CN102063516A - 双极晶体管仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双极晶体管仿真方法，采用Gummel-Poon模型对双极晶体管仿真，保持电阻模型参数对双极晶体管的各种直流特性的拟合，同时考虑双极晶体管基区电阻对其高频特性的较大影响，在确定Gummel-Poon双极晶体管模型中的三个与基区电阻相关的模型参数时，利用双极晶体管在不同工作状态下不同的高频特性，提取出三个与基区电阻相关的模型参数，从而保证了双极晶体管基区电阻模型参数在高频条件下的拟合精度，进而实现了对双极晶体管整体特性的高精度仿真。
Description
技术领域
本发明属于半导体设计技术，涉及一种双极晶体管仿真方法。
背景技术
双极晶体管是现代半导体集成电路中经常采用的器件之一。特别在高速模拟集成电路的设计中，该器件有广泛的应用。因此，双极晶体管的器件模型仿真精度直接影响到相关集成电路的设计精度，而科学的模型参数的提取方法是保障器件模型精度的关键。目前，双极晶体管的器件模型多采用Gummel-Poon模型，该模型包括几十个不同的模型参数，其中和基区电阻相关的器件模型参数有三个，即RB、RBM和IRB，其中RB为双极晶体管集电极小电流工作时的基区电阻，RBM为双极晶体管集电极大电流工作时的基区电阻，IRB为基区电阻从RB过渡到RBM过程中双极晶体管集电极的中等电流，双极晶体管集电极小电流为小于设定值一的电流，大电流为大于设定值二的电流，中等电流为大于等于设定值一小于等于设定值二的电流，作为一示例，双极晶体管集电极小电流为小于1uA，大电流为大于10uA，中等电流为大于等于1uA同时小于等于10uA。和基区电阻相关的此三个模型参数的精确提取一直是业界公认的难点，尽管业界陆续提出过一些基区电阻模型参数的提取方法，但往往只注重于直流测试的数据和模型对双极晶体管的各种直流特性的拟合，而忽略双极晶体管基区电阻模型参数对其高频特性的影响，提取出的基区电阻相关的器件模型只在直流特性的仿真方面具有一定的精度，在射频仿真时模型参数的仿真精度却往往较差，从而导致双极晶体管器件模型的整体仿真精度的下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双极晶体管仿真方法，考虑双极晶体管基区电阻模型参数对其高频特性的影响，对双极晶体管整体特性有较高的仿真精度。
为解决上述技术问题，本发明的双极晶体管仿真方法，采用Gummel-Poon双极晶体管模型对双极晶体管仿真，所述Gummel-Poon双极晶体管模型中的模型参数包括：三个与基区电阻相关的模型参数：RB、RBM和IRB，其中RB为双极晶体管集电极小电流工作时的基区电阻，RBM为双极晶体管集电极大电流工作时的基区电阻，IRB为基区电阻从RB过渡到RBM过程中双极晶体管集电极的中等电流；三个和集电结电容相关的模型参数：CJC、VJC和MJC，在物理意义上，CJC是零偏压时的集电结电容值，VJC是集电结电容的电压系数，用于拟合集电结电容与偏压的关系曲线中偏压为正部分的数据，MJC是集电结电容的拟合系数，用于拟合集电结电容与偏压的关系曲线中偏压为负部分的数据；和截止频率相关的三个模型参数：TF、ITF和VTF，在物理意义上，TF是晶体管的渡越时间，用于拟合截止频率与集电极电流的关系曲线的最高值，ITF是晶体管的渡越时间的电流系数，用于拟合截止频率与集电极电流的关系曲线中大电流区域的数据，VTF是晶体管的渡越时间的电压系数，用于拟合截止频率与集电极电流的关系曲线随集电极电压的变化规律；
其特征在于，所述Gummel-Poon双极晶体管模型中的三个与基区电阻相关的模型参数通过以下方法确定：
一.对双极晶体管进行在不同偏压下集电结电容的射频测试，测试得到集电结电容Cbc与集电结偏压的关系曲线，根据测试得到集电结电容Cbc与集电结偏压的关系曲线，用数值优化和曲线拟合的方法，得到和集电结电容相关的三个模型参数：CJC、VJC和MJC，从而得到在不同偏压条件下集电结电容Cbc的值；
二.对双极晶体管进行在不同集电极电流下的小信号射频测试，测试得到双极晶体管的截止频率Ft与集电极电流的关系曲线，以及双极晶体管的最高振荡频Fmax与集电极电流的关系曲线；
三.根据双极晶体管的截止频率Ft与集电极电流的关系曲线，用数值优化和曲线拟合的方法，得到和截止频率相关的三个模型参数：TF、ITF和VTF，从而得到在不同集电极电流条件下双极晶体管的截止频率Ft的值；
四.根据得到的双极晶体管的最高振荡频Fmax与集电极电流的关系曲线、不同偏压下条件下集电结电容Cbc的值、不同电流条件下双极晶体管的截止频率Ft，依据公式
得到在不同电流条件下双极晶体管的基区电阻Rb的值；
五.根据得到的不同电流条件下双极晶体管的基区电阻Rb的值，确定双极晶体管模型中的三个与基区电阻相关的模型参数：RB、IRB和RBM。
本发明的双极晶体管仿真方法，采用Gummel-Poon模型对双极晶体管仿真，保持电阻模型参数对双极晶体管的各种直流特性的拟合，同时考虑双极晶体管基区电阻对其高频特性的较大影响，在确定Gummel-Poon双极晶体管模型中的三个与基区电阻相关的模型参数时，利用双极晶体管在不同工作状态下不同的高频特性，提取出三个与基区电阻相关的模型参数，从而保证了双极晶体管基区电阻模型参数在高频条件下的拟合精度，进而实现了对双极晶体管整体特性的高精度仿真。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的双极晶体管仿真方法一实施方式Gummel-Poon双极晶体管模型中的三个与基区电阻相关的模型参数确定方法流程图；
图2是本发明的双极晶体管仿真方法一实施例双极晶体管集电结电容随集电结偏压变化的数据曲线；
图3是本发明的双极晶体管仿真方法一实施例双极晶体管截止频率随集电极电流变化的数据曲线；
图4是本发明的双极晶体管仿真方法一实施例双极晶体管截止频率随集电极电流变化的数据曲线。
具体实施方式
本发明的双极晶体管仿真方法一实施方式，采用Gummel-Poon双极晶体管模型对双极晶体管仿真，所述Gummel-Poon双极晶体管模型中的模型参数包括：三个与基区电阻相关的模型参数，即RB、RBM和IRB，其中RB为双极晶体管集电极小电流工作时的基区电阻，RBM为双极晶体管集电极大电流工作时的基区电阻，IRB为基区电阻从RB过渡到RBM过程中双极晶体管集电极的中等电流，双极晶体管集电极小电流为小于设定值一的电流，大电流为大于设定值二的电流，中等电流为大于等于设定值一小于等于设定值二的电流，作为一示例，双极晶体管集电极小电流为小于1uA，大电流为大于10uA，中等电流为大于等于1uA同时小于等于10uA；三个和集电结电容相关的模型参数，即CJC、VJC和MJC，在物理意义上，CJC是零偏压时的集电结电容值，VJC是集电结电容的电压系数，用于拟合集电结电容与偏压的关系曲线中偏压为正部分的数据，MJC是集电结电容的拟合系数，用于拟合集电结电容与偏压的关系曲线中偏压为负部分的数据；和截止频率相关的三个模型参数，即TF、ITF和VTF，在物理意义上，TF是晶体管的渡越时间，用于拟合截止频率与集电极电流的关系曲线的最高值，ITF是晶体管的渡越时间的电流系数，用于拟合截止频率与集电极电流的关系曲线中大电流区域的数据，VTF是晶体管的渡越时间的电压系数，用于拟合截止频率与集电极电流的关系曲线随集电极电压的变化规律；
所述Gummel-Poon双极晶体管模型中的三个与基区电阻相关的模型参数通过以下方法确定，如图1所示，包括以下步骤：
一.对双极晶体管做射频测试一，即进行在不同偏压下集电结电容的射频测试，测试得到集电结电容Cbc与集电结偏压的关系曲线，如图2所示；根据测试得到集电结电容Cbc与集电结偏压的关系曲线，用数值优化和曲线拟合的方法，得到和集电结电容相关的三个模型参数：CJC、VJC和MJC，从而得到在不同偏压条件下集电结电容Cbc的值；
二.对双极晶体管做射频测试二，即在不同集电极电流下的小信号(功率小于设定值的射频信号为小信号，例如设定值为10uW)射频测试，测试得到双极晶体管的截止频率Ft与集电极电流的关系曲线，如图3所示，以及双极晶体管的最高振荡频Fmax与集电极电流的关系曲线，如图4所示；
三.根据双极晶体管的截止频率Ft与集电极电流的关系曲线，用数值优化和曲线拟合的方法，得到和截止频率相关的三个模型参数：TF、ITF和VTF，从而得到在不同集电极电流条件下双极晶体管的截止频率Ft的值；
四.根据得到的双极晶体管的最高振荡频Fmax与集电极电流的关系曲线、不同偏压下条件下集电结电容Cbc的值、不同电流条件下双极晶体管的截止频率Ft，依据公式
得到在不同电流条件下双极晶体管的基区电阻Rb的值；由于当得到的不同偏压条件下集电结电容Cbc的值及不同集电极电流条件下双极晶体管的截止频率Ft时，可以确定不同偏压条件下双极晶体管的最高振荡频Fmax和双极晶体管的基区电阻Rb的关系是唯一的，所以根据得到的双极晶体管的最高振荡频Fmax与集电极电流的关系曲线，得到在不同电流条件下双极晶体管的基区电阻Rb的值；
五.根据得到的不同电流条件下双极晶体管的基区电阻Rb的值，确定双极晶体管模型中的三个与基区电阻相关的模型参数：RB、IRB和RBM。由于RB、IRB、RBM可描述在不同电流条件下双极晶体管的基区电阻Rb的数值，因此一旦步骤四完成得到的不同电流条件下双极晶体管的基区电阻Rb的值，RB、IRB、RBM即可确定。
本发明的双极晶体管仿真方法，采用Gummel-Poon模型对双极晶体管仿真，保持电阻模型参数对双极晶体管的各种直流特性的拟合，同时考虑双极晶体管基区电阻对其高频特性的较大影响，在确定Gummel-Poon双极晶体管模型中的三个与基区电阻相关的模型参数时，利用双极晶体管在不同工作状态下不同的高频特性，提取出三个与基区电阻相关的模型参数，从而保证了双极晶体管基区电阻模型参数在高频条件下的拟合精度，进而实现了对双极晶体管整体特性的高精度仿真。
Claims (3)
1.一种双极晶体管仿真方法，采用Gummel-Poon双极晶体管模型对双极晶体管仿真，所述Gummel-Poon双极晶体管模型中的模型参数包括：三个与基区电阻相关的模型参数：RB、RBM和IRB，其中RB为双极晶体管集电极小电流工作时的基区电阻，RBM为双极晶体管集电极大电流工作时的基区电阻，IRB为基区电阻从RB过渡到RBM过程中双极晶体管集电极的中等电流；三个和集电结电容相关的模型参数：CJC、VJC和MJC，在物理意义上，CJC是零偏压时的集电结电容值，VJC是集电结电容的电压系数，用于拟合集电结电容与偏压的关系曲线中偏压为正部分的数据，MJC是集电结电容的拟合系数，用于拟合集电结电容与偏压的关系曲线中偏压为负部分的数据；和截止频率相关的三个模型参数：TF、ITF和VTF，在物理意义上，TF是晶体管的渡越时间，用于拟合截止频率与集电极电流的关系曲线的最高值，ITF是晶体管的渡越时间的电流系数，用于拟合截止频率与集电极电流的关系曲线中大电流区域的数据，VTF是晶体管的渡越时间的电压系数，用于拟合截止频率与集电极电流的关系曲线随集电极电压的变化规律；
其特征在于，所述Gummel-Poon双极晶体管模型中的三个与基区电阻相关的模型参数通过以下方法确定：
一.对双极晶体管进行在不同偏压下集电结电容的射频测试，测试得到集电结电容Cbc与集电结偏压的关系曲线，根据测试得到集电结电容Cbc与集电结偏压的关系曲线，用数值优化和曲线拟合的方法，得到和集电结电容相关的三个模型参数：CJC、VJC和MJC，从而得到在不同偏压条件下集电结电容Cbc的值；
二.对双极晶体管进行在不同集电极电流下的小信号射频测试，测试得到双极晶体管的截止频率Ft与集电极电流的关系曲线，以及双极晶体管的最高振荡频Fmax与集电极电流的关系曲线；
三.根据双极晶体管的截止频率Ft与集电极电流的关系曲线，用数值优化和曲线拟合的方法，得到和截止频率相关的三个模型参数：TF、ITF和VTF，从而得到在不同集电极电流条件下双极晶体管的截止频率Ft的值；
四.根据得到的双极晶体管的最高振荡频Fmax与集电极电流的关系曲线、不同偏压下条件下集电结电容Cbc的值、不同电流条件下双极晶体管的截止频率Ft，依据公式
得到在不同电流条件下双极晶体管的基区电阻Rb的值；
五.根据得到的不同电流条件下双极晶体管的基区电阻Rb的值，确定双极晶体管模型中的三个与基区电阻相关的模型参数：RB、IRB和RBM。
2.根据权利要求1所述的双极晶体管仿真方法，其特征在于，所述双极晶体管集电极小电流为小于设定值一的电流，大电流为大于设定值二的电流，中等电流为大于等于设定值一小于等于设定值二的电流，所述小信号为功率小于设定值的射频信号。
3.根据权利要求2所述的双极晶体管仿真方法，其特征在于，所述双极晶体管集电极小电流为小于1uA的电流，大电流为大于10uA的电流，中等电流为大于等于1uA小于等于10uA的电流，所述小信号为功率小于10uW射频信号。
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