專利名稱：雙極結(jié)型晶體管spice模型的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種器件建模方法，特別涉及一種建立雙極結(jié)型晶體管模 型的方法。
背景技術(shù)：
雙極結(jié)型晶體管(Bipolar Junction Transistor,簡(jiǎn)稱BJT晶體 管)是半導(dǎo)體集成電路中一種重要的半導(dǎo)體器件。SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是器件設(shè)計(jì)行業(yè)應(yīng)用最為 普遍的電路級(jí)模擬程序，各軟件廠家提供提供了 Vspice、 Hspice、 Pspice 等不同版本SPICE軟件，這些軟件的仿真核心大同小異，都是采用了由美 國(guó)加州Berkeley大學(xué)開(kāi)發(fā)的SPICE模擬算法。在提取BJT晶體管SPICE 模型的過(guò)程中， 一般需進(jìn)行多個(gè)不同發(fā)射極尺寸的BJT晶體管的建模。目 前工業(yè)界普遍認(rèn)可的BJT晶體管SPICE模型為G-P (Gummel Poon)模型。 在BJT晶體管的G-P (Gummel Poon)模型中，有許多描述BJT晶體管物 理效應(yīng)的模型參數(shù)，因此，采用G-P模型，電路設(shè)計(jì)者可方便地仿真BJT 晶體管在正反向工作區(qū)域的各種電學(xué)特性。
事實(shí)上，在G-P模型中，有一些模型參數(shù)與發(fā)射極尺寸存在明確的幾 何尺寸的依存性，而這種模型參數(shù)與幾何尺寸的依存性可以被很好的應(yīng)用 于多組發(fā)射極尺寸的BJT晶體管的建模工作，但這種內(nèi)在的模型物理特性
往往被建模工程師所忽略。目前建模工程師普遍采取對(duì)多個(gè)不同發(fā)射極尺
寸的BJT晶體管分別獨(dú)立地進(jìn)行模型參數(shù)的提取，采用這種方法盡管最終 都能得到較好的模型仿真與測(cè)試結(jié)果的擬合性，但破壞了不同尺寸的BJT 晶體管模型之間參數(shù)的物理性與幾何尺寸的依存性，同時(shí)，BJT晶體管的 建模效率也受到較大的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種雙極結(jié)型晶體管SPICE模型的 建模方法，可以快速得到具有較好的仿真與測(cè)試結(jié)果擬合性的多種尺寸 的BJT晶體管SPICE模型。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明雙極結(jié)型晶體管SPICE模型的建模方法， 包括以下步驟
確定初始模型參數(shù)的步驟，選定一種發(fā)射極尺寸的雙極結(jié)型晶體管作 為第一雙極結(jié)型晶體管，取其SPICE模型參數(shù)作為初始模型參數(shù)；
確定模型參數(shù)組的步驟，在初始模型參數(shù)中選取與發(fā)射極尺寸之間有 明確依存性的模型參數(shù)歸類于模型參數(shù)組一，在初始模型參數(shù)中選取與發(fā) 射極尺寸完全無(wú)關(guān)的模型參數(shù)歸類于模型參數(shù)組二；
確定目標(biāo)模型參數(shù)的步驟，求取第二雙極結(jié)型晶體管發(fā)射極幾何尺寸 與第一雙極結(jié)型晶體管發(fā)射極幾何尺寸的比例關(guān)系，將模型參數(shù)組一中的 模型參數(shù)的值依所述發(fā)射極尺寸之間的依存性按照該比例關(guān)系調(diào)整后，作 為第二雙極結(jié)型晶體管的相應(yīng)模型參數(shù)值的值，將模型參數(shù)組二中的模型 參數(shù)的值直接作為第二雙極結(jié)型晶體管的相應(yīng)模型參數(shù)的值。
本發(fā)明利用不同尺寸BJT晶體管模型之間參數(shù)的物理性與幾何尺寸 的依存性，可快速獲得待建模晶體管的模型參數(shù)，得到具有較好的仿真
與測(cè)試結(jié)果擬合性的多種尺寸的BJT晶體管SPICE模型。
具體實(shí)施例方式
在BJT晶體管的G-P (Gummel Poon)模型中，有許多描述BJT晶體 管物理效應(yīng)的模型參數(shù)，如基本的直流模型參數(shù)，增益相關(guān)模型參數(shù)， 電阻模型參數(shù)，結(jié)電容模型參數(shù)，噪聲模型參數(shù)稱和渡越時(shí)間模型參數(shù)。有 一些G-P模型參數(shù)與發(fā)射極尺寸存在明確的幾何尺寸的依存性，而這種模 型參數(shù)與幾何尺寸的依存性可以被很好的應(yīng)用于多組發(fā)射極尺寸的BJT 晶體管的建模工作。本發(fā)明正是基于上述考慮發(fā)展出來(lái)的一種建模方法。
按照本發(fā)明所提供的方法建立雙極結(jié)型晶體管SPICE模型，首先要確定 初始模型參數(shù)，即選定一種發(fā)射極尺寸的雙極結(jié)型晶體管作為第一雙極結(jié) 型晶體管，取其SPICE模型參數(shù)作為初始模型參數(shù)， 一般選尺寸最大的晶 體管的模型參數(shù)作為初始模型參數(shù)。
然后，在初始模型參數(shù)中選取與發(fā)射極尺寸之間有明確依存性的模型 參數(shù)歸類于模型參數(shù)組一，在初始模型參數(shù)中選取與發(fā)射極尺寸完全無(wú)關(guān) 的模型參數(shù)歸類于模型參數(shù)組二。深入研究各模型參數(shù)的物理特性后發(fā) 現(xiàn)，以下模型參數(shù)與發(fā)射極尺寸存在明確的依存關(guān)系IS、 IKF、 ISE、 ITF、 CJE、 RE，其中，IS表示晶體管的飽和電流，IKF表示晶體管大電流注入時(shí) 的扭曲電流，ISE表示晶體管正向工作時(shí)的復(fù)合電流，ITF表示晶體管和截 止頻率相關(guān)的電流，CJE表示晶體管發(fā)射極電容，RE表示晶體管發(fā)射極電阻。 而以下模型參數(shù)與發(fā)射即尺寸完全無(wú)關(guān)NF、 NR、 VAF、 VAR、 NE、 NC、 FC、 MJC、 MJE、 MJS、 VJC、 VJE、 VJS，其中，NF表示晶體管正向工作時(shí)的電流發(fā)射系數(shù)，NR表示晶體管反向工作時(shí)的電流發(fā)射系數(shù)，VAF表示晶體管正向 工作時(shí)的厄萊電壓，VAR表示晶體管反向工作時(shí)的厄萊電壓，NE表示晶體管 正向工作時(shí)的電流復(fù)合系數(shù)，NC表示晶體管反向工作時(shí)的電流復(fù)合系數(shù)， FC表示晶體管電容的正向因子，MJC表示晶體管集電極電容因子，MJE表示 晶體管發(fā)射極電容因子，MJS表示晶體管襯底寄生電容因子，VJC表示晶體 管集電極電容的電壓系數(shù)，VJE表示晶體管發(fā)射極電容的電壓系數(shù)，VJS表 示晶體管襯底寄生電容的電壓系數(shù)。
基于以上二個(gè)發(fā)現(xiàn)，在提取BJT晶體管SPICE模型的過(guò)程中，可以 充分利用模型參數(shù)與發(fā)射極尺寸的依存性，同時(shí)在不同尺寸的BJT晶體 管模型中充分體現(xiàn)模型參數(shù)之間的物理相關(guān)性。在進(jìn)行多個(gè)尺寸的BJT 晶體管模型的提取時(shí)，不必對(duì)多個(gè)不同發(fā)射極尺寸的BJT晶體管分別獨(dú) 立地進(jìn)行模型參數(shù)的提取，可將同一工藝下不同發(fā)射極尺寸的BJT晶體 管模型參數(shù)作為一個(gè)整體來(lái)看待。
由此可以求取第二雙極結(jié)型晶體管發(fā)射極幾何尺寸與第一雙極結(jié)型 晶體管發(fā)射極幾何尺寸的比例關(guān)系，將模型參數(shù)組一中的模型參數(shù)的值 依所述發(fā)射極尺寸之間的依存性按照該比例關(guān)系調(diào)整后，作為第二雙極 結(jié)型晶體管的相應(yīng)模型參數(shù)值的值，將模型參數(shù)組二中的模型參數(shù)的值 NF， NR， VAF， VAR， NE， NC, FC， MJC， MJE， MJS， VJC， VJE， VJS保持
不變，直接作為第二雙極結(jié)型晶體管的相應(yīng)模型參數(shù)的值。上述比例關(guān) 系可以是第一雙極結(jié)型晶體管的面積與第二雙極結(jié)型晶體管的面積之 比，如果第一雙極結(jié)型晶體管BJTi面積是AREAi，而第二雙極結(jié)型晶體 管BJT2面積是AREA2 ,將二者面積之比定義為RATIO ，即
<formula>formula see original document page 9</formula>模型參數(shù)組一中的參數(shù)具體調(diào)整方式如下 <formula>formula see original document page 9</formula>其中，RATIO為第一雙極結(jié)型晶體管的面積與第二雙極結(jié)型晶體管 的面積之比；ISi， IKFi， ISEi， ITFl， CJEl， REi為第一雙極結(jié)型晶體管 的模型參數(shù)組一中的參數(shù)；IS2， IKF2， ISE2， ITF2， CJE2， RE2為第二雙 極結(jié)型晶體管的模型參數(shù)組一中的參數(shù)，即，將調(diào)整后新得到的模型參 數(shù)值作為對(duì)應(yīng)尺寸晶體管模型的初始值。
在此基礎(chǔ)上，只需再優(yōu)化少數(shù)的幾個(gè)模型參數(shù)，在短時(shí)間內(nèi)即可以 得到具有較好的仿真與測(cè)試結(jié)果擬合性的模型。采用本發(fā)明所提供的方 法而得到的初始值，不用進(jìn)行任何的參數(shù)優(yōu)化，就可以很接近按照現(xiàn)有 技術(shù)獲得并經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的參數(shù)優(yōu)化而得到的參數(shù)。
應(yīng)用本發(fā)明，器件模型工程師在提高多組發(fā)射極尺寸的BJT晶體管 建模效率的同時(shí)，能較好地保持不同尺寸BJT晶體管模型之間參數(shù)的物 理性與幾何尺寸的依存性，從而為以后的BJT晶體管尺寸依存性模型 (scalable model)的開(kāi)發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1、一種雙極結(jié)型晶體管SPICE模型的建模方法，其特征是，包括以下步驟確定初始模型參數(shù)的步驟，選定一種發(fā)射極尺寸的雙極結(jié)型晶體管作為第一雙極結(jié)型晶體管，取其SPICE模型參數(shù)作為初始模型參數(shù)；確定模型參數(shù)組的步驟，在初始模型參數(shù)中選取與發(fā)射極尺寸之間有明確依存性的模型參數(shù)歸類于模型參數(shù)組一，在初始模型參數(shù)中選取與發(fā)射極尺寸完全無(wú)關(guān)的模型參數(shù)歸類于模型參數(shù)組二；確定目標(biāo)模型參數(shù)的步驟，求取第二雙極結(jié)型晶體管發(fā)射極幾何尺寸與第一雙極結(jié)型晶體管發(fā)射極幾何尺寸的比例關(guān)系，將模型參數(shù)組一中的模型參數(shù)的值依所述發(fā)射極尺寸之間的依存性按照該比例關(guān)系調(diào)整后，作為第二雙極結(jié)型晶體管的相應(yīng)模型參數(shù)值的值，將模型參數(shù)組二中的模型參數(shù)的值直接作為第二雙極結(jié)型晶體管的相應(yīng)模型參數(shù)的值。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙極結(jié)型晶體管SPICE模型的建模方法，其特 征是所述模型參數(shù)組一包括模型參數(shù)IS、 IKF、 ISE、 ITF、 CJE、 RE，其中，IS表示晶體管的飽和電流，IKF表示晶體管大電流注入時(shí)的扭曲 電流，ISE表示晶體管正向工作時(shí)的復(fù)合電流，ITF表示晶體管和截止頻率 相關(guān)的電流，CJE表示晶體管發(fā)射極電容，RE表示晶體管發(fā)射極電阻；所述模型參數(shù)組二包括模型參數(shù)NF、 NR、 VAF、 VAR、 NE、 NC、 FC、 MJC、 MJE、 MJS、 VJC、 VJE、 VJS，其中，NF表示晶體管正向工作時(shí)的電流發(fā)射系數(shù)，NR表示晶體管反向工作時(shí)的電流發(fā)射系數(shù)，VAF表示晶體管正向工作時(shí)的厄萊電壓，VAR表示 晶體管反向工作時(shí)的厄萊電壓，NE表示晶體管正向工作時(shí)的電流復(fù)合系數(shù)， NC表示晶體管反向工作時(shí)的電流復(fù)合系數(shù)，F(xiàn)C表示晶體管電容的正向因子， MJC表示晶體管集電極電容因子，MJE表示晶體管發(fā)射極電容因子，MJS表示 晶體管襯底寄生電容因子，VJC表示晶體管集電極電容的電壓系數(shù)，VJE表 示晶體管發(fā)射極電容的電壓系數(shù)，VJS表示晶體管襯底寄生電容的電壓系 數(shù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙極結(jié)型晶體管SPICE模型的建模方法，其 特征是，所述第二雙極結(jié)型晶體管發(fā)射極幾何尺寸與第一雙極結(jié)型晶體管 發(fā)射極幾何尺寸的比例關(guān)系為第一雙極結(jié)型晶體管的面積與第二雙極結(jié) 型晶體管的面積之比。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙極結(jié)型晶體管SPICE模型的建模方法， 其特征是，所述模型參數(shù)組一中的參數(shù)IS， IKF， ISE， ITF， CJE， RE 分別按照以下等式調(diào)整IS2二IS1X RATIO; IKF2:IKF1X RATIO; ISE2=ISE1X RATIO; ITF2=ITF1X RATIO; CJE2二CJE1X RATIO; RE2=RE1+RATIO;其中，RATIO為第一雙極結(jié)型晶體管的面積與第二雙極結(jié)型晶體管的 面積之比；IS1， IKF1， ISE1， ITF1， CJE1， REl為第一雙極結(jié)型晶體管的模型參數(shù)組一中的參數(shù)；IS2， IKF2， ISE2， ITF2， CJE2， RE2為第二雙極 結(jié)型晶體管的模型參數(shù)組一中的參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種雙極結(jié)型晶體管SPICE模型的建模方法，首先提取并確定出一種發(fā)射極尺寸的BJT晶體管的模型參數(shù)作為初始模型參數(shù)，以這組提取出的模型參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)其中與發(fā)射極幾何尺寸依存性較大的參數(shù)按照發(fā)射極幾何尺寸的比例關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，并把經(jīng)調(diào)整后的新的模型參數(shù)值直接作為對(duì)應(yīng)尺寸的待建模晶體管模型的初始值，將其中與發(fā)射極幾何尺寸無(wú)關(guān)的參數(shù)直接用作待建模晶體管模型的初始值。按照本發(fā)明所提供的方法，在短時(shí)間內(nèi)即可以得到具有較好的仿真與測(cè)試結(jié)果擬合性的多種尺寸的BJT晶體管SPICE模型。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101201850SQ20061011939
公開(kāi)日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2006年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月11日
發(fā)明者周天舒 申請(qǐng)人:上海華虹Nec電子有限公司