述老化小信号等效电路模型的外部分布电容参数和本征参数；其中，
17.所述外部分布电容参数包括：基极-发射极外部分布电容和基极-集电极外部分布电容；所述本征参数包括：动态基极电阻、本征基极-集电极电容、直流增益跨导、延迟时间、动态基极-发射极电阻和本征基极-发射极电容；
18.根据所述外部分布电容参数和所述本征参数，建立在高场加速老化过程中的所述外部分布电容参数和所述本征参数的退化规律函数；
19.利用在高场加速老化过程中的所述寄生参数、所述外部分布电容参数和所述本征参数的退化规律函数，对所述inp hbt进行退化分析。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
21.本发明的inp hbt老化小信号等效电路模型，寄生模块、外部分布电容模块和本征模块形成的拓扑结构，电路设计友好，为器件在加速老化实验过程中的退化机理分析提供了器件关键参数的退化依据，同时该模型提供的外围等效电路退化过程还为噪声老化模型、大信号老化模型的建立奠定了基础。
22.本发明的inp hbt老化小信号等效电路模型的参数提取及退化分析方法，给出的参数提取方法快速准确、简洁直观，且易于兼容电路设计软件，在不增加设计流程复杂度和额外算力的情况下同时进行器件和电路的老化、辐照等可靠性评估，实现了电路可靠性感知设计，提高了可靠性集成电路的设计效率。
23.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
24.图1为本发明实施例提供的一种inp hbt器件三维立体结构示意图；
25.图2为本发明实施例提供的一种inp hbt老化小信号等效电路模型结构示意图；
26.图3为本发明实施例提供的另一种inp hbt老化小信号等效电路模型结构示意图；
27.图4为本发明实施例提供的一种截止状态下inp hbt老化小信号等效电路模型结
构示意图；
28.图5为本发明实施例提供的一种关键寄生电阻参数在高场老化实验过程中的退化量提取值及其曲线；
29.图6为本发明实施例提供的一种外部分布电容参数在高场老化实验过程中的退化量提取值及其曲线；
30.图7为本发明实施例提供的一种本征电容参数在高场老化实验过程中的退化量提取值及其曲线；
31.图8为本发明实施例提供的一种关键本征电阻参数在高场老化实验过程中的退化量提取值及其曲线；
32.图9为本发明实施例提供的一种关键直流增益跨导和延迟时间参数在高场老化实验过程中的退化量提取值及其曲线；
33.图10为本发明实施例提供的一种inp hbt老化小信号等效电路模型散射参数(0.1～40ghz)，受高场应力前，在偏置点为v
ce
＝1.6v,ib＝200μa时的人工测量结果与仿真实验结果的对比图；
34.图11为本发明实施例提供的一种inp hbt老化小信号等效电路模型散射参数(0.1～40ghz)，受高场应力v
cb,stress
＝4.3v，100分钟后，在偏置点为v
ce
＝1.6v,ib＝200μa时的人工测量结果与仿真实验结果的对比图；
35.图12为本发明实施例提供的一种inp hbt老化小信号等效电路模型散射参数(0.1～40ghz)，受高场应力前，在偏置点为v
ce
＝1.6v,ib＝200μa时的人工测量结果与仿真实验结果的对比图；
36.图13为本发明实施例提供的一种inp hbt老化小信号等效电路模型散射参数(0.1～40ghz)，受高场应力v
cb,stress
＝4.0v，100分钟后，在偏置点为v
ce
＝1.6v,ib＝200μa时的人工测量结果与仿真实验结果的对比图；
37.图14为本发明实施例提供的一种inp hbt老化小信号等效电路模型散射参数(0.1～40ghz)，受高场应力前，在偏置点为v
ce
＝1.6v,ib＝200μa时的人工测量结果与仿真实验结果的对比图；
38.图15为本发明实施例提供的一种inp hbt老化小信号等效电路模型散射参数(0.1～40ghz)，受高场应力v
cb,stress
＝3.7v，150分钟后，在偏置点为v
ce
＝1.6v,ib＝200μa时的人工测量结果与仿真实验结果的对比图；
39.图16为本发明实施例提供的一种inp hbt老化小信号等效电路模型散射参数(0.1～40ghz)，受高场应力前，在偏置点为v
ce
＝1.6v,ib＝200μa时的人工测量结果与仿真实验结果的对比图；
40.图17为本发明实施例提供的一种inp hbt老化小信号等效电路模型散射参数(0.1～40ghz)，受高场应力v
cb,stress
＝3.4v，250分钟后，在偏置点为v
ce
＝1.6v,ib＝200μa时的人工测量结果与仿真实验结果的对比图。
具体实施方式
41.为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种inp hbt老化小信号等效电路模型、参数提
取及退化分析方法进行详细说明。
42.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
43.实施例一
44.请结合参见图1和图2，图1为本发明实施例提供的一种inp hbt器件三维立体结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种inp hbt老化小信号等效电路模型结构示意图。
45.如图所示，本发明提供了一种inp hbt老化小信号等效电路模型，包括：连接的寄生模块、外部分布电容模块和本征模块。
46.在一个可选的实施方式中，寄生模块包括：基极寄生单元、集电极寄生单元、发射极寄生单元、基极-集电极寄生单元、基极-发射极寄生单元和集电极-发射极寄生单元；基极寄生单元串接在基极内节点b’和基极外节点b之间；集电极寄生单元串接在集电极内节点c’和集电极外节点c之间；发射极寄生单元串接在发射极内节点e’和发射极外节点e之间；基极-集电极寄生单元串接在基极外节点b和集电极外节点c之间；基极-发射极寄生单元串接在基极外节点b和发射极外节点e之间；集电极-发射极寄生单元串接在集电极外节点c和发射极外节点e之间。
47.在一个可选的实施方式中，外部分布电容模块包括：基极-集电极外部分布单元和基极-发射极外部分布单元；基极-集电极外部分布单元串接在基极内节点b’和集电极内节点c’之间；基极-发射极外部分布单元串接在基极内节点b’和发射极内节点e’之间。
48.在一个可选的实施方式中，本征模块包括：基极本征单元、基极-集电极本征单元、基极-发射极本征单元和受控源单元；基极本征单元串接在基极内节点b’和中心节点o之间，基极-集电极本征单元串接在中心节点o和集电极内节点c’之间；基极-发射极本征单元串接在中心节点o和发射极内节点e’之间；受控源单元串接在集电极内节点c’和发射极内节点e’之间。
49.请参见图3，图3为本发明实施例提供的另一种inp hbt老化小信号等效电路模型结构示意图。
50.如图所示，基极寄生单元包括基极寄生电阻rb和基极引线电感lb；集电极寄生单元包括集电极寄生电阻rc和集电极引线电感lc；发射极寄生单元包括发射极寄生电阻re和发射极引线电感le；基极-集电极寄生单元包括基极-集电极焊盘电容c
pbc
；基极-发射极寄生单元包括基极-发射极焊盘电容c
pbe
；集电极-发射极寄生单元包括集电极-发射极焊盘电容c
pce
。
51.在一个可选的实施方式中，基极引线电感lb的第一端连接基极外节点b；基极寄生电阻rb和串接在基极引线电感lb的第二端和基极内节点b’之间；集电极寄生电阻rc串接在集电极内节点c’和集电极引线电感lc的第一端之间；集电极引线电感lc的第二端连接集电极外节点c；发射极寄生电阻re串接在发射极内节点e’和发射极引线电感le的第一端之间；发射极引线电感le的第二端连接发射极外节点e；基极-集电极焊盘电容c
pbc
的一端连接基极引线电感lb的第一端，另一端连接集电极引线电感lc的第二端；基极-发射极焊盘电容c
pbe
的一端连接基极引线电感lb的第一端，另一端连接发射极引线电感le的第二端；集电极-发
射极焊盘电容c
pce
的一端连接集电极引线电感lc的第二端，另一端连接发射极引线电感le的第二端。
52.在本实施例中，基极-集电极外部分布单元包括基极-集电极外部分布电容c
bcx
；基极-发射极外部分布单元包括基极-发射极外部分布电容c
bex
。
53.在一个可选的实施方式中，基极-集电极外部分布电容c
bcx
的一端连接基极寄生电阻rb的第二端，另一端连接集电极寄生电阻rc的第一端；基极-发射极外部分布电容c
bex
的一端连接基极寄生电阻rb的第二端，另一端连接发射极寄生电阻re的第一端。
54.在本实施例中，基极本征单元包括动态基极电阻r
bi
；基极-集电极本征单元包括本征基极-集电极电容c
bci
；基极-发射极本征单元包括动态基极-发射极电阻r
be
和本征基极-发射极电容c
bei
；受控源单元包括电压控制电流源g
mvbe
。
55.在一个可选的实施方式中，动态基极电阻r
bi
和本征基极-集电极电容c
bci
串接在基极寄生电阻rb的第二端和集电极寄生电阻rc的第一端之间；动态基极-发射极电阻r
be
的第一端连接在动态基极电阻r
bi
和本征基极-集电极电容c
bci
之间，第二端连接发射极寄生电阻re的第一端，征基极-发射极电容c
bei
与动态基极-发射极电阻r
be
并联连接；电压控制电流源g
mvbe
的输入端连接本征基极-集电极电容c
bci
的下极板，输出端分别连接动态基极-发射极电阻r
be
的第二端、本征基极-发射极电容c
bei
和发射极寄生电阻re的第一端。
56.实施例二
57.本实施例提供了一种inp hbt老化小信号等效电路模型的参数提取及退化分析方法，适用于实施例一所述的inp hbt老化小信号等效电路模型，包括：
58.s1：建立inp hbt的老化小信号等效电路模型，通过焊点去嵌结构，提取老化小信号等效电路模型的寄生参数；
59.在本实施例中，建立如实施例一所述的inp hbt老化小信号等效电路模型，该老化小信号等效电路模型的寄生参数包括：焊盘电容、引线电感和寄生电阻。
60.可选地，寄生参数的提取包括以下步骤：
61.步骤1：通过开路焊点结构，获取电容导纳参数，根据电容导纳参数，提取焊盘电容，
[0062][0063][0064][0065]
其中，c
pbc
为基极-集电极焊盘电容；c
pbe
为基极-发射极焊盘电容；c
pce
为集电极-发射极焊盘电容；imag表示取虚部；y
o,11
输出端口短路情况下的输入导纳；为y
o,12
为输入端口短路情况下的反向传输导纳；y
o,21
为输出端口短路情况下的正向传输导纳；y
o,22
为输入端口短路情况下的输出导纳；ω为角频率；
[0066]
步骤2：将焊盘电容去嵌入后，通过短路焊点结构，获取电感阻抗参数，根据电感阻
抗参数，提取引线电感，
[0067][0068][0069][0070]
其中，lb为基极引线电感；lc为集电极引线电感；le为发射极引线电感；z
so,11
为去嵌入焊盘电容后二端口网络输出端口开路情况下的输入阻抗；z
so,12
为输入端口开路情况下的反向传输阻抗；z
so,21
为输出端口开路情况下的正向传输阻抗；z
so,22
为输入端口开路情况下的输出阻抗；
[0071]
步骤3：将焊盘电容和引线电感去嵌入后，在截止状态测试条件下，获取电阻阻抗参数，提取寄生电阻。
[0072]
在截止状态测试条件下，得到该截止状态的等效电路如图4所示，其中，提取得到的寄生电阻为：
[0073]
rc＝real(z
ex,22-z
ex,21
)；
ꢀꢀ
(7)
[0074]
re＝real(z
ex,12
)；
ꢀꢀ
(8)
[0075]rleft
＝rb+r
bi
＝real(z
ex,11-z
ex,12
)；
ꢀꢀ
(9)
[0076]
其中，real表示取实部；rb为基极寄生电阻；rc为集电极寄生电阻；re为发射极寄生电阻；r
bi
表示截止状态下的单位基极端电阻；r
left
为截止状态下单位基极端电阻的总和；z
ex,11
为去嵌寄生电容及引线电感后二端口网络输出端口开路情况下的输入阻抗；z
ex,12
为输入端口开路情况下的反向传输阻；z
ex,21
为输出端口开路情况下的正向传输阻抗；z
ex,22
为输入端口开路情况下的输出阻抗。
[0077]
s2：根据寄生参数，建立在高场加速老化过程中的寄生参数的退化规律函数；
[0078]
在本实施例中，在高场加速老化过程中的寄生参数的退化规律函数，为：
[0079]rn_aging
(v
cb,stress
,t)＝δrn(v
cb,stress
,t)+r
n_initial
,n＝b or c；
ꢀꢀ
(10)
[0080][0081]
其中，r
b_aging
为基极寄生退化电阻；r
c_aging
为集电极寄生退化电阻；v
cb,stress
为反向基极-集电极高场电应力大小；t为反向基极-集电极高场电应力时间；a
no
为寄生电阻加速退化饱和系数；an为寄生电阻退化加速系数；μn为寄生电阻退化加速指数因子；δrn为寄生电阻退化量；r
n_initial
为应力前参数值。
[0082]
s3：对寄生参数去嵌入后，运用电路网络理论，依次提取老化小信号等效电路模型的外部分布电容参数和本征参数；
[0083]
在本实施例中，外部分布电容参数包括：基极-发射极外部分布电容和基极-集电
极外部分布电容；本征参数包括：动态基极电阻、本征基极-集电极电容、直流增益跨导、延迟时间、动态基极-发射极电阻和本征基极-发射极电容。
[0084]
在本实施例中，s3包括以下步骤：
[0085]
步骤1：将寄生参数去嵌入后，获取外部分布电容导纳参数，根据电容导纳参数提取基极-发射极外部分布电容，
[0086][0087]
b＝y
ex1,12
+y
ex1,22
；
ꢀꢀ
(13)
[0088]
c＝y
ex1,11
+y
ex1,21
；
ꢀꢀ
(14)
[0089]
其中，c
bex
为基极-发射极外部分布电容；y
ex1
为去嵌寄生元件后的外部分布电容导纳参数；y
ex1，11
为二端口网络输出端短路的输入导纳参数；y
ex1，12
为输入端短路的反向传输导纳参数；y
ex1，21
为二端口网络输出端短路的正向传输导纳参数；y
ex1，22
为二端口网络输入端短路的输出导纳参数；b为第一形式参量；c为第二形式参量；
[0090]
步骤2：将基极-发射极外部分布电容去嵌入后，获取去嵌外部分布电容导纳参数，根据去嵌外部分布电容导纳参数提取基极-集电极外部分布电容，
[0091][0092]yl
＝y
ex2,11
·yex2,22-y
ex2,12
·yex2,21
；
ꢀꢀ
(16)
[0093]ytotal
＝y
ex2,11
+y
ex2,12
+y
ex2,21
+y
ex2,22
；
ꢀꢀ
(17)
[0094]yms
＝y
ex2,12
+y
ex2,22
；
ꢀꢀ
(18)
[0095]
其中，c
bcx
为基极-集电极外部分布电容；y
ex2
为去嵌外部分布电容导纳参数；y
ex2，11
为二端口网络输出端短路的输入导纳参数；y
ex2，12
为二端口网络输入端短路的反向传输导纳参数；y
ex2，21
为二端口网络的正向传输导纳参数；y
ex2，22
为二端口网络输入端短路的输出导纳参数；y
l
为去嵌外部分布电容导纳参数y
ex2
交叉乘积项的差值；y
total
为去嵌外部分布电容导纳参数y
ex2
的连加和；y
ms
为去嵌外部分布电容导纳参数y
ex2
在去嵌寄生电容及引线电感后二端口网络输出端开路的导纳总和；
[0096]
步骤3：将基极-发射极外部分布电容和基极-集电极外部分布电容去嵌入后，获取本征阻抗参数和本征导纳参数；
[0097]
步骤4：运用电路网络理论，对外部分布电容导纳参数和本征阻抗参数进行数值分析，分别提取外部分布电容参数和本征参数，
[0098]rbi
＝z
in,11-z
in,12
；
ꢀꢀ
(19)
[0099][0100]
[0101][0102]gm0
＝mag(y
in,21-y
in,12
)；
ꢀꢀ
(23)
[0103][0104]
其中，imag表示取虚部；real表示取实部；mag表示取幅值；r
bi
为动态基极电阻；c
bci
为本征基极-集电极电容；r
be
为动态基极-发射极电阻；c
bei
为本征基极-发射极电容；g
m0
直流增益跨导；τ为延迟时间；z
in,11
为本征模块二端口网络输出端开路情况下的输入阻抗参数；z
in,12
为输入端开路情况下的反向传输阻抗参数；y
in,11
为输出端短路情况下的输入导纳参数；y
in,12
为入端短路情况下的反向传输导纳参数；y
in,21
为输出端短路情况下的正向传输导纳参数。
[0105]
s4：根据外部分布电容参数和本征参数，建立在高场加速老化过程中的外部分布电容参数和本征参数的退化规律函数；
[0106]
在本实施例中，s4包括以下步骤：
[0107]
步骤1：根据动态基极电阻和动态基极-发射极电阻，建立其退化规律函数，
[0108]rbn_aging
(v
cb,stress
,t)＝δr
bn
(v
cb,stress
,t)+r
bn_initial
,n＝i or e；
ꢀꢀ
(25)
[0109][0110]
其中，a
bno
为本征电阻加速退化饱和系数；a
bn
为本征电阻退化加速系数；μ
bn
为本征电阻退化加速因子；δr
bn
为本征电阻退化量；r
bn_initial
为应力前参数值；r
bn_aging
为退化后参数值；
[0111]
步骤2：根据本征基极-集电极电容、本征基极-发射极电容、基极-集电极外部分布电容和基极-发射极外部分布电容，建立其退化规律函数，
[0112]cbn_aging
(v
cb,stress
,t)＝δc
bn
(v
cb,stress
,t)+c
bn_initial
,n＝ci,ei,cx or ex；
ꢀꢀ
(27)
[0113][0114]
其中，a
cbno
为本征电阻加速退化饱和系数；a
cbn
为电容退化加速系数；μ
cbn
为电容退化加速指数因子；δc
bn
为电容退化量；c
bn_initial
为应力前参数值；c
bn_aging
为退化后参数值；
[0115]
步骤3：根据延迟时间，建立其退化规律函数，
[0116]
τ
aging
(v
cb,stress
,t)＝δτ(v
cb,stress
,t)+τ
initial
；
ꢀꢀ
(29)
[0117]
δτ(v
cb,stress
,t)＝a
τo
·
10-13
(1-exp((exp(-μ
τ
·vcb,stress
)-1)
·aτ
t))；
ꢀꢀ
(30)
[0118]
其中，a
τo
为直流跨导加速退化饱和系数；δτ为延迟时间退化量；τ
initial
为应力前参数值；τ
aging
为退化参数值；μ
τ
为延迟时间退化加速因子；a
τ
为延迟时间退化加速系数；
[0119]
步骤4：根据直流增益跨导，建立其退化规律函数，
[0120]gm0_aging
(v
cb,stress
,t)＝δg
m0
(v
cb,stress
,t)+g
m0_initial
；
ꢀꢀ
(31)
[0121]
δg
m0
(v
cb,stress
,t)＝a
gmo
·
10-3
(exp((exp(-μ
gm
·vcb,stress
)-1)
·agm
t)-1)；
[0122]
(32)
[0123]
其中，a
gm
为直流增益跨导退化加速系数；μ
gm
为直流增益跨导退化加速指数因子；δg
m0
为直流增益跨导退化量；g
m0_initial
为应力前参数值；g
m0_aging
为退化后参数值；a
gmo
为直流增益跨导加速退化饱和系数。
[0124]
s5：利用在高场加速老化过程中的寄生参数、外部分布电容参数和本征参数的退化规律函数，对inp hbt进行退化分析。
[0125]
进一步地，以具体仿真实验条件为例，采用0.7μm的inp hbt进行仿真实验，对inp hbt老化小信号等效电路模型的参数提取及退化分析方法进行具体说明。
[0126]
在本实施例中，在偏置点为v
ce
＝1.6v,ib＝200μa的仿真实验条件下，运用inp hbt老化小信号等效电路模型的参数提取及退化分析方法对inp hbt老化小信号等效电路模型进行参数提取，参数提取值如表1和表2所示。
[0127]
表1 inp hbt老化小信号等效电路模型应力前参数提取值
[0128][0129]
表2 inp hbt老化小信号等效电路模型元件老化函数的参数提取值
[0130]
参数数值参数数值a
bo
(ω)7.5a
co
(ω)4.3ab-8.55e-04a
c-9.69e-05μb(v-1
)-0.4027μc(v-1
)-0.88599a
cbcio
(ω)3.5a
cbeio
(ω)14a
cbci-4.88e-05a
cbei-1.31e-06μ
cbci
(v-1
)-0.93384μ
cbei
(v-1
)-1.84058a
cbcxo
(ω)0.68a
cbexo
(ω)4.43a
cbcx-1.60e-06a
cbex-1.04e-04μ
cbcx
(v-1
)-2.04259μ
cbex
(v-1
)-1.25542a
bio
(ω)13.5a
beo
(ω)23a
bi-4.06e-04a
be-4.54e-06μ
bi
(v-1
)-0.56866μ
be
(v-1
)-1.64712a
τo
(ω)1.6a
gmo
(ω)7.6a
τ-9.96e-07a
gm-5.06e-05μ
τ
(v-1
)-1.92494μ
gm
(v-1
)-1.0690
[0131]
将上述提取值代入至inp hbt老化小信号等效电路模型的退化规律函数中，获得如图5-9所示的关键参数在高场老化实验过程中的退化量参数提取值及其曲线。
[0132]
进一步地，将上述退化量参数提取值代入至inp hbt老化小信号等效电路模型的拓扑结构中，得到在该偏置点(v
ce
＝1.6v,ib＝200μa)下，不同批次的inp hbt元件在不同高场力下的器件散射参数的仿真实验结果，实验结果如图10-17所示。
[0133]
如图所示，measured表示采用仪器对半导体器件特性进行人工测量的结果，modeled表示采用上述老化小信号模型仿真实验得到的结果。不同批次的inp hbt器件在偏置点为v
ce
＝1.6v，ib＝200μa，受不同高场电应力大小以及受应力时间的情况下，对比采用仪器对小信号特性进行人工测量的结果和运用老化小信号等效电路模型建立方法建立的模型仿真实验得到的结果，可以看出，测量结果与仿真实验结果在变化趋势上吻合度高，具有良好的拟合精度，即建立老化小信号等效电路模型能够满足进行可靠性测试的需要。
[0134]
本发明实施例的inp hbt老化小信号等效电路模型的参数提取及退化分析方法，给出的参数提取方法快速准确、简洁直观，且易于兼容电路设计软件，在不增加设计流程复杂度和额外算力的情况下同时进行器件和电路的老化、辐照等可靠性评估，实现了电路可靠性感知设计，提高了可靠性集成电路的设计效率。
[0135]
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0136]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种inp hbt老化小信号等效电路模型，其特征在于，包括：连接的寄生模块(100)、外部分布电容模块(200)和本征模块(300)；其中，所述寄生模块(100)包括：基极寄生单元(101)、集电极寄生单元(102)、发射极寄生单元(103)、基极-集电极寄生单元(104)、基极-发射极寄生单元(105)和集电极-发射极寄生单元(106)；所述基极寄生单元(101)串接在基极内节点b’和基极外节点b之间；所述集电极寄生单元(102)串接在集电极内节点c’和集电极外节点c之间；所述发射极寄生单元(103)串接在发射极内节点e’和发射极外节点e之间；所述基极-集电极寄生单元(104)串接在所述基极外节点b和所述集电极外节点c之间；所述基极-发射极寄生单元(105)串接在所述基极外节点b和所述发射极外节点e之间；所述集电极-发射极寄生单元(106)串接在所述集电极外节点c和所述发射极外节点e之间；所述外部分布电容模块(200)包括：基极-集电极外部分布单元(201)和基极-发射极外部分布单元(202)；所述基极-集电极外部分布单元(201)串接在所述基极内节点b’和所述集电极内节点c’之间；所述基极-发射极外部分布单元(202)串接在所述基极内节点b’和所述发射极内节点e’之间；所述本征模块(300)包括：基极本征单元(301)、基极-集电极本征单元(302)、基极-发射极本征单元(303)和受控源单元(304)；所述基极本征单元(301)串接在所述基极内节点b’和中心节点o之间，所述基极-集电极本征单元(302)串接在所述中心节点o和所述集电极内节点c’之间；所述基极-发射极本征单元(303)串接在所述中心节点o和所述发射极内节点e’之间；所述受控源单元(304)串接在所述集电极内节点c’和所述发射极内节点e’之间。2.根据权利要求1所述的inp hbt老化小信号等效电路模型，其特征在于，所述基极寄生单元(101)包括基极寄生电阻r
b
和基极引线电感l
b
；所述集电极寄生单元(102)包括集电极寄生电阻r
c
和集电极引线电感l
c
；所述发射极寄生单元(103)包括发射极寄生电阻r
e
和发射极引线电感l
e
；所述基极-集电极寄生单元(104)包括基极-集电极焊盘电容c
pbc
；所述基极-发射极寄生单元(105)包括基极-发射极焊盘电容c
pbe
；所述集电极-发射极寄生单元(106)包括集电极-发射极焊盘电容c
pce
；所述基极引线电感l
b
的第一端连接所述基极外节点b；所述基极寄生电阻r
b
和串接在所述基极引线电感l
b
的第二端和所述基极内节点b’之间；所述集电极寄生电阻r
c
串接在所述集电极内节点c’和所述集电极引线电感l
c
的第一端之间；所述集电极引线电感l
c
的第二端连接所述集电极外节点c；所述发射极寄生电阻r
e
串接在所述发射极内节点e’和所述发射极引线电感l
e
的第一端之间；所述发射极引线电感l
e
的第二端连接所述发射极外节点e；所述基极-集电极焊盘电容c
pbc
的一端连接所述基极引线电感l
b
的第一端，另一端连接所述集电极引线电感l
c
的第二端；所述基极-发射极焊盘电容c
pbe
的一端连接所述基极引线电感l
b
的第一端，另一端连接所述发射极引线电感l
e
的第二端；所述集电极-发射极焊盘电容c
pce
的一端连接所述集电极引线电感l
c
的第二端，另一端连接所述发射极引线电感l
e
的第二端。
3.根据权利要求2所述的inp hbt老化小信号等效电路模型，其特征在于，所述基极-集电极外部分布单元(201)包括基极-集电极外部分布电容c
bcx
；所述基极-发射极外部分布单元(202)包括基极-发射极外部分布电容c
bex
；所述基极-集电极外部分布电容c
bcx
的一端连接所述基极寄生电阻r
b
的第二端，另一端连接所述集电极寄生电阻r
c
的第一端；所述基极-发射极外部分布电容c
bex
的一端连接所述基极寄生电阻r
b
的第二端，另一端连接所述发射极寄生电阻r
e
的第一端。4.根据权利要求3所述的inp hbt老化小信号等效电路模型，其特征在于，所述基极本征单元(301)包括动态基极电阻r
bi
；所述基极-集电极本征单元(302)包括本征基极-集电极电容c
bci
；所述基极-发射极本征单元(303)包括动态基极-发射极电阻r
be
和本征基极-发射极电容c
bei
；所述受控源单元(304)包括电压控制电流源g
mvbe
；其中，所述动态基极电阻r
bi
和所述本征基极-集电极电容c
bci
串接在所述基极寄生电阻r
b
的第二端和所述集电极寄生电阻r
c
的第一端之间；所述动态基极-发射极电阻r
be
的第一端连接在所述动态基极电阻r
bi
和所述本征基极-集电极电容c
bci
之间，第二端连接所述发射极寄生电阻r
e
的第一端，所述征基极-发射极电容c
bei
与所述动态基极-发射极电阻r
be
并联连接；所述电压控制电流源g
mvbe
的输入端连接所述本征基极-集电极电容c
bci
的下极板，输出端分别连接所述动态基极-发射极电阻r
be
的第二端、所述本征基极-发射极电容c
bei
和所述发射极寄生电阻r
e
的第一端。5.一种inp hbt老化小信号等效电路模型的参数提取及退化分析方法，适用于上述权利要求1-4任一种所述的inp hbt老化小信号等效电路模型，其特征在于，包括：建立inp hbt的老化小信号等效电路模型，通过焊点去嵌结构，提取所述老化小信号等效电路模型的寄生参数；所述寄生参数包括：焊盘电容、引线电感和寄生电阻；根据所述寄生参数，建立在高场加速老化过程中的所述寄生参数的退化规律函数；对所述寄生参数去嵌入后，运用电路网络理论，依次提取所述老化小信号等效电路模型的外部分布电容参数和本征参数；其中，所述外部分布电容参数包括：基极-发射极外部分布电容和基极-集电极外部分布电容；所述本征参数包括：动态基极电阻、本征基极-集电极电容、直流增益跨导、延迟时间、动态基极-发射极电阻和本征基极-发射极电容；根据所述外部分布电容参数和所述本征参数，建立在高场加速老化过程中的所述外部分布电容参数和所述本征参数的退化规律函数；利用在高场加速老化过程中的所述寄生参数、所述外部分布电容参数和所述本征参数的退化规律函数，对所述inp hbt进行退化分析。6.根据权利要求5所述的inp hbt老化小信号等效电路模型的参数提取及退化分析方法，其特征在于，通过开路焊点去嵌结构，依次提取寄生参数，包括以下步骤：步骤1：通过开路焊点结构，获取电容导纳参数，根据所述电容导纳参数，提取所述焊盘电容，
其中，c
pbc
为基极-集电极焊盘电容；c
pbe
为基极-发射极焊盘电容；c
pce
为集电极-发射极焊盘电容；imag表示取虚部；y
o,11
输出端口短路情况下的输入导纳；为y
o,12
为输入端口短路情况下的反向传输导纳；y
o,21
为输出端口短路情况下的正向传输导纳；y
o,22
为输入端口短路情况下的输出导纳；ω为角频率；步骤2：将所述焊盘电容去嵌入后，通过短路焊点结构，获取电感阻抗参数，根据所述电感阻抗参数，提取所述引线电感，提取所述引线电感，提取所述引线电感，其中，l
b
为基极引线电感；l
c
为集电极引线电感；l
e
为发射极引线电感；z
so,11
为去嵌入焊盘电容后二端口网络输出端口开路情况下的输入阻抗；z
so,12
为输入端口开路情况下的反向传输阻抗；z
so,21
为输出端口开路情况下的正向传输阻抗；z
so,22
为输入端口开路情况下的输出阻抗；步骤3：将所述焊盘电容和所述引线电感去嵌入后，在截止状态测试条件下，获取电阻阻抗参数，提取所述寄生电阻，r
c
＝real(z
ex,22-z
ex,21
)；r
e
＝real(z
ex,12
)；r
left
＝r
b
+r
bi
＝real(z
ex,11-z
ex,12
)；其中，real表示取实部；r
b
为基极寄生电阻；r
c
为集电极寄生电阻；r
e
为发射极寄生电阻；r
bi
表示截止状态下的单位基极端电阻；r
left
为截止状态下单位基极端电阻的总和；z
ex,11
为去嵌寄生电容及引线电感后二端口网络输出端口开路情况下的输入阻抗；z
ex,12
为输入端口开路情况下的反向传输阻；z
ex,21
为输出端口开路情况下的正向传输阻抗；z
ex,22
为输入端口开路情况下的输出阻抗。7.根据权利要求5所述的inp hbt老化小信号等效电路模型的参数提取及退化分析方法，其特征在于，在高场加速老化过程中的所述寄生参数的退化规律函数，为：
r
n_aging
(v
cb,stress
,t)＝δr
n
(v
cb,stress
,t)+r
n_initial
,n＝b or c；δr
n
(v
cb,stress
,t)＝a
no
(1-exp((exp(-μ
n
·vcb,stress
)-1)
·
a
n
t)),n＝b or c；其中，r
b_aging
为基极寄生退化电阻；r
c_aging
为集电极寄生退化电阻；v
cb,stress
为反向基极-集电极高场电应力大小；t为反向基极-集电极高场电应力时间；a
no
为寄生电阻加速退化饱和系数；a
n
为寄生电阻退化加速系数；μ
n
为寄生电阻退化加速指数因子；δr
n
为寄生电阻退化量；r
n_initial
为应力前参数值。8.根据权利要求7所述的inp hbt老化小信号等效电路模型的参数提取及退化分析方法，其特征在于，对所述寄生参数去嵌入后，运用电路网络理论，依次提取外部分布电容参数和本征参数，包括以下步骤：步骤1：将所述寄生参数去嵌入后，获取外部分布电容导纳参数，根据所述电容导纳参数提取所述基极-发射极外部分布电容，b＝y
ex1,12
+y
ex1,22
；c＝y
ex1,11
+y
ex1,21
；其中，c
bex
为基极-发射极外部分布电容；y
ex1
为去嵌寄生元件后的外部分布电容导纳参数；y
ex1，11
为二端口网络输出端短路的输入导纳参数；y
ex1，12
为输入端短路的反向传输导纳参数；y
ex1，21
为二端口网络输出端短路的正向传输导纳参数；y
ex1，22
为二端口网络输入端短路的输出导纳参数；b为第一形式参量；c为第二形式参量；步骤2：将所述基极-发射极外部分布电容去嵌入后，获取去嵌外部分布电容导纳参数，根据所述去嵌外部分布电容导纳参数提取所述基极-集电极外部分布电容，y
l
＝y
ex2,11
·
y
ex2,22-y
ex2,12
·
y
ex2,21
；y
total
＝y
ex2,11
+y
ex2,12
+y
ex2,21
+y
ex2,22
；y
ms
＝y
ex2,12
+y
ex2,22
；其中，c
bcx
为基极-集电极外部分布电容；y
ex2
为去嵌外部分布电容导纳参数；y
ex2，11
为二端口网络输出端短路的输入导纳参数；y
ex2，12
为二端口网络输入端短路的反向传输导纳参数；y
ex2，21
为二端口网络的正向传输导纳参数；y
ex2，22
为二端口网络输入端短路的输出导纳参数；y
l
为去嵌外部分布电容导纳参数y
ex2
交叉乘积项的差值；y
total
为去嵌外部分布电容导纳参数y
ex2
的连加和；y
ms
为去嵌外部分布电容导纳参数y
ex2
在去嵌寄生电容及引线电感后二端口网络输出端开路的导纳总和；步骤3：将所述基极-发射极外部分布电容和所述基极-集电极外部分布电容去嵌入后，获取本征阻抗参数和本征导纳参数；步骤4：运用电路网络理论，对所述外部分布电容导纳参数和所述本征阻抗参数进行数值分析，分别提取所述外部分布电容参数和所述本征参数，r
bi
＝z
in,11-z
in,12
；
g
m0
＝mag(y
in,21-y
in,12
)；其中，imag表示取虚部；real表示取实部；mag表示取幅值；r
bi
为动态基极电阻；c
bci
为本征基极-集电极电容；r
be
为动态基极-发射极电阻；c
bei
为本征基极-发射极电容；g
m0
直流增益跨导；τ为延迟时间；z
in,11
为本征模块二端口网络输出端开路情况下的输入阻抗参数；z
in,12
为输入端开路情况下的反向传输阻抗参数；y
in,11
为输出端短路情况下的输入导纳参数；y
in,12
为入端短路情况下的反向传输导纳参数；y
in,21
为输出端短路情况下的正向传输导纳参数。9.根据权利要求8所述的inp hbt老化小信号等效电路模型的参数提取及退化分析方法，其特征在于，根据所述外部分布电容参数和所述本征参数，建立在高场加速老化过程中的所述外部分布电容参数和所述本征参数的退化规律函数，包括以下步骤：步骤1：根据所述动态基极电阻和所述动态基极-发射极电阻，建立其退化规律函数，r
bn_aging
(v
cb,stress
,t)＝δr
bn
(v
cb,stress
,t)+r
bn_initial
,n＝i or e；其中，a
bno
为本征电阻加速退化饱和系数；a
bn
为本征电阻退化加速系数；μ
bn
为本征电阻退化加速因子；δr
bn
为本征电阻退化量；r
bn_initial
为应力前参数值；r
bn_aging
为退化后参数值；步骤2：根据所述本征基极-集电极电容、所述本征基极-发射极电容、所述基极-集电极外部分布电容和所述基极-发射极外部分布电容，建立其退化规律函数，c
bn_aging
(v
cb,stress
,t)＝δc
bn
(v
cb,stress
,t)+c
bn_initial
,n＝ci,ei,cx or ex；其中，a
cbno
为本征电阻加速退化饱和系数；a
cbn
为电容退化加速系数；μ
cbn
为电容退化加速指数因子；δc
bn
为电容退化量；c
bn_initial
为应力前参数值；c
bn_aging
为退化后参数值；
步骤3：根据延迟时间，建立其退化规律函数，τ
aging
(v
cb,stress
,t)＝δτ(v
cb,stress
,t)+τ
initial
；δτ(v
cb,stress
,t)＝a
τo
·
10-13
(1-exp((exp(-μ
τ
·vcb,stress
)-1)
·
a
τ
t))；其中，a
τo
为直流跨导加速退化饱和系数；δτ为延迟时间退化量；τ
initial
为应力前参数值；τ
aging
为退化参数值；μ
τ
为延迟时间退化加速因子；a
τ
为延迟时间退化加速系数；步骤4：根据直流增益跨导，建立其退化规律函数，g
m0_aging
(v
cb,stress
,t)＝δg
m0
(v
cb,stress
,t)+g
m0_initial
；δg
m0
(v
cb,stress
,t)＝a
gmo
·
10-3
(exp((exp(-μ
gm
·vcb,stress
)-1)
·
a
gm
t)-1)；其中，a
gm
为直流增益跨导退化加速系数；μ
gm
为直流增益跨导退化加速指数因子；δg
m0
为直流增益跨导退化量；g
m0_initial
为应力前参数值；g
m0_aging
为退化后参数值；a
gmo
为直流增益跨导加速退化饱和系数。

技术总结
本发明涉及一种InP HBT老化小信号等效电路模型、参数提取及退化分析方法，该老化小信号等效电路模型包括：连接的寄生模块、外部分布电容模块和本征模块；其中，寄生模块包括：基极寄生单元、集电极寄生单元、发射极寄生单元、基极-集电极寄生单元、基极-发射极寄生单元和集电极-发射极寄生单元；外部分布电容模块包括：基极-集电极外部分布单元和基极-发射极外部分布单元；本征模块包括：基极本征单元、基极-集电极本征单元、基极-发射极本征单元和受控源单元。本发明电路设计友好，为器件在加速老化实验过程中的退化机理分析提供了器件关键参数的退化依据。键参数的退化依据。键参数的退化依据。


技术研发人员：吕红亮 程林 郭袖秀 严思璐 戚军军 张玉明
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/8/5