前言

在摩尔定律的推动下，半导体器件的特征尺寸不断缩小，短沟道效应和版图邻近效应等二阶效应不断增强，严重影响了器件性能的稳定性和一致性，给半导体器件和集成电路性能的仿真带来了一系列的挑战。随着集成电路和计算机技术的飞速发展，电子设计自动化（EDA）技术对器件和电路设计人员越来越重要。在EDA工具中，电路仿真模拟分析是由SPICE仿真器来完成的，使用简单且精度高的SPICE仿真模型对缩短设计周期、降低成本、提高可靠性有着十分重要的意义。SPICE仿真模型是实际器件功能和性能的数学表征，利用建立数学方程、构建等效电路和拟合工艺数据等方法对器件电流—电压关系进行精确描述，是电路仿真的重要基础，影响仿真的精度和速度。因此，半导体行业需要快速且精确的器件模型，否则设计人员无法准确进行电路仿真，进而影响电路性能。半导体器件模型参数提取工具应运而生。一款能快速且精确地提取器件模型参数的软件可以极大地节省开发时间和人力成本。

目前，全球仅有极少数的外国公司发布了SPICE模型仿真器和验证工具相关的EDA产品。为了打破外国公司在该领域的垄断地位，国产化替代势在必行。北京华大九天科技股份有限公司（简称华大九天）开发了半导体器件模型提取工具Empyrean XModel，为用户提供了高效的模型提取解决方案。为了向集成电路领域从业人员全面推广我国具有自主知识产权的EDA工具，使半导体器件工程师和集成电路设计人员了解和掌握该软件的主要功能和使用方法，本书在介绍半导体器件工作原理、测试结构和测试方案的基础上，重点介绍了Empyrean XModel集成的数据图形化显示系统、器件典型特征模型和参数提取实验，同时对短沟道效应、版图邻近效应、工艺角和温度特性等各种二阶效应的模型提取及验证进行了详细的介绍，尤其对GaN基功率器件和射频器件的模型参数提取进行了详细阐述，并基于ASM HEMT模型对GaN器件的 I-V 参数、 C-V 参数、 S 参数和非线性大信号模型参数等的建模测试方案和提参实验进行了全面系统的介绍，填补了该领域半导体器件模型参数提取的空白。

本书共11章。其中，第1章至第3章、第7章至第11章由电子科技大学杜江锋教授负责编写，第4章至第6章由华东师范大学石艳玲教授负责编写。本书可作为半导体相关专业高年级本科生和研究生的教材，也可供相关领域的工程师参考。

第1章主要介绍硅基MOSFET的工作原理、电学特性、二阶效应和器件模型。

第2章主要介绍MOSFET BSIM建模测试结构设计、测试方案和模型参数提取流程。

第3章详细介绍XModel器件模型提参工具的基本功能和界面。

第4章主要介绍MOSFET器件特性测试的探针台和半导体器件参数分析仪B1500的测试模式和测试流程。

第5章主要介绍MOSFET主要电学特性（如 C-V 特性、转移特性、输出特性、泄漏电流和温度特性）的测试方法及测试步骤。

第6章详细阐述基于XModel的MOSFET BSIM模型参数的提取方法和实验流程。

第7章和第8章主要介绍MOSFET射频模型参数提取相关的内容，包括MOSFET射频模型发展历程，小信号等效电路及参数，基于矢量网络分析仪的测试环境搭建、校准、测试和提参方案等，以及基于XModel的MOSFET射频模型参数提取实验（去嵌、零偏置和不同偏置下寄生参数、衬底阻抗网络参数、噪声参数的提取等）。

第9章至第11章主要介绍GaN HEMT器件模型参数提取的相关内容。第9章简要介绍GaN HEMT的基本工作原理，并简述ASM HEMT模型和各种存在的二阶效应，作为后续GaN器件模型参数提取的理论基础。

第10章详细阐述基于XModel的GaN HEMT功率模型参数提取实验，在介绍功率器件建模测试方案之后，主要讨论基于ASM HEMT模型的 I-V 参数提取、电容参数提取和温度特性参数提取。

第11章主要讨论基于XModel的GaN HEMT射频模型参数提取实验，在介绍射频器件建模测试方案之后，详细阐述基于ASM HEMT模型的直流参数、 S 参数和非线性大信号模型参数的提取方法和实验流程。

在本书编写过程中，华大九天在XModel的使用和操作方面给予了大力支持。本书是集体创作完成的。笔者统筹负责本书的编写工作，博士研究生田魁元、李柚、刘成艺在文字素材整理、软件操作界面截取和图表绘制等方面付出了大量艰辛的劳动，硕士研究生李畅、金海续、秦一凡等在资料收集和图文修订等方面给予了大力帮助。华东师范大学孙亚宾教授在直流建模实例方面付出了大量艰辛的劳动，博士研究生张佳宁、茹衍翔在软件操作界面截取和图表绘制方面也提供了大量的帮助。在此一并表示衷心的感谢。最后，笔者还要特别感谢电子工业出版社魏子钧编辑为本书出版所做的大量工作。

由于笔者水平有限，书中难免存在疏漏、不足甚至错误，恳切希望广大读者批评、指正。

杜江锋
2024年9月于成都