CN104346487B - 三极管低频噪声的模型方法 - Google Patents

三极管低频噪声的模型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三极管低频噪声的模型方法，用于模拟三极管的低频噪声，包括步骤：建立三极管模型；在三极管模型的基极端增加基极散弹噪声电流源，基极散弹噪声电流源的大小为：本发明方法通过在三极管模型的基极端增加基极散弹噪声电流源，能很好模拟密勒效应引出的低频噪声，从而能提高模型精度。

Description

三极管低频噪声的模型方法
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路制造工艺方法，特别是涉及一种三极管低频噪声的模型方法。
背景技术
三极管的低频噪声主要为闪烁噪声(flicker noise)和散弹噪声（shot noise），目前的模型都体现这两个噪声。但三极管由于本身的电容，存在一个密勒效应，在某一频率开始会使得噪声下降，这个效应目前没有很好的模型来表述。如图1所示，现有三极管模型方法的低频噪声曲线；曲线101为现有三极管模型方法得到的模拟曲线，曲线102为对三极管测试得到的测试曲线，可以看出在低频时，曲线101和102能够重合的很好，而在高频时曲线102要比曲线101低，原因现有模型没有考虑密勒效应，密勒效应会使三极管的噪声在某一频率开始会下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种三极管低频噪声的模型方法，能很好模拟密勒效应引出的低频噪声，从而能提高模型精度。
为解决上述技术问题，本发明提供的三极管低频噪声的模型方法用于模拟三极管的低频噪声，包括步骤：
步骤一、建立三极管模型。
步骤二、在所述三极管模型的基极端增加基极散弹噪声电流源，该基极散弹噪声电流源的大小为：
其中q为单位电荷，Ib为所述三极管的基极电流，ω为角频率；α为拟合因子，取值范围为0.5<α<2；C＝Cbe+(1+β)Cbc，Cbe为所述三极管的基极-发射极结电容和Cbc为所述三极管的基极-集电极结电容，β为所述三极管的放大系数；rbe为所述三极管的基极-发射极结电阻。
进一步的改进是，Cbe和Cbc采用如下方法得到：
步骤21、在硅片上形成射频测试结构、去嵌结构和直通结构。
所述射频测试结构包括两个GSG测试端口和一个被测试三极管，所述被测试三极管和所要模拟的所述三极管相同；所述GSG测试端口表示地-信号-地测试端口；所述第一GSG测试端口和所述第二GSG测试端口的信号端位于第一直线上，所述被测试三极管位于所述第一GSG测试端口和所述第二GSG测试端口的信号端之间，所述被测试三极管的基极和第一GSG测试端口的信号端连接，所述被测试三极管的集电极和第二GSG测试端口的信号端连接；所述第一GSG测试端口的两个接地端分别位于信号端的两侧，所述第二GSG测试端口的两个接地端分别位于信号端的两侧，位于所述第一直线的同侧的所述第一GSG测试端口和所述第二GSG测试端口的接地端位于和所述第一直线平行的直线上。
所述去嵌结构包括第三GSG测试端口和第四GSG测试端口，所述去嵌结构和所述射频测试结构相比，所述去嵌结构去除了所述被测试三极管、所述被测试三极管和所述第一GSG测试端口的连线、所述被测试三极管和所述第二GSG测试端口的连线；所述第三GSG测试端口和所述第四GSG测试端口的结构和所述第一GSG测试端口和所述第二GSG测试端口的结构相同，且所述第三GSG测试端口和所述第四GSG测试端口之间的距离和所述第一GSG测试端口和所述第二GSG测试端口之间的距离相同。
所述直通结构包括第五GSG测试端口和第六GSG测试端口，所述直通结构和所述射频测试结构相比，所述直通结构去除了所述被测试三极管；所述第五GSG测试端口和所述第六GSG测试端口的结构和所述第一GSG测试端口和所述第二GSG测试端口的结构相同，且所述第五GSG测试端口和所述第六GSG测试端口的信号端之间由连线连接，且该连线的长度等于所述被测试三极管和所述第一GSG测试端口的信号端的连线长度加上所述被测试三极管和所述第二GSG测试端口的信号端的连线长度。
步骤22、在扫描频率为100MHz的条件下对所述射频测试结构进行测试得到散射参数，在扫描频率为100MHz的条件下对所述所述去嵌结构进行测试得到去嵌参数，在扫描频率为100MHz的条件下对所述所述直通结构进行测试得到直通参数。
步骤23、利用所述去嵌参数和所述直通参数对所述散射参数去嵌后得到Y参数，Y参数为导纳参数，Cbe的值为(Y11+Y12)/2πf，Cbc的值为(Y22+Y21)/2πf，其中，f为频率、且f值为100MHz，所述Y参数为2×2矩阵，Y11、Y12、Y21、Y22分别为所述Y参数的矩阵元素。
进一步的改进是，rbe的值通过测试所述三极管的直流特性得到，测试时，所述三极管的发射极接地，所述三极管的基极和集电极分别加电位，所述三极管的直流特性测试时基极和集电极所加电位和所述三极管的噪声测试时所加电位相同，rbe的值为Vbe为基极发射极电压，Ibe为基极发射极电流。
进一步的改进是，对所述三极管进行噪声测试并得到噪声测试曲线，对包括有所述基极散弹噪声电流源的所述三极管模型进行模拟得到噪声模拟曲线，通过调整α使得所述噪声测试曲线和所述噪声模拟曲线拟合度更高。
本发明方法通过在三极管模型的基极端增加基极散弹噪声电流源，能很好模拟密勒效应引出的低频噪声，从而能提高模型精度。
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详细的说明：
图1是现有三极管模型方法的低频噪声曲线；
图2是本发明实施例三极管低频噪声的模型结构图；
图3A是本发明实施例的射频测试结构图；
图3B是图3A所示的射频测试结构的去嵌结构图；
图3C是图3A所示的射频测试结构的直通结构图；
图4是本发明实施例模型方法的低频噪声曲线。
具体实施方式
如图2所示，是本发明实施例三极管低频噪声的模型结构图；本发明实施例三极管低频噪声的模型方法用于模拟三极管的低频噪声，包括步骤：
步骤一、建立三极管模型1。所述三极管模型1为一三极管标准模型，三极管标准模型如Gummel Poon模型或HICUM模型。所述三极管模型1包括基极B、集电极C和发射极E，发射极E接地。
步骤二、在所述三极管模型1的基极端增加基极散弹噪声电流源2，即在节点b和bi之间连接所述基极散弹噪声电流源2，所述基极散弹噪声电流源2的大小为：
其中q为单位电荷，单位电荷的值为1.6e-19库伦；Ib为所述三极管的基极电流，ω为角频率；α为拟合因子，取值范围为0.5<α<2；C＝Cbe+(1+β)Cbc，Cbe为所述三极管的基极-发射极结电容和Cbc为所述三极管的基极-集电极结电容，β为所述三极管的放大系数；rbe为所述三极管的基极-发射极结电阻。
Cbe和Cbc采用如下方法得到：
步骤21、如图3A所示，是本发明实施例的射频测试结构图；如图3B所示，是图3所示的射频测试结构的去嵌结构图；如图3C所示，是图3所示的射频测试结构的直通结构图；在硅片上形成射频测试结构、去嵌结构和直通结构。
所述射频测试结构包括两个GSG测试端口4a和4b和一个被测试三极管3，所述被测试三极管3和所要模拟的所述三极管相同；所述GSG测试端口表示地（G）-信号（S）-地测试端口（G）；所述第一GSG测试端口4a和所述第二GSG测试端口4b的信号端（S）位于第一直线上，所述被测试三极管3位于所述第一GSG测试端口4a和所述第二GSG测试端口4b的信号端之间，所述被测试三极管3的基极（B）和第一GSG测试端口4a的信号端通过连线5连接，所述被测试三极管3的集电极（C）和第二GSG测试端口4b的信号端通过连线6连接；所述第一GSG测试端口4a的两个接地端（G）分别位于信号端的两侧，所述第二GSG测试端口4b的两个接地端分别位于信号端的两侧，位于所述第一直线的同侧的所述第一GSG测试端口4a和所述第二GSG测试端口4b的接地端位于和所述第一直线平行的直线上。
所述去嵌结构包括第三GSG测试端口4c和第四GSG测试端口4d，所述去嵌结构和所述射频测试结构相比，所述去嵌结构去除了所述被测试三极管3、所述被测试三极管3和所述第一GSG测试端口4a的连线5、所述被测试三极管3和所述第二GSG测试端口4b的连线6；所述第三GSG测试端口4c和所述第四GSG测试端口4d的结构和所述第一GSG测试端口4a和所述第二GSG测试端口4b的结构相同，且所述第三GSG测试端口4c和所述第四GSG测试端口4d之间的距离和所述第一GSG测试端口4a和所述第二GSG测试端口4b之间的距离相同。
所述直通结构包括第五GSG测试端口4e和第六GSG测试端口4f，所述直通结构和所述射频测试结构相比，所述直通结构去除了所述被测试三极管3；所述第五GSG测试端口4e和所述第六GSG测试端口4f的结构和所述第一GSG测试端口4a和所述第二GSG测试端口4b的结构相同，且所述第五GSG测试端口4e和所述第六GSG测试端口4f的信号端之间由连线7连接，且该连线7的长度等于所述被测试三极管3和所述第一GSG测试端口4a的信号端的连线5长度加上所述被测试三极管3和所述第二GSG测试端口4b的信号端的连线6长度。
步骤22、在扫描频率为100MHz的条件下对所述射频测试结构进行测试得到散射参数即S参数，在扫描频率为100MHz的条件下对所述所述去嵌结构进行测试得到去嵌参数，在扫描频率为100MHz的条件下对所述所述直通结构进行测试得到直通参数。
步骤23、利用所述去嵌参数和所述直通参数对所述散射参数去嵌后得到Y参数，Y参数为导纳参数，Cbe的值为(Y11+Y12)/2πf，Cbc的值为(Y22+Y21)/2πf，其中，f为频率、且f值为100MHz，所述Y参数为2×2矩阵，Y11、Y12、Y21、Y22分别为所述Y参数的矩阵元素。
rbe的值通过测试所述三极管的直流特性得到，测试时，所述三极管的发射极接地，所述三极管的基极和集电极分别加电位，所述三极管的直流特性测试时基极和集电极所加电位和所述三极管的噪声测试时所加电位相同，rbe的值为Vbe为基极发射极电压，Ibe为基极发射极电流。
对所述三极管进行噪声测试并得到噪声测试曲线，对包括有所述基极散弹噪声电流源2的所述三极管模型进行模拟得到噪声模拟曲线，通过调整α使得所述噪声测试曲线和所述噪声模拟曲线拟合度更高。
密勒效应主要由电容引起，与电阻一起形成一个低通滤波器，将本身的噪声过滤，从而使得散弹噪声在大于一定的频率后形成噪声下降的现象，下降的斜率在1/f到1/f2之间。本发明实施例中的所述基极散弹噪声电流源2的大小为：该值也会在大于一定的频率后下降。如图4所示，是本发明实施例模型方法的低频噪声曲线。虚线表示的曲线8为现有三极管模型方法得到的模拟曲线，曲线9为本发明实施例模型方法得到的模拟曲线，和曲线9基本重合的带有杂乱信号的曲线为对三极管测试得到的测试曲线，可以看出曲线9和测试曲线重合的很好，也即本发明实施例方法确实能很好模拟密勒效应引出的低频噪声，从而能提高模型精度。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种三极管低频噪声的模型方法，用于模拟三极管的低频噪声，其特征在于，包括步骤：
步骤一、建立三极管模型；
步骤二、在所述三极管模型的基极端增加基极散弹噪声电流源，该基极散弹噪声电流源的大小为：
其中q为单位电荷，Ib为所述三极管的基极电流，ω为角频率；α为拟合因子，取值范围为0.5<α<2；C＝Cbe+(1+β)Cbc，Cbe为所述三极管的基极-发射极结电容和Cbc为所述三极管的基极-集电极结电容，β为所述三极管的放大系数；rbe为所述三极管的基极-发射极结电阻；
Cbe和Cbc采用如下方法得到：
步骤21、在硅片上形成射频测试结构、去嵌结构和直通结构；
所述射频测试结构包括两个GSG测试端口和一个被测试三极管，所述被测试三极管和所要模拟的所述三极管相同；所述GSG测试端口表示地-信号-地测试端口；所述第一GSG测试端口和所述第二GSG测试端口的信号端位于第一直线上，所述被测试三极管位于所述第一GSG测试端口和所述第二GSG测试端口的信号端之间，所述被测试三极管的基极和第一GSG测试端口的信号端连接，所述被测试三极管的集电极和第二GSG测试端口的信号端连接；所述第一GSG测试端口的两个接地端分别位于信号端的两侧，所述第二GSG测试端口的两个接地端分别位于信号端的两侧，位于所述第一直线的同侧的所述第一GSG测试端口和所述第二GSG测试端口的接地端位于和所述第一直线平行的直线上；
所述去嵌结构包括第三GSG测试端口和第四GSG测试端口，所述去嵌结构和所述射频测试结构相比，所述去嵌结构去除了所述被测试三极管、所述被测试三极管和所述第一GSG测试端口的连线、所述被测试三极管和所述第二GSG测试端口的连线；所述第三GSG测试端口和所述第四GSG测试端口的结构和所述第一GSG测试端口和所述第二GSG测试端口的结构相同，且所述第三GSG测试端口和所述第四GSG测试端口之间的距离和所述第一GSG测试端口和所述第二GSG测试端口之间的距离相同；
所述直通结构包括第五GSG测试端口和第六GSG测试端口，所述直通结构和所述射频测试结构相比，所述直通结构去除了所述被测试三极管；所述第五GSG测试端口和所述第六GSG测试端口的结构和所述第一GSG测试端口和所述第二GSG测试端口的结构相同，且所述第五GSG测试端口和所述第六GSG测试端口的信号端之间由连线连接，且该连线的长度等于所述被测试三极管和所述第一GSG测试端口的信号端的连线长度加上所述被测试三极管和所述第二GSG测试端口的信号端的连线长度；
步骤22、在扫描频率为100MHz的条件下对所述射频测试结构进行测试得到散射参数，在扫描频率为100MHz的条件下对所述所述去嵌结构进行测试得到去嵌参数，在扫描频率为100MHz的条件下对所述所述直通结构进行测试得到直通参数；
步骤23、利用所述去嵌参数和所述直通参数对所述散射参数去嵌后得到Y参数，Y参数为导纳参数，Cbe的值为(Y11+Y12)/2πf，Cbc的值为(Y22+Y21)/2πf，其中，f为频率、且f值为100MHz，所述Y参数为2×2矩阵，Y11、Y12、Y21、Y22分别为所述Y参数的矩阵元素。
2.如权利要求1所述的三极管低频噪声的模型方法，其特征在于：rbe的值通过测试所述三极管的直流特性得到，测试时，所述三极管的发射极接地，所述三极管的基极和集电极分别加电位，所述三极管的直流特性测试时基极和集电极所加电位和所述三极管的噪声测试时所加电位相同，rbe的值为Vbe为基极发射极电压，Ibe为基极发射极电流。
3.如权利要求1所述的三极管低频噪声的模型方法，其特征在于：对所述三极管进行噪声测试并得到噪声测试曲线，对包括有所述基极散弹噪声电流源的所述三极管模型进行模拟得到噪声模拟曲线，通过调整α使得所述噪声测试曲线和所述噪声模拟曲线拟合度更高。
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