CN104715084A - 锗硅异质结晶体管的大信号模型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锗硅异质结晶体管的大信号模型方法，包括步骤：建立Gummel-Poon模型；建立由Gummel-Poon模型外加第二基极、集电极、发射极电阻，第二基集、基射电容组成的大信号模型；对晶体管的各电极的寄生电阻进行测试，得到的第三基极、集电极、发射极电阻分别为对应的第一和二基极、集电极、发射极电阻的和；对晶体管进行S参数测试并计算出第三基集、基射电容，第三基集、基射电容分别为对应的第一和二基集、基射电容的和；分别对大信号模型进行仿真和对晶体管进行大信号测试并进行大信号模型的参数拟合。本发明能提高模型的仿真精度。

Description

锗硅异质结晶体管的大信号模型方法

技术领域

本发明涉及一种半导体集成电路制造方法，尤其是涉及一种锗硅异质结晶体管的大信号模型方法

背景技术

在三极管的大信号模型的精度一直是业界普遍存在的难题，Gummel-poon模型是业界标准的三极管模型，能比较好的表征三极管的直流、交流、小信号特性，但对于锗硅异质结晶体管，由于其结构比较特殊，与普通三极管存在本质区别，在大信号下，其仿真误差会比较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种锗硅异质结晶体管的大信号模型方法，能提高模型的仿真精度。

为解决上述技术问题，本发明提供锗硅异质结晶体管的大信号模型方法，包括步骤：

步骤一、在硅衬底上形成锗硅异质结晶体管，根据所述锗硅异质结晶体管的结构和工作原理，采用Gummel-Poon模型方法建立所述锗硅异质结晶体管的Gummel-Poon模型；所述Gummel-Poon模型包括第一集电极端口、第一基极端口、第一发射极端口、第二集电极端口、第二基极端口和第二发射极端口。

在所述第一基极端口和所述第一集电极端口之间连接有第一基集电容，两个第一二极管和所述第一基集电容并联，两个所述第一二极管的P型电极都和所述第一基极端口连接、两个所述第一二极管的N型电极都和所述第一集电极端口连接。

在所述第一基极端口和所述第一发射极端口之间连接有第一基射电容，两个第二二极管和所述第一基射电容并联，两个所述第二二极管的P型电极都和所述第一基极端口连接、两个所述第二二极管的N型电极都和所述第一发射极端口连接。

所述第一集电极端口和所述第一发射极端口之间连接有集射电流源。

在所述第一基极端口和所述第二基极端口之间连接有第一基极电阻，在所述第一发射极端口和所述第二发射极端口之间连接有第一发射极电阻，在所述第一集电极端口和所述第二集电极端口之间连接有第一集电极电阻，所述第一集电极电阻设置为0；所述第二集电极端口和地之间连接由第一电容。

步骤二、建立所述锗硅异质结晶体管的大信号模型，所述大信号模型由所述Gummel-Poon模型、第二基极电阻、第二集电极电阻、第二发射极电阻、第二基集电容和第二基射电容组成；所述大信号模型包括第三集电极端口、第三基极端口和第三发射极端口，所述第二基极电阻连接在所述第三基极端口和所述第二基极端口之间，所述第二集电极电阻连接在所述第三集电极端口和所述第二集电极端口之间，所述第二发射极电阻连接在所述第三发射极端口和所述第二发射极端口之间，所述第二基集电容连接在所述第二基极端口和所述第二集电极端口之间，所述第二基射电容连接在所述第二基极端口和所述第二发射极端口之间。

步骤三、对所述锗硅异质结晶体管的各电极的寄生电阻进行测试得到第三基极电阻、第三集电极电阻和第三发射极电阻，所述第三基极电阻为所述第一基极电阻和所述第二基极电阻的和，所述第三发射极电阻为所述第一发射极电阻和所述第二发射极电阻的和，所述第三集电极电阻等于所述第二集电极电阻。

步骤四、对所述锗硅异质结晶体管进行S参数测试得到S参数，将所述S参数转换为Y参数，由所述Y参数计算出第三基集电容和第三基射电容，所述第三基集电容为所述第一基集电容和所述第二基集电容的和，所述第三基射电容为所述第一基射电容和所述第二基射电容的和。

步骤五、对所述大信号模型进行仿真得到仿真曲线，对所述锗硅异质结晶体管进行大信号测试得到测试曲线，在保持所述第三基极电阻、所述第三集电极电阻、所述第三发射极电阻、所述第三基集电容和所述第三基射电容的大小不变的条件下，通过调整所述第一基极电阻、所述第二基极电阻、所述第一发射极电阻、所述第二发射极电阻、所述第一基集电容、所述第二基集电容、所述第一基射电容和所述第二基射电容的大小使得所述仿真曲线和所述测试曲线吻合；以所述仿真曲线和所述测试曲线吻合时的所述第一基极电阻、所述第二基极电阻、所述第一发射极电阻、所述第二发射极电阻、所述第一基集电容、所述第二基集电容、所述第一基射电容和所述第二基射电容的值作为所述大信号模型的对应的参数值。

进一步的改进是，步骤四中所述第三基集电容和所述第三基射电容的计算公式分别为：

C_be3=(Y₁₁+Y₁₂)/2×π×f；

C_bc3=-(Y₂₁+Y₁₂)/2×π×f；

C_be3=C_be1+C_be2；

C_bc3=C_bc1+C_bc2；

上述公式中：C_be1表示所述第一基射电容，C_be2表示所述第二基射电容，Cb_e3表示所述第三基射电容，C_bc1表示所述第一基集电容，C_bc2表示所述第二基集电容，C_bc3表示所述第三基集电容，所述Y参数为2×2矩阵，Y₁₁、Y₁₂和Y₂₁分别为所述Y参数中的三个值，f为所述S参数测试的测试频率。

进一步的改进是，采用直流反激（fly-back）方法对所述锗硅异质结晶体管的各电极的寄生电阻进行测试。

本发明通过在Gummel-Poon模型基础上增加相应的寄生电阻和寄生电容，并通过对Gummel-Poon模型中的各寄生电阻和寄生电容以及增加的寄生电阻和寄生电容进行调整能使本发明大信号模型的仿真曲线和测试曲线相吻合，从而能大大提高模型的仿真精度。

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是本发明实施例的Gummel-Poon模型的示意图；

图2是本发明实施例的大信号模型的示意图；

图3是单独采用图1所示Gummel-Poon模型的仿真曲线；

图4是本发明实施例的大信号模型的仿真曲线。

具体实施方式

如图1所示，是本发明实施例的Gummel-Poon模型的示意图；如图2所示，是本发明实施例的大信号模型的示意图。本发明实施例锗硅异质结晶体管的大信号模型方法包括步骤：

步骤一、在硅衬底上形成锗硅异质结晶体管，根据所述锗硅异质结晶体管的结构和工作原理，采用Gummel-Poon模型方法建立所述锗硅异质结晶体管的Gummel-Poon模型1。该Gummel-Poon模型1和现有技术中的所采用的模型相同，该模型对于所述锗硅异质结晶体管的直流、交流和小信号特性符合的较好，但是对所述锗硅异质结晶体管的大信号特性的误差较大。

如图1所示，所述Gummel-Poon模型1包括第一集电极端口C1、第一基极端口B1、第一发射极端口E1、第二集电极端口C2、第二基极端口B2和第二发射极端口E2。

在所述第一基极端口B1和所述第一集电极端口C1之间连接有第一基集电容C_bc1，两个第一二极管2和所述第一基集电容C_bc1并联，两个所述第一二极管2的P型电极即阳极都和所述第一基极端口B1连接、两个所述第一二极管2的N型电极即阴极都和所述第一集电极端口C1连接。

在所述第一基极端口B1和所述第一发射极端口E1之间连接有第一基射电容C_be1，两个第二二极管3和所述第一基射电容C_be1并联，两个所述第二二极管3的P型电极都和所述第一基极端口B1连接、两个所述第二二极管3的N型电极都和所述第一发射极端口E1连接。

所述第一集电极端口C1和所述第一发射极端口E1之间连接有集射电流源I_ce。

在所述第一基极端口B1和所述第二基极端口B2之间连接有第一基极电阻R_b1，在所述第一发射极端口E1和所述第二发射极端口E2之间连接有第一发射极电阻R_e1，在所述第一集电极端口C1和所述第二集电极端口C2之间连接有第一集电极电阻R_c1，所述第一集电极电阻R_c1设置为0；所述第二集电极端口C2和地之间连接由第一电容4。所述第二基极端口B2的电流为I_b，所述第二集电极端口C2的电流为I_c，所述述第一基极端口B1和所述第一发射极端口E1之间连接有集射电流源I_be，所述述第一基极端口B1和所述第一集电极端口C1之间连接有集射电流源I_bc。

步骤二、建立所述锗硅异质结晶体管的大信号模型。

如图2所示，所述大信号模型由所述Gummel-Poon模型1、第二基极电阻R_b2、第二集电极电阻R_c2、第二发射极电阻R_e2、第二基集电容C_bc2和第二基射电容C_be2组成；所述大信号模型包括第三集电极端口C3、第三基极端口B3和第三发射极端口E3，所述第二基极电阻R_b2连接在所述第三基极端口B3和所述第二基极端口B2之间，所述第二集电极电阻R_c2连接在所述第三集电极端口C3和所述第二集电极端口C2之间，所述第二发射极电阻R_e2连接在所述第三发射极端口E3和所述第二发射极端口E2之间，所述第二基集电容C_bc2连接在所述第二基极端口B2和所述第二集电极端口C2之间，所述第二基射电容C_be2连接在所述第二基极端口B2和所述第二发射极端口E2之间。

步骤三、采用直流反激（fly-back）方法对所述锗硅异质结晶体管的各电极的寄生电阻进行测试得到第三基极电阻、第三集电极电阻和第三发射极电阻，所述第三基极电阻为所述第一基极电阻R_b1和所述第二基极电阻R_b2的和，所述第三发射极电阻为所述第一发射极电阻R_e1和所述第二发射极电阻R_e2的和，所述第三集电极电阻等于所述第二集电极电阻R_c2。即：

R_b3=R_b1+R_b2；

R_e3=R_e1+R_e2；

R_c3=R_c2。

上述公式中：R_b1表示所述第一基极电阻，R_b2表示所述第二基极电阻，R_b3表示所述第三基极电阻，R_e1表示所述第一发射极电阻，R_e2表示所述第二发射极电阻，R_e3表示所述第三发射极电阻，R_c2表示所述第三集电极电阻，R_c3表示所述第三集电极电阻。

步骤四、对所述锗硅异质结晶体管进行S参数测试得到S参数，将所述S参数转换为Y参数，由所述Y参数计算出第三基集电容和第三基射电容，所述第三基集电容为所述第一基集电容C_bc1和所述第二基集电容C_bc2的和，所述第三基射电容为所述第一基射电容C_be1和所述第二基射电容C_be2的和。

所述第三基集电容和所述第三基射电容的计算公式分别为：

C_be3=(Y₁₁+Y₁₂)/2×π×f；

C_bc3=-(Y₂₁+Y₁₂)/2×π×f；

C_be3=C_be1+C_be2；

C_bc3=C_bc1+C_bc2；

上述公式中：C_be1表示所述第一基射电容，C_be2表示所述第二基射电容，Cb_e3表示所述第三基射电容，C_bc1表示所述第一基集电容，C_bc2表示所述第二基集电容，C_bc3表示所述第三基集电容，所述Y参数为2×2矩阵，Y₁₁、Y₁₂和Y₂₁分别为所述Y参数中的三个值，f为所述S参数测试的测试频率。

步骤五、对所述大信号模型进行仿真得到仿真曲线，对所述锗硅异质结晶体管进行大信号测试得到测试曲线，在保持所述第三基极电阻、所述第三集电极电阻、所述第三发射极电阻、所述第三基集电容和所述第三基射电容的大小不变的条件下，通过调整所述第一基极电阻R_b1、所述第二基极电阻R_b2、所述第一发射极电阻R_e1、所述第二发射极电阻R_e2、所述第一基集电容C_bc1、所述第二基集电容C_bc2、所述第一基射电容C_be1和所述第二基射电容C_be2的大小使得所述仿真曲线和所述测试曲线吻合；以所述仿真曲线和所述测试曲线吻合时的所述第一基极电阻R_b1、所述第二基极电阻R_b2、所述第一发射极电阻R_e1、所述第二发射极电阻R_e2、所述第一基集电容C_bc1、所述第二基集电容C_bc2、所述第一基射电容C_be1和所述第二基射电容C_be2的值作为所述大信号模型的对应的参数值。

由于现有技术中只采用如图1所示的Gummel-Poon模型1来进行所述锗硅异质结晶体管的大信号仿真，如图3所示，单独采用图1所示Gummel-Poon模型1的仿真曲线；其中，曲线101、102和103分别为通过大信号测试得到的所述锗硅异质结晶体管的基波、二次谐波和三次谐波的测试曲线，曲线101a、102a和103a分别为采用Gummel-Poon模型1进行大信号仿真得到所述锗硅异质结晶体管的基波、二次谐波和三次谐波的仿真曲线，可以看出在1dB压缩前仿真曲线和测试曲线的差异比较大，现有技术中单独采用Gummel-Poon模型1进行仿真是无法模拟出所述锗硅异质结晶体管的大信号特性的。

如图4所示，是本发明实施例的大信号模型的仿真曲线。其中，曲线104、105和106分别为通过大信号测试得到的所述锗硅异质结晶体管的基波、二次谐波和三次谐波的测试曲线，曲线104a、105a和106a分别为采用Gummel-Poon模型1进行大信号仿真得到所述锗硅异质结晶体管的基波、二次谐波和三次谐波的仿真曲线，可以看出在1dB压缩前仿真曲线和测试曲线的符合的较好，即仿真精度很高，所以本发明实施例方法能良好的模拟出所述锗硅异质结晶体管的大信号特性的。

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)

1.一种锗硅异质结晶体管的大信号模型方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一、在硅衬底上形成锗硅异质结晶体管，根据所述锗硅异质结晶体管的结构和工作原理，采用Gummel-Poon模型方法建立所述锗硅异质结晶体管的Gummel-Poon模型；所述Gummel-Poon模型包括第一集电极端口、第一基极端口、第一发射极端口、第二集电极端口、第二基极端口和第二发射极端口；

在所述第一基极端口和所述第一集电极端口之间连接有第一基集电容，两个第一二极管和所述第一基集电容并联，两个所述第一二极管的P型电极都和所述第一基极端口连接、两个所述第一二极管的N型电极都和所述第一集电极端口连接；

在所述第一基极端口和所述第一发射极端口之间连接有第一基射电容，两个第二二极管和所述第一基射电容并联，两个所述第二二极管的P型电极都和所述第一基极端口连接、两个所述第二二极管的N型电极都和所述第一发射极端口连接；

所述第一集电极端口和所述第一发射极端口之间连接有集射电流源；

在所述第一基极端口和所述第二基极端口之间连接有第一基极电阻，在所述第一发射极端口和所述第二发射极端口之间连接有第一发射极电阻，在所述第一集电极端口和所述第二集电极端口之间连接有第一集电极电阻，所述第一集电极电阻设置为0；所述第二集电极端口和地之间连接由第一电容；

步骤二、建立所述锗硅异质结晶体管的大信号模型，所述大信号模型由所述Gummel-Poon模型、第二基极电阻、第二集电极电阻、第二发射极电阻、第二基集电容和第二基射电容组成；所述大信号模型包括第三集电极端口、第三基极端口和第三发射极端口，所述第二基极电阻连接在所述第三基极端口和所述第二基极端口之间，所述第二集电极电阻连接在所述第三集电极端口和所述第二集电极端口之间，所述第二发射极电阻连接在所述第三发射极端口和所述第二发射极端口之间，所述第二基集电容连接在所述第二基极端口和所述第二集电极端口之间，所述第二基射电容连接在所述第二基极端口和所述第二发射极端口之间；

步骤三、对所述锗硅异质结晶体管的各电极的寄生电阻进行测试得到第三基极电阻、第三集电极电阻和第三发射极电阻，所述第三基极电阻为所述第一基极电阻和所述第二基极电阻的和，所述第三发射极电阻为所述第一发射极电阻和所述第二发射极电阻的和，所述第三集电极电阻等于所述第二集电极电阻；

步骤四、对所述锗硅异质结晶体管进行S参数测试得到S参数，将所述S参数转换为Y参数，由所述Y参数计算出第三基集电容和第三基射电容，所述第三基集电容为所述第一基集电容和所述第二基集电容的和，所述第三基射电容为所述第一基射电容和所述第二基射电容的和；

步骤五、对所述大信号模型进行仿真得到仿真曲线，对所述锗硅异质结晶体管进行大信号测试得到测试曲线，在保持所述第三基极电阻、所述第三集电极电阻、所述第三发射极电阻、所述第三基集电容和所述第三基射电容的大小不变的条件下，通过调整所述第一基极电阻、所述第二基极电阻、所述第一发射极电阻、所述第二发射极电阻、所述第一基集电容、所述第二基集电容、所述第一基射电容和所述第二基射电容的大小使得所述仿真曲线和所述测试曲线吻合，以所述仿真曲线和所述测试曲线吻合时的所述第一基极电阻、所述第二基极电阻、所述第一发射极电阻、所述第二发射极电阻、所述第一基集电容、所述第二基集电容、所述第一基射电容和所述第二基射电容的值作为所述大信号模型的对应的参数值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤四中所述第三基集电容和所述第三基射电容的计算公式分别为：

C_be3=(Y₁₁+Y₁₂)/2×π×f；

C_bc3=-(Y₂₁+Y₁₂)/2×π×f；

C_be3=C_be1+C_be2；

C_bc3=C_bc1+C_bc2；

上述公式中：C_be1表示所述第一基射电容，C_be2表示所述第二基射电容，Cb_e3表示所述第三基射电容，C_bc1表示所述第一基集电容，C_bc2表示所述第二基集电容，C_bc3表示所述第三基集电容，所述Y参数为2×2矩阵，Y₁₁、Y₁₂和Y₂₁分别为所述Y参数中的三个值，f为所述S参数测试的测试频率。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三中采用直流反激方法对所述锗硅异质结晶体管的各电极的寄生电阻进行测试。