一种适用于量子测控系统的电子器件低温建模的方法及装置与流程

1.本发明涉及量子测控技术领域，具体提供一种适用于量子测控系统的电子器件低温建模的方法及装置。


背景技术：

2.量子计算机被认为是多种技术分支中最有潜力的一条技术路线，受到了广泛的关注。常用的超导量子芯片工作在低温环境中，而测控系统工作在常温环境中，两者通过线缆实现互联。为了实现更多量子比特芯片的测控，需要设计工作在低温环境下的测控电路。低温环境下电子器件的工作特性会发生变化，而常规器件模型无法对低温电路进行仿真，因此需要对器件在低温工作环境下进行准确建模。


技术实现要素：

3.本发明的技术任务是针对上述存在的问题，提供一种能够满足低温电路仿真需求，节约研发时间和成本的适用于量子测控系统的电子器件低温建模的方法。
4.本发明进一步的技术任务是提供一种适用于量子测控系统的电子器件低温建模的装置。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
6.一种适用于量子测控系统的电子器件低温建模的方法，该方法选取晶体管在低温环境下进行测量，在测试数据的基础上建立电子器件的低温模型。
7.作为优选，该适用于量子测控系统的电子器件低温建模的方法包括以下步骤：
8.s1、将电子器件测试样品放入低温腔中；
9.s2、测量低温环境下电子器件测试样品的参数；
10.s3、选取常温下电子器件模型；
11.s5、提取低温环境下的测量参数，调整低温环境下的模型参数；
12.s6、增加电阻修正kink效应。
13.作为优选，步骤s1中，将电子器件测试样品焊接到pcb裸板上，通过测试杆送入低温腔中。
14.作为优选，步骤s2中，对电子器件测试样品在低温下的参数进行测试，包括电流电压特性、阀值电压和开关比。
15.作为优选，所述开关比为电子器件开启和关断电流之比。
16.以晶体管为例，由于晶体管在极低温环境下拥有载流子迁移率升高，静态功耗变低，热噪声降低等优势，因此电子器件在低温下有更好的性能；但同时低温环境下，晶体管会出现kink效应等影响电路正常工作，因此低温环境下需要对器件进行准确建模。具体的，对晶体管在低温下的电流电压特性，阈值电压，开关比等关键参数进行测试。
17.以nmos晶体管为例，将晶体管置于低温环境下，将源极作为器件的地，将衬底的偏置电压vbs设为0v，将漏极电压vds从0v逐渐增加至1.8v，随着漏源电压vds的增加，漏源电
流ids也相应增加，我们把偏置电压vbs一定时的电压电流vds-ids曲线称为输出曲线。我们把栅极电压vgs从0v逐步增加到1.8v，在不同的栅压下分别测量vds-ids曲线，得到不同栅压下的一组输出特性曲线，在低温下，电流增益变大，线性区斜率变大，放大特性比常温要好。
18.阈值电压即晶体管的开关临界点，是晶体管最重要的参数之一。将晶体管置于低温环境下，将源极作为器件的地，将衬底的偏置电压v
bs
设为0v,在漏极加0.5mv的电压，保证晶体管工作在线性区，把栅极电压vgs从0v逐步增加到1.8v，在栅极电压逐渐增加的过程中，到达某个阈值时，源漏电流迅速增加，反型层出现，这个电压为阈值电压，低温时阈值电压提高，饱和电流增加。
19.晶体管的开关比是晶体管开启和关断电流之比，晶体管作为数字逻辑电路使用时，大的开关比意味着更小的静态功耗，更小的逻辑误码率。我们由输出特性曲线可以得到晶体管在低温下的开关比，低温下饱和电流增加，开启状态下的电流增加，而关断状态下由于杂质载流子的冻结效应，有效电阻变大，电流变小，因此低温下开关比显著提升。
20.利用测量结果对器件模型进行调整，建立器件低温模型
21.我们首先利用常温下器件模型，采用bsim模型作为晶体管模型，该模型广泛应用于模拟电路和数字电路设计，可以详细计算不同尺寸的晶体管特性，同时该模型增加了半经验参数，可以更精确描述器件工作特性。以阈值电压为例，bsim器件模型与阈值电压相关的参数包括k1,k2,vth,根据器件在不同vbs下测量出的输出特性曲线，通过曲线拟合来提取低温环境下参数k1,k2,vth，调整低温环境下的模型参数，因此我们根据测量结果调节bsim中的有关参数，来实现低温环境下器件建模。
22.进行参数调整后，晶体管饱和区与测量结果相比，仍然存在kink效应。kink现象是极低温下，晶体管器件衬底中发生载流子冻结效应，通道内载流子获得能量碰撞电离产生电子空穴对，电子流入漏极而空穴积累在衬底中，衬底电压抬高阈值电压降低，漏源级电流出现明显增长。因此kink修正我们采用在晶体管常温模型基础上增加一个与衬底串联的电阻r，来模拟漏源电流和衬底电阻的增加。根据测量数据，我们调整阻值来进行修正。
23.一种适用于量子测控系统的电子器件低温建模的装置，包括放入模块、参数测量模块、模型选取模块、模型参数调整模块和电阻修正kink效应增加模块；
24.放入模块用于将电子器件测试样品放入低温腔中；
25.参数测量模块用于测量低温环境下电子器件测试样品的参数；
26.模型提取模块用于选取常温下电子器件模型；
27.模型参数调整模块用于提取低温环境下的测量参数，调整低温环境下的模型参数；
28.电阻修正kink效应增加模块用于增加电阻修正kink效应。
29.作为优选，所述放入模块将电子器件测试样品焊接到pcb裸板上，通过测试杆送入低温腔中。
30.作为优选，所述参数测量模块对电子器件测试样品在低温下的参数进行测试，包括电流电压特性、阀值电压和开关比。
31.作为优选，参数测量模块中开关比为电子器件开启和关断电流之比。
32.与现有技术相比，本发明的适用于量子测控系统的电子器件低温建模的方法具有
以下突出的有益效果：所述适用于量子测控系统的电子器件低温建模的方法能够满足低温电路仿真需求，节约研发时间和成本，具有良好的推广应用价值。
附图说明
33.图1是本发明所述适用于量子测控系统的电子器件低温建模的方法的流程图。
具体实施方式
34.下面将结合附图和实施例，对本发明的适用于量子测控系统的电子器件低温建模的方法及装置作进一步详细说明。
35.实施例
36.如图1所示，本发明的适用于量子测控系统的电子器件低温建模的方法选取晶体管在低温环境下进行测量，在测试数据的基础上建立电子器件的低温模型，具体包括以下步骤：
37.s1、将电子器件测试样品放入低温腔中。
38.将电子器件测试样品焊接到pcb裸板上，通过测试杆送入低温腔中。
39.s2、测量低温环境下电子器件测试样品的参数。
40.对电子器件测试样品在低温下的参数进行测试，包括电流电压特性、阀值电压和开关比。
41.s3、选取常温下电子器件模型。
42.s5、提取低温环境下的测量参数，调整低温环境下的模型参数。
43.s6、增加电阻修正kink效应。
44.电子器件模型是仿真模拟的基础，仿真模拟是电路设计成功的保障，而器件模型参数依赖于环境温度，为了实现低温电路的精确仿真，需要对低温下电子器件进行建模，构建器件的低温模型。
45.量子芯片工作温度为毫开级，采用液氦制冷方式，我们将电子器件测试样品焊接到pcb裸板上，通过测试杆送入低温腔中，放置1小时等气压和温度稳定后，对器件进行测量。
46.以晶体管为例，由于晶体管在极低温环境下拥有载流子迁移率升高，静态功耗变低，热噪声降低等优势，因此电子器件在低温下有更好的性能；但同时低温环境下，晶体管会出现kink效应等影响电路正常工作，因此低温环境下需要对器件进行准确建模。具体的，对晶体管在低温下的电流电压特性，阈值电压，开关比等关键参数进行测试。
47.以nmos晶体管为例，将晶体管置于低温环境下，将源极作为器件的地，将衬底的偏置电压vbs设为0v，将漏极电压vds从0v逐渐增加至1.8v，随着漏源电压vds的增加，漏源电流ids也相应增加，我们把偏置电压vbs一定时的电压电流vds-ids曲线称为输出曲线。我们把栅极电压vgs从0v逐步增加到1.8v，在不同的栅压下分别测量vds-ids曲线，得到不同栅压下的一组输出特性曲线，在低温下，电流增益变大，线性区斜率变大，放大特性比常温要好。
48.阈值电压即晶体管的开关临界点，是晶体管最重要的参数之一。将晶体管置于低温环境下，将源极作为器件的地，将衬底的偏置电压v
bs
设为0v,在漏极加0.5mv的电压，保证
晶体管工作在线性区，把栅极电压vgs从0v逐步增加到1.8v，在栅极电压逐渐增加的过程中，到达某个阈值时，源漏电流迅速增加，反型层出现，这个电压为阈值电压，低温时阈值电压提高，饱和电流增加。
49.晶体管的开关比是晶体管开启和关断电流之比，晶体管作为数字逻辑电路使用时，大的开关比意味着更小的静态功耗，更小的逻辑误码率。我们由输出特性曲线可以得到晶体管在低温下的开关比，低温下饱和电流增加，开启状态下的电流增加，而关断状态下由于杂质载流子的冻结效应，有效电阻变大，电流变小，因此低温下开关比显著提升。
50.利用测量结果对器件模型进行调整，建立器件低温模型
51.我们首先利用常温下器件模型，采用bsim模型作为晶体管模型，该模型广泛应用于模拟电路和数字电路设计，可以详细计算不同尺寸的晶体管特性，同时该模型增加了半经验参数，可以更精确描述器件工作特性。以阈值电压为例，bsim器件模型与阈值电压相关的参数包括k1,k2,vth,根据器件在不同vbs下测量出的输出特性曲线，通过曲线拟合来提取低温环境下参数k1,k2,vth，调整低温环境下的模型参数，因此我们根据测量结果调节bsim中的有关参数，来实现低温环境下器件建模。
52.进行参数调整后，晶体管饱和区与测量结果相比，仍然存在kink效应。kink现象是极低温下，晶体管器件衬底中发生载流子冻结效应，通道内载流子获得能量碰撞电离产生电子空穴对，电子流入漏极而空穴积累在衬底中，衬底电压抬高阈值电压降低，漏源级电流出现明显增长。因此kink修正我们采用在晶体管常温模型基础上增加一个与衬底串联的电阻r，来模拟漏源电流和衬底电阻的增加。根据测量数据，我们调整阻值来进行修正。
53.本发明的适用于量子测控系统的电子器件低温建模的装置，包括放入模块、参数测量模块、模型选取模块、模型参数调整模块和电阻修正kink效应增加模块。
54.放入模块用于将电子器件测试样品放入低温腔中。
55.参数测量模块用于测量低温环境下电子器件测试样品的参数。
56.模型提取模块用于选取常温下电子器件模型。
57.模型参数调整模块用于提取低温环境下的测量参数，调整低温环境下的模型参数。
58.电阻修正kink效应增加模块用于增加电阻修正kink效应。
59.以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。