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本書基於國產EDA軟件Empyrean Xmodel器件模型提取工具，系統、全面地介紹硅基MOSFET和GaN HEMT的器件建模、測試分析和參數提取的設計和實驗全流程。本書在簡要介紹半導體器件的基本理論、測試結構和測試方案的基礎上，詳細闡述MOSFET BSIM模型和參數提取實驗、Xmodel集成的數據圖形化顯示系統、MOSFET器件直流模型和射頻模型的提取實驗、基於ASM-HEMT模型的GaN功率器件和射頻器件的模型參數提取實驗等，以及半導體器件中常見的各種二階效應（如短溝道效應、版圖鄰近效應、工藝角模型和溫度特性等）非線性模型參數的提取和驗證方法。本書力求做到理論與實踐相結合，可作為高校半導體相關專業高年級本科生和研究生的教材，也可供從事半導體器件研發的工程師參考。
目錄大綱
目錄
第1章 MOSFET特性和模型 1
1.1 MOSFET器件結構和基本工作原理 1
1.1.1 MOSFET器件結構 1
1.1.2 MOSFET工作原理 2
1.2 MOSFET基本電學特性 6
1.2.1 MOSFET直流電流電壓方程 6
1.2.2 MOSFET直流參數與溫度特性 7
1.2.3 MOSFET小信號參數 10
1.2.4 MOSFET電容參數和C-V特性曲線 12
1.2.5 MOSFET頻率參數 13
1.3 MOSFET的二階效應 14
1.3.1 背柵效應 14
1.3.2 溝道長度調制效應 15
1.3.3 亞閾值導電 16
1.3.4 短溝道效應 17
1.3.5 版圖鄰近效應 22
1.4 MOSFET器件模型 23
習題 25
參考文獻 26
第2章 MOSFET BSIM參數提取 27
2.1 器件模型及建模意義 27
2.2 MOSFET建模的測試結構設計 27
2.3 MOSFET建模的測試方案 31
2.3.1 C-V測試 32
2.3.2 I-V測試 32
2.3.3 溫度測試 32
2.4 MOSFET BSIM參數提取流程 32
2.4.1 初始化模型 34
2.4.2 C-V和I-V參數提取 34
2.4.3 溫度模型及其他模型的建立 36
2.4.4 工藝波動、失配和統計建模 36
2.4.5 模型品質檢驗 37
習題 37
參考文獻 37
第3章 器件模型提參工具Empyrean Xmodel 38
3.1 Empyrean Xmodel介紹 38
3.2 Xmodel的基本功能和界面 38
3.2.1 菜單欄 39
3.2.2 工具欄 42
3.2.3 任務欄 42
3.2.4 擬合曲線界面 43
3.2.5 模型面板界面 43
3.2.6 模型參數界面 44
3.2.7 調參界面 44
3.2.8 模擬輸出界面 45
習題 45
第4章 MOSFET器件特性測試平臺 46
4.1 半導體測試探針台 46
4.2 半導體器件參數分析儀 47
4.2.1 分析儀簡介 47
4.2.2 測試模式 49
4.2.3 測試流程 52
習題 55
第5章 MOSFET器件電學特性測試 56
5.1 MOSFET交流C-V特性測試 56
5.2 MOSFET轉移特性測試 60
5.3 MOSFET輸出特性測試 63
5.4 超深亞微米MOSFET柵電流特性測試 65
5.5 超深亞微米MOSFET襯底電流特性測試 68
5.6 MOSFET溫度特性測試 70
習題 71
參考文獻 71
第6章 MOSFET模型參數提取實驗 72
6.1 基本工藝參數和模型標記參數的設定 72
6.2 MOSFET Cgg特性模型參數的提取 78
6.3 MOSFET Cgc特性模型參數的提取 80
6.4 MOSFET大尺寸Root器件直流參數的提取 81
6.5 MOSFET短溝道效應參數的提取 85
6.6 MOSFET窄溝道效應參數的提取 90
6.7 MOSFET窄短溝道效應參數的提取 92
6.8 MOSFET泄漏電流Ioff模型參數的提取 94
6.9 MOSFET襯底電流Isub模型參數的提取 95
6.10 MOSFET溫度效應參數的提取 96
6.11 MOSFET版圖鄰近效應參數的提取 97
6.12 MOSFET Corner模型的建立及參數提取 100
6.13 MOSFET Mismatch模型建立及參數的提取 103
6.14 MOSFET模型報告及檢查 105
習題 108
參考文獻 108
第7章 MOSFET射頻模型參數提取 110
7.1 MOSFET射頻模型的發展歷程 110
7.2 MOSFET小信號等效電路 111
7.3 測試環境搭建和測試方案 116
7.3.1 矢量網絡分析儀簡介 116
7.3.2 校準 118
7.3.3 測試和提參 118
習題 119
參考文獻 119
第8章 基於Xmodel的MOSFET射頻模型參數提取實驗 122
8.1 去嵌 122
8.1.1 去嵌方法 122
8.1.2 開路-短路去嵌法的步驟 122
8.1.3 開路測試結構等效電路及參數提取 123
8.1.4 短路測試結構等效電路及參數提取 124
8.1.5 基於Xmodel的開路-短路去嵌步驟 125
8.2 射頻MOSFET零偏寄生參數提取 127
8.2.1 射頻MOSFET零偏寄生參數簡介 127
8.2.2 基於Xmodel的零偏寄生參數提取步驟 128
8.3 射頻MOSFET不同偏置下寄生參數的驗證與優化 135
8.3.1 不同偏置下寄生參數的提取方法 135
8.3.2 基於Xmodel的不同偏置下寄生參數的驗證與優化 136
8.4 射頻MOSFET襯底阻抗網絡參數的提取 139
8.4.1 射頻MOSFET襯底阻抗網絡參數的提取方法 139
8.4.2 利用Xmodel提取襯底阻抗網絡參數 140
8.5 射頻MOSFET噪聲參數的提取 141
8.5.1 噪聲理論 141
8.5.2 噪聲去嵌 142
8.5.3 噪聲參數推導 143
8.5.4 利用Xmodel提取噪聲參數的步驟 144
習題 146
參考文獻 146
第9章 GaN HEMT及模型介紹 147
9.1 GaN HEMT的材料特性和工作原理 147
9.1.1 GaN異質結的材料特性 147
9.1.2 GaN HEMT基本結構和工作原理 148
9.2 GaN HEMT模型介紹 149
9.2.1 GaN HEMT模型概述 149
9.2.2 ASM-HEMT緊湊型模型的結構 150
9.2.3 GaN HEMT的直流特性和交流特性 152
9.3 GaN HEMT的二級效應 155
9.3.1 夾斷效應 155
9.3.2 速度飽和效應 155
9.3.3 柵極電流 156
9.3.4 非理想亞閾值斜率效應 156
9.3.5 溝道長度調制效應 157
9.3.6 DIBL效應 157
9.3.7 陷阱效應 158
9.3.8 溫度特性 158
習題 160
參考文獻 160
第10章 基於Xmodel的GaN HEMT功率模型參數提取實驗 161
10.1 GaN HEMT功率器件建模測試方案 161
10.1.1 直流特性測試 161
10.1.2 電容-電壓特性測試 162
10.1.3 溫度特性測試 162
10.2 基於ASM-HEMT模型的I-V參數提取 162
10.2.1 基本工藝參數和模型控制參數的設置 162
10.2.2 線性區轉移特性的擬合 167
10.2.3 飽和區電流特性的擬合 172
10.2.4 柵極電流特性的擬合 175
10.3 基於ASM-HEMT模型的電容參數提取 177
10.3.1 GaN HEMT柵電容特性參數的提取 177
10.3.2 GaN HEMT輸出電容特性參數的提取 185
10.4 基於ASM-HEMT模型的溫度特性參數提取 187
10.4.1 GaN HEMT環境溫度效應參數的提取 187
10.4.2 GaN HEMT自熱效應參數的提取 190
習題 191
參考文獻 191
第11章 基於Xmodel的GaN HEMT射頻模型參數提取實驗 193
11.1 GaN HEMT射頻器件建模測試方案 193
11.2 基於ASM-HEMT模型的DC參數提取 194
11.2.1 GaN HEMT射頻器件和功率器件的區別 194
11.2.2 GaN HEMT的DC參數提取 195
11.3 基於ASM-HEMT模型的S參數模型提取 198
11.3.1 寄生參數初值的提取 198
11.3.2 GaN HEMT的S參數提取 200
11.4 基於ASM-HEMT模型的非線性大信號模型參數提取 209
11.4.1 自熱效應大信號模型 209
11.4.2 陷阱效應模型 210
11.4.3 負載牽引測試 211
習題 212
參考文獻 212
