CN103810311B - 对双极型晶体管进行仿真的方法及双极型晶体管仿真电路 - Google Patents

对双极型晶体管进行仿真的方法及双极型晶体管仿真电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对双极型晶体管进行仿真的方法，其先建立一双极型晶体管仿真电路，双极型晶体管仿真电路包括一标准双极型晶体管、一电压控制电流源和一寄生电阻；电压控制电流源、寄生电阻串接在标准双极型晶体管的基极同集电极之间；然后该双极型晶体管仿真电路对双极型晶体管进行仿真。本发明还公开了一种双极型晶体管仿真电路。本发明能仿真双极型晶体管集电极在高压偏置条件下的电流击穿特性，仿真精度高。

Description

对双极型晶体管进行仿真的方法及双极型晶体管仿真电路
技术领域
本发明涉及晶体管仿真技术，特别涉及一种对双极型晶体管进行仿真的方法及双极型晶体管仿真电路。
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。由于双极晶体管的器件模型精度直接影响到相关集成电路的设计精度,因此集成电路设计者对双极晶体管的器件模型精度要求很高。
SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）是器件设计行业应用最为普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供提供了Vspice、Hspice、Pspice等不同版本SPICE软件，这些软件的仿真核心大同小异，都是采用了由美国加州Berkeley大学开发的SPICE模拟算法。目前工业界普遍认可的BJT（双极型晶体管）晶体管SPICE模型为G-P（Gummel Poon,咖码-潘）模型。在BJT晶体管的G-P模型中，有许多描述BJT晶体管物理效应的模型参数,因此,采用G-P模型，电路设计者可利用SPICE软件以及SPICE模拟算法方便地仿真BJT晶体管在正反向工作区域的各种电学特性。
G-P模型中，包括以下参数：
NF：表示晶体管正向工作时的电流发射系数；
NR：表示晶体管反向工作时的电流发射系数；
NE：表示晶体管正向工作时的电流复合系数；
NC：表示晶体管反向工作时的电流复合系数；
VJE：表示晶体管发射极电容的电压系数；
MJE：表示晶体管发射极电容因子；
VJC：表示晶体管集电极电容的电压系数；
MJC：表示晶体管集电极电容因子；
VJS：表示晶体管衬底寄生电容的电压系数；
MJS：表示晶体管衬底寄生电容因子；
IS：表示晶体管的饱和电流；
IKF：表示晶体管大电流注入时的扭曲电流；
ISE：表示晶体管正向工作时的复合电流；
ISC：表示晶体管反向工作时的复合电流；
RE：表示晶体管发射极电阻；
RC：表示晶体管集电极电阻；
BF：正向电流放大系数；
TF：正向渡越时间；
RB：晶体管基区电阻；
CJE：零偏压的发射结电容；
CJC：零偏压的集电结电容；
CJS：零偏压的衬底结电容。
在业界描述双极型晶体管的SPICE模型里，GP模型有着良好的精度和物理特性，因此使用最为广泛。但是GP模型也有它的局限性，例如在高压应用领域，如果电路设计者想通过仿真得到双极型晶体管中的PN结击穿特性，就无法仿真得到，因为GP模型没有把结击穿特性加入到模型中。如图1所示，双极型晶体管器件为NPN，图中点线为测试值，实线为双极型晶体管GP模型仿真值，横轴为扫描集电极电压Vce，发射极接地，纵轴为集电极电流Ic，每根曲线代表不同的固定基极电流条件，分别为0.1uA,1.1uA,2.1uA和3.1uA，该器件的最大应用范围在10V左右，在13V以后数据出现上翘，也就是击穿现象出现，但GP模型即使仿真到20V也看不到击穿电流出现。现有的对双极型晶体管进行仿真的方法无法仿真双极型晶体管集电极在高压偏置条件下的电流击穿特性，仿真精度低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是能仿真双极型晶体管集电极在高压偏置条件下的电流击穿特性，仿真精度高。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种对双极型晶体管进行仿真的方法，其包括以下步骤：
一．建立双极型晶体管仿真电路，所述双极型晶体管仿真电路，包括一标准双极型晶体管、一电压控制电流源和一寄生电阻；
所述电压控制电流源、寄生电阻串接在所述标准双极型晶体管的基极同集电极之间；
I=jrev*(exp(-(-VA+Bvrev)/(nrev*0.025)))
式中，I为电压控制电流源的电流，jrev、Bvrev、nrev为拟合系数，VA为所述寄生电阻与所述电压控制电流源的连接点电压；
寄生电阻的阻值为拟合数值；
二．利用步骤一建立的双极型晶体管仿真电路，对双极型晶体管进行仿真。
较佳的，通过使双极型晶体管仿真电路根据实测数据中的击穿电流进行拟合，得到拟合系数jrev、Bvrev、nrev及寄生电阻的阻值。
较佳的，所述标准双极型晶体管用GP模型来描述。
所述标准双极型晶体管，为NPN型或PNP型。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种双极型晶体管仿真电路，其包括一标准双极型晶体管、一电压控制电流源和一寄生电阻；
所述电压控制电流源、寄生电阻串接在所述标准双极型晶体管的基极同集电极之间；
I=jrev*(exp(-(-VA+Bvrev)/(nrev*0.025)))
式中，I为电压控制电流源的电流，jrev、Bvrev、nrev为拟合系数，VA为所述寄生电阻与所述电压控制电流源的连接点电压；
寄生电阻的阻值为拟合数值。
可以通过使双极型晶体管仿真电路根据实测数据中的击穿电流进行拟合，得到拟合系数jrev、Bvrev、nrev及寄生电阻的阻值。
所述标准双极型晶体管可以用GP模型来描述。
所述标准双极型晶体管，可以为NPN型或PNP型。
本发明的对双极型晶体管进行仿真的方法，构建了一双极型晶体管仿真电路，该双极型晶体管仿真电路，在标准双极型晶体管的基极、集电极之间串接一电压控制电流源及一寄生电阻，根据双极型晶体管（BJT）工艺，由于集电极和基极分别是N型和P型掺杂，因此在高压应用双极型晶体管中的击穿可类似看作PN结击穿，该双极型晶体管仿真电路，通过双极型晶体管集电极和基极外挂的所述电压控制电流源及寄生电阻实现击穿电流的描述，能仿真双极型晶体管集电极在高压偏置条件下的电流击穿特性，对双极型晶体管的仿真精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对本发明所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有的对双极型晶体管进行仿真的方法的仿真结果示意图；
图2是本发明的双极型晶体管仿真电路一实施例示意图；
图3是本发明的对双极型晶体管进行仿真的方法的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
对双极型晶体管进行仿真的方法，包括以下步骤;
一．建立双极型晶体管仿真电路，
双极型晶体管仿真电路，如图2所示，包括一标准双极型晶体管、一电压控制电流源和一寄生电阻Rbcbv，所述电压控制电流源、寄生电阻Rbcbv串接在所述标准双极型晶体管的基极同集电极之间；
I=jrev*(exp(-(-VA+Bvrev)/(nrev*0.025)))
式中，I为电压控制电流源的电流，jrev、Bvrev、nrev为拟合系数，VA为所述寄生电阻Rbcbv与所述电压控制电流源的连接点A电压；
寄生电阻Rbcbv的阻值为拟合数值；
通过使双极型晶体管仿真电路根据实测数据中的击穿电流进行拟合，得到jrev、Bvrev、nrev及寄生电阻Rbcbv的阻值；
二．利用步骤一建立的双极型晶体管仿真电路，对双极型晶体管进行仿真。
实施例二
基于实施例一，双极型晶体管仿真电路中的标准双极型晶体管用业界标准的GP（Gummel Poon,咖码-潘）模型来描述。
实施例三
基于实施例二，标准双极型晶体管，可以为NPN型或PNP型。
本发明的对双极型晶体管进行仿真的方法，构建了一双极型晶体管仿真电路，该双极型晶体管仿真电路，在标准双极型晶体管的基极、集电极之间串接一电压控制电流源及一寄生电阻，根据双极型晶体管（BJT）工艺，由于集电极和基极分别是N型和P型掺杂，因此在高压应用双极型晶体管中的击穿可类似看作PN结击穿，该双极型晶体管仿真电路，通过双极型晶体管集电极和基极外挂的所述电压控制电流源及寄生电阻实现击穿电流的描述，能仿真双极型晶体管集电极在高压偏置条件下的电流击穿特性，对双极型晶体管的仿真精度高。
利用本发明构建的双极型晶体管仿真电路，对双极型晶体管进行仿真得到的仿真效果如图3所示，图中点线为测试值，实线为标准双极型晶体管GP模型仿真值，横轴为扫描集电极电压Vce，发射极接地，纵轴为集电极电流Ic，每根曲线代表不同的固定基极电流条件。可以看到在13V附近，击穿电流直接上翘，但在13V之前，外挂元件电压控制电流源及寄生电阻对实际器件特性的模拟没有任何影响，而对参数Rbcbv,jrev,nrev,bvrev的调整，可以改变击穿电流的大小以及斜率，根据该方法，成功的仿真双极型晶体管集电极在高压偏置条件下的电流击穿特性，为电路设计者提供较好的击穿电压仿真参考点
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种对双极型晶体管进行仿真的方法，其特征在于，包括以下步骤：
一.建立双极型晶体管仿真电路，所述双极型晶体管仿真电路，包括一标准双极型晶体管、一电压控制电流源和一寄生电阻；
所述电压控制电流源、寄生电阻串接在所述标准双极型晶体管的基极同集电极之间；
I＝jrev*(exp(-(-VA+Bvrev)/(nrev*0.025)))
式中，I为电压控制电流源的电流，jrev、Bvrev、nrev为拟合系数，VA为所述寄生电阻与所述电压控制电流源的连接点电压；
寄生电阻的阻值为拟合数值；
通过使双极型晶体管仿真电路根据实测数据中的击穿电流进行拟合，得到拟合系数jrev、Bvrev、nrev及寄生电阻的阻值
二.利用步骤一建立的双极型晶体管仿真电路，对双极型晶体管进行仿真。
2.根据权利要求1所述的对双极型晶体管进行仿真的方法，其特征在于，
所述标准双极型晶体管用GP模型来描述。
3.根据权利要求1所述的对双极型晶体管进行仿真的方法，其特征在于，
所述标准双极型晶体管，为NPN型或PNP型。
4.一种双极型晶体管仿真电路，其特征在于，
包括一标准双极型晶体管、一电压控制电流源和一寄生电阻；
所述电压控制电流源、寄生电阻串接在所述标准双极型晶体管的基极同集电极之间；
I＝jrev*(exp(-(-VA+Bvrev)/(nrev*0.025)))
式中，I为电压控制电流源的电流，jrev、Bvrev、nrev为拟合系数，VA为所述寄生电阻与所述电压控制电流源的连接点电压；
寄生电阻的阻值为拟合数值。
5.根据权利要求4所述的双极型晶体管仿真电路，其特征在于，
通过使双极型晶体管仿真电路根据实测数据中的击穿电流进行拟合，得到拟合系数jrev、Bvrev、nrev及寄生电阻的阻值。
6.根据权利要求4所述的双极型晶体管仿真电路，其特征在于，
所述标准双极型晶体管用GP模型来描述。
7.根据权利要求4所述的双极型晶体管仿真电路，其特征在于，
所述标准双极型晶体管，为NPN型或PNP型。
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