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量子计算机被视为后摩尔时代“Beyond CMOS”多种技术分支中最有潜力的一条技术路线,目前逐渐在金融、生物制药等领域展开应用,受到科研人员和商业公司的广泛关注。常用的半导体与超导量子芯片工作在几十毫开的低温环境中,而测控系统放置在常温中,两者通过线缆实现互联。随着量子比特数目的增多,上述方式由于线缆数量、制冷功率、噪声等原因已不再适用。面对上述问题,我们可以设计工作在极低温下的测控电路,将量子芯片与测控电路放置在同一温层或相邻温层来实现更多量子比特芯片的测控。极低温下器件的工作特性由于苛刻的温度环境会与常温下不同,与此同时代工厂提供的常用器件模型的适用温度通常为-40℃～125℃。由于大温差和极低温下的器件特性的不同,工艺设计工具包中的模型无法对低温电路进行仿真。极低温电路设计对器件极低温下的工作特性和准确的低温器件模型提出了迫切需求。针对上述情况,我们在本文中讲述了极低温测试平台的搭建过程,并选取一些Trench MOSFET、SOIMOS、光电二极管等商用器件进行测试分析。然后对中芯国际0.18μm工艺的NMOS、PMOS等晶体管进行了多个温区的测试表征,分析了极低温下器件的工作特性。在测试数据的基础上建立了电阻器件和MOS器件的极低温模型,对极低温下的kink效应进行了修正,并与Cadence Spectre仿真器适配。此外,本文针对建模提参和电路性能优化过程中的重复性操作提出进化策略让计算机代替手动调参,并通过编程实现器件模型和电路性能的优化程序,通过优化程序我们可以获得更加准确的低温器件模型和更加优异的电路性能。同时我们对BSIM3v3、BSIM4和EKV2.6模型均进行了优化,验证了该方法的可扩展性,并使用优化程序对我们前期提取的低温模型进行了优化。本文的主要创新点有:1.搭建极低温测试平台对多种器件进行表征,重点对SMIC 0.18μm工艺的NMOS和PMOS器件进行了亚开尔文温区的极低温测试表征,分析了器件性能的变化,并针对转移曲线进行建模。2.提出了基于物理原理的kink效应修正方法,并使用BSIM3v3和EKV模型联合仿真,首次使用双模型描述同一个器件。3.使用进化策略对模型和电路性能参数进行进一步优化,可以在一定程度上替代人工操作,缩短研究与设计周期。