基于BSIM-BULK模型的多指射频LDMOS晶体管自热效应表征与建模研究

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Characterization and Modeling of SH in Multi-Finger RF LDMOS Transistors Using BSIM-BULK Model

本刊编辑推荐：为解决高压射频LDMOS晶体管在功率应用中因自热效应(SH)引发的性能退化问题，研究人员开展了基于130nm BCD工艺的多指结构热管理特性研究。通过建立四阶热网络模型，首次在BSIM-BULK框架内实现了宽频域自热效应的精准表征，发现指状结构数量(NF)增加可使热阻(RTH)降低6.6°C/W，为射频器件热优化设计提供了重要理论依据。

　　

在5G基站、广播电视发射等射频功率应用领域，横向扩散金属氧化物半导体(LDMOS)晶体管因其成本效益和可靠性优势，持续保持着重要地位。然而随着功率密度不断提升，自热效应(self-heating, SH)已成为制约器件性能的核心瓶颈——当器件工作在饱和区时，电流在漂移区产生焦耳热，导致结温升高进而引发阈值电压漂移、载流子迁移率下降等连锁反应，严重影响器件可靠性。传统单阶热模型已难以准确描述纳米尺度器件中的复杂热传递过程，特别是多指结构布局下热耦合效应的精确建模，更是行业面临的技术难题。

为系统解决这一挑战，由Ayushi Sharma等研究人员组成的团队在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》发表了创新性研究成果。研究团队针对130nm Bipolar-CMOS-DMOS(BCD)工艺制备的多指LDMOS晶体管，首次将四阶热网络集成至工业标准BSIM-BULK模型框架，实现了从直流到43.5GHz宽频域的自热效应精准建模。该工作通过揭示指状结构数量(number of fingers, NF)与热参数的内在关联，为射频器件热管理设计提供了定量化指导依据。

研究人员采用多维度表征技术体系：首先通过探针台配合半导体参数分析仪(B1500A)和矢量网络分析仪(ENA E-5071C/PNA-X N5244A)完成直流与S参数测量；利用阻抗标准衬底(ISS)进行SOLT校准确保数据准确性；通过温控卡盘在25°C-125°C范围获取温度特性数据；最后基于导纳参数转换和输出电导频率响应分析，建立了四阶热网络参数提取流程。

热特性表征与建模方面，研究团队创新性地通过两种方法确定了等温频率(f_iso)：一是基于不同栅压条件下Im(Y₂₂)曲线比例关系的偏离点（图5），二是通过C_DD/C_DG频率响应平台区判定法（图6），最终将f_iso精确界定为100MHz。相较于传统一阶模型，四阶热网络（图3）显著提升了输出电导g_DS(f)的拟合精度（图4），其阻抗实部与虚部特征（图8）清晰反映了热容效应的时间尺度分布。

直流特性建模环节，团队在固定热网络参数后，依次提取了氧化层厚度(TOXE)、掺杂浓度(NDEP)等基础参数，并通过迁移率(U0)、速度饱和(VSAT)等参数优化，实现了跨导g_m与输出电导g_DS的精确拟合（图9）。温度相关参数的引入更完善了器件在不同环境温度下的行为预测能力。

射频建模部分重点攻克了衬底网络与栅极网络的寄生效应建模。通过等效电路分析（图10），研究人员分别提取了衬底电阻R_sub与结电容C_jd（图11a），以及分布式栅电阻R_SHG（图11b）。这些参数的准确引入使得模型在高达8.5GHz频段仍能精确复现S参数特性（图13），史密斯圆图验证结果显示了良好的全频段一致性。

多指结构影响分析揭示了关键规律：当指状数量从NF=2增至NF=8时，热阻R_TH显著下降6.6°C/W（图14），这源于多指布局提供的并行热路径增强了热量扩散能力。而等温频率f_iso则保持稳定，证实热时间常数由器件本征特性主导，与指状数量无关。这一发现为功率器件布局优化提供了明确方向——通过增加指状数量可有效降低热阻而不影响高频响应特性。

本研究通过建立基于BSIM-BULK的四阶热网络模型，成功解决了多指LDMOS晶体管宽频域自热效应建模难题。所提出的参数提取方法系统覆盖了从直流、热特性到射频特性的完整表征流程，特别是对指状数量与热参数关联规律的量化分析，为高压射频器件的热可靠设计提供了实用工具和理论指导。该模型框架已通过工业标准验证，有望广泛应用于新一代通信芯片的研发与优化。