基于 BSIM4 的 77 K 开源 SkyWater 130 nm MOSFET 直流低温建模
介观与纳米尺度物理
2026-04-24 v1 高能物理 - 实验
摘要
高能物理学 (HEP) 中的低温应用需求可靠、低功耗的 CMOS 电子器件，能够在液氮温度 (77 K) 下正常工作。先前的研究表明，开源 SkyWater 130nm (SKY130) CMOS工艺可在最低 4 K 的温度下运行，因而成为 HEP 应用的有前景的候选方案。本文对 SKY130 低阈值电压晶体管在 77 K 进行特征测试与建模，该温度是液氦探测器建模中常用的温度。我们在室温和液氮温度下进行了直流特性测量。我们提出了一种低温建模方法，用于为若干晶体管尺寸在 77 K 下生成基于 BSIM4 的仿真器兼容、等温模型。 resulting model 与 77 K 数据吻合度良好，平均相对均方根误差约为 20%，且对漂极电压无依赖性。鉴于 SKY130 的开源特性，我们已将模型在 GitHub 上公开。我们希望本工作将继续推动在高能物理学中 democratizing cryogenic circuit design 的趋势，为 77 K 低温 CMOS 器件模型提供开放获取。
引用
@article{arxiv.2604.21625,
title = {DC Cryogenic Modeling of Open-Source SkyWater 130 nm MOSFETs at 77 K Using BSIM4},
author = {F. Beall and A. Rimal and O. Seidel and Y. Mei and A. D. McDonald and I. Parmaksiz and V. A. Chirayath and J. Asaadi and D. Braga and J. B. R. Battat},
journal= {arXiv preprint arXiv:2604.21625},
year = {2026}
}