CN108509729B - 一种对bjt器件的电路辐照后特性的仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种对BJT器件的电路辐照后特性的仿真方法及系统。该方法包括：提取BJT器件的辐照前器件模型参数；获取不同辐照条件下对应的多余基极电流；根据多余基极电流确定辐照条件‑多余基极电流关系；利用半导体器件建模软件提取多余基极电流对应的寄生二极管模型参数；根据寄生二极管模型参数确定多余基极电流‑寄生二极管模型参数关系；确定寄生二极管参数与辐射条件之间的对应关系；根据上述关系建立辐照环境下的BJT器件辐照模型；根据BJT器件辐照模型对辐照后的含有BJT器件的电路进行仿真。采用本发明所提供的仿真方法及系统能够准确地对辐照条件下的BJT器件电学特性建立紧凑模型，从而进行准确的BJT电路辐照效应仿真。
Description
技术领域
本发明涉及辐照建模领域，特别是涉及一种对BJT器件的电路辐照后特性的仿真方法及系统。
背景技术
辐射效应是造成半导体器件在太空环境下退化、集成电路失效的一个重要因素。双极结型晶体管(BipolarJunctionTransistor，BJT)具有良好的电流驱动能力、线性度、低噪声以及优良的匹配能力，被广泛应用在航空设备等领域。但是BJT器件对太空辐照环境下的剂量环境十分敏感，在辐射环境下，器件发生严重退化，基极电流上升，放大倍数下降。因此，评估器件在太空等辐照环境下的退化，是评估集成电路在辐照环境下的退化的基础。半导体器件模型是电路模拟的基石，是器件和电路之间的桥梁。电路模拟的精度直接依赖于器件的模型和模型参数的精度，电路模拟的速度也取决于模型的收敛性和适用性。因此一套准确度高、收敛性好的半导体器件模型对于电路设计和工艺开发都极其重要。
对于BJT器件在常规无辐射条件下的建模和提参，目前已经有较多研究。但是对于辐射环境效应下的BJT器件的建模目前缺乏一个通用的、准确度高的、适合工程应用的器件建模方法，因此无法对辐照后的电路进行效应仿真。
发明内容
本发明的目的是提供一种辐照环境下的BJT器件的建模方法与系统，从而能够实现对辐照环境下器件和电路进行精确的仿真模拟。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种对BJT器件的电路辐照后特性的仿真方法，包括：
对BJT器件进行辐照前电学特性测试，提取BJT器件的辐照前器件初始模型参数；所述辐照前器件模型参数包括正向电流发射系数、反向电流发射系数、理想正向放大倍数、理想反向放大倍数；
对所述BJT器件进行辐照实验，并在退火后重新进行电学特性测试，获取不同辐照条件下对应的多余基极电流；所述辐照条件包括总剂量和剂量率；
根据所述多余基极电流确定辐照条件-多余基极电流关系；
以二极管模型为框架，利用半导体器件建模软件提取所述多余基极电流对应的寄生二极管模型参数；所述寄生二极管模型参数包括饱和电流、发射系数、零偏置结电容；
根据所述寄生二极管模型参数确定多余基极电流-寄生二极管模型参数关系；
根据所述辐照条件-多余基极电流关系以及所述多余基极电流-寄生二极管模型参数关系，确定寄生二极管参数与辐射条件之间的对应关系；
根据所述辐照前器件模型参数、所述寄生二极管模型参数以及所述对应关系建立辐照环境下的BJT器件辐照模型；
根据所述BJT器件辐照模型对辐照后的含有BJT器件的电路进行仿真。
可选的，所述对BJT器件进行辐照前电学特性测试，提取BJT器件的辐照前器件初始模型参数，具体包括：
测试正反向VBE-IC/IB曲线特性、测试正反向VCE-IC曲线、电压-电容测试以及电阻测试，确定BJT电学特性；
根据所述BJT电学特性，利用半导体器件建模软件提取BJT器件的辐照前器件模型参数。
可选的，所述根据所述辐照前器件模型参数、所述寄生二极管模型参数以及所述对应关系建立辐照环境下的BJT器件辐照模型，具体包括：
利用Verilog-A语言，将所述半导体参数、所述寄生二极管模型以及所述辐照关系整合，建立辐照环境下的BJT器件辐照模型。
可选的，所述BJT器件包括不同类型不同工艺与尺寸的硅基NPN或PNP器件。
可选的，所述寄生二极管包括第一二极管以及第二二极管；
所述第一二极管的一极与所述BJT器件的基极相连接，所述第一二极管的另一极与所述BJT器件的发射极相连接；
所述第二二极管的一极与所述BJT器件的基极相连接，所述第二二极管的另一极与所述BJT器件的集电极相连接。
一种对BJT器件的电路辐照后特性的仿真系统，包括：
辐照前器件模型参数提取模块，用于对BJT器件进行辐照前电学特性测试，提取BJT器件的辐照前器件模型参数；所述辐照前器件模型参数包括正向电流发射系数、反向电流发射系数、理想正向放大倍数、理想反向放大倍数或正向厄利电压；
多余基极电流获取模块，用于对所述BJT器件进行辐照实验，并在退火后重新测试电学特性，获取不同辐照条件下对应的多余基极电流；所述辐照条件包括总剂量和剂量率；
辐照条件-多余基极电流关系确定模块，用于根据所述多余基极电流确定辐照条件-多余基极电流关系；
寄生二极管模型参数提取模块，用于以二极管模型为框架，利用半导体器件建模软件提取所述多余基极电流对应的寄生二极管模型参数；所述寄生二极管模型参数包括饱和电流、发射系数以及结电容；
多余基极电流-寄生二极管模型参数关系确定模块，用于根据所述寄生二极管模型参数确定多余基极电流-寄生二极管模型参数关系；
对应关系确定模块，用于根据所述辐照条件-多余基极电流关系以及所述多余基极电流-寄生二极管模型参数关系，确定寄生二极管参数与辐射条件之间的对应关系；
辐照模型建立模块，用于根据所述辐照前器件模型参数、所述寄生二极管模型参数以及所述对应关系建立辐照环境下的BJT器件辐照模型；
仿真模块，用于根据所述BJT器件辐照模型对辐照后的含有BJT器件的电路进行仿真。
可选的，所述辐照前器件模型参数提取模块具体包括：
BJT电学特性确定单元，测试正反向VBE-IC/IB曲线特性、测试正反向VCE-IC曲线、电压-电容测试以及电阻测试，确定BJT电学特性；
辐照前器件模型参数提取单元，用于根据所述BJT电学特性，利用半导体器件建模软件提取BJT器件的辐照前器件模型参数。
可选的，所述BJT器件辐照模型确定模块具体包括：
BJT器件辐照模型确定单元，用于利用Verilog-A语言，将所述半导体参数、所述寄生二极管模型以及所述辐照关系整合，建立起辐照环境下的BJT器件辐照模型。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种对BJT器件的电路辐照后特性的仿真方法及系统，通过获取BJT器件在辐照环境下的多余基极复合电流、辐照剂量以及剂量率，利用了现有的二极管模型建立辐照环境下的BJT器件辐照模型，不仅大大提高了建模的适用性，还提高了最终模型的准确性，从而大大提高了根据所述BJT器件辐照模型所确定的BJT器件在辐照环境下的模型参数精度，进而提高了在辐照环境下的电路模拟精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的对BJT器件的电路辐照后特性的仿真方法流程图；
图2为本发明所提供的根据本发明所提供建模仿真方法，所得到的BJT器件辐照前和两种辐照条件后基极电流与基极-发射极电压关系的的实验测试结果和所得模型仿真结果对比图；
图3为本发明所提供的对BJT器件的电路辐照后特性的仿真系统结构图；
图4为本发明所提供的BJT辐照模型示意图；
图5为本发明所提供的提高的BJT总剂量辐照建模的流程原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种对BJT器件的电路辐照后特性的仿真方法及系统，能够在辐照环境下对BJT器件建模以提取BJT器件参数，从而在辐照环境下提高电路模拟精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，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为本发明所提供的对BJT器件的电路辐照后特性的仿真方法流程图，如图1所示，一种对BJT器件的电路辐照后特性的仿真方法，包括：
步骤101：提取BJT器件的辐照前器件模型参数；所述辐照前器件模型参数包括正向电流发射系数、反向电流发射系数、理想正向放大倍数、理想反向放大倍数以及正向厄利电压等在内的整套BJT模型参数。
步骤102：对所述BJT器件进行辐照实验，并在退火后重新测试电学特性，获取不同辐照条件下对应的多余基极电流；所述辐照条件包括总剂量和剂量率。
步骤103：根据所述多余基极电流确定辐照条件-多余基极电流关系。
步骤104：以二极管模型为框架，利用半导体器件建模软件提取所述多余基极电流对应的寄生二极管模型参数；所述寄生二极管模型参数包括饱和电流、发射系数、零偏置结电容以及欧姆电阻等在内的整套二极管模型参数。其中半导体器件建模软件可以为德科技公司的MBP软件。
步骤105：根据所述寄生二极管模型参数确定多余基极电流-寄生二极管模型参数关系。
步骤106：根据所述辐照条件-多余基极电流关系以及所述多余基极电流-寄生二极管模型参数关系，确定寄生二极管参数与辐射条件之间的对应关系。
步骤107：根据所述辐照前器件模型参数、所述寄生二极管模型参数以及所述对应关系建立辐照环境下的BJT器件辐照模型。
步骤108：根据所述BJT器件辐照模型对辐照后的含有BJT器件的电路进行仿真。
在实际应用中，将辐照后BJT器件增加的多余基极复合电流，用一种增强的寄生二极管模型来描述，具体步骤包括：首先对器件进行电学测试获取器件辐照前电学特性，确定器件初始SPICE模型参数；然后进行辐照实验，获取多余基极复合电流与辐照剂量与剂量率的对应数据；再利用半导体建模软件，以二极管模型为框架，提取多余基极电流对应的寄生二极管的模型参数；再根据前两步的结果，建立寄生二极管参数与辐照剂量与剂量率之间的对应关系，并以表达式的形式确定下来；最后再将上述表达式、寄生二极管的模型以及辐照前初始BJT的模型与各部分参数几者结合起来，用硬件描述语言Verilog-A写成一个完整的BJT器件辐照模型。
最终的BJT器件辐照模型，参数包括两部分：辐照前原始参数以及辐照相关参数；Verilog-A代码内容包括两部分：BJT辐照前的常规模型代码以及BJT总剂量效应部分模型代码。
本发明针对一种横向BJT器件进行了辐照实验，实验的剂量率是0.01rad/s和10rad/s，在辐照前、总剂量辐照后的情况下，对器件电学特性测试和并建模。图2中展示了是对由基极到发射极的结电压变化下基极电流的变化，对比了辐照前和两种辐照条件后的实验测试结果和根据此发明确定的辐照模型仿真结果。
图3为本发明所提供的对BJT器件的电路辐照后特性的仿真系统结构图，如图3所示，一种对BJT器件的电路辐照后特性的仿真系统，包括：
辐照前器件模型参数提取模块301，用于提取BJT器件的辐照前器件模型参数；所述辐照前器件模型参数包括正向电流发射系数、反向电流发射系数、理想正向放大倍数、理想反向放大倍数或正向厄利电压等系列模型参数。
所述辐照前器件模型参数提取模块301具体包括：
BJT电学特性确定单元，用于对BJT器件进行电学特性测试，确定BJT电学特性；所述BJT电学特性包括正反向gummel曲线特性、正反向输入输出曲线特性、电容特性以及电阻特性。所述BJT电学特性确定单元具体包括：BJT电学特性确定子单元，用于利用正反向gummel曲线、正反向输入输出曲线、电容测试以及电阻测试对BJT器件进行电学特性测试，确定BJT电学特性。
辐照前器件模型参数提取单元，用于根据所述BJT电学特性，利用半导体器件建模软件提取BJT器件的辐照前器件模型参数。
多余基极电流获取模块302，用于对所述BJT器件进行辐照实验，并在退火后重新测试电学特性，获取不同辐照条件下对应的多余基极电流；所述辐照条件包括总剂量和剂量率。
辐照条件-多余基极电流关系确定模块303，用于根据所述多余基极电流确定辐照条件-多余基极电流关系。
寄生二极管模型参数提取模块304，用于以二极管模型为框架，利用半导体器件建模软件提取所述多余基极电流对应的寄生二极管模型参数；所述寄生二极管模型参数包括饱和电流、发射系数以及结电容。
多余基极电流-寄生二极管模型参数关系确定模块305，用于根据所述寄生二极管模型参数确定多余基极电流-寄生二极管模型参数关系。
对应关系确定模块306，用于根据所述辐照条件-多余基极电流关系以及所述多余基极电流-寄生二极管模型参数关系，确定寄生二极管参数与辐射条件之间的对应关系。
辐照模型建立模块307，用于根据所述辐照前器件模型参数、所述寄生二极管模型参数以及所述对应关系建立辐照环境下的BJT器件辐照模型。
所述BJT器件辐照模型确定模块307具体包括：BJT器件辐照模型确定单元，用于利用Verilog-A语言，将所述半导体参数、所述寄生二极管模型以及所述辐照关系整合，建立辐照环境下的BJT器件辐照模型。
仿真模块308，用于根据所述BJT器件辐照模型对辐照后的含有BJT器件的电路进行仿真。
图4为本发明所提供的BJT辐照模型示意图，图5为本发明所提供的提高的BJT总剂量辐照建模的流程原理图，如图4-图5所示，本发明的BJT器件的辐照模型，利用了商业建模提参软件和成熟的二极管模型，不仅大大提高了建模的适用性，还提高了最终模型的准确性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种对BJT器件的电路辐照后特性的仿真方法，其特征在于，包括：
对BJT器件进行辐照前电学特性测试，提取BJT器件的辐照前器件模型参数；所述辐照前器件模型参数包括正向电流发射系数、反向电流发射系数、理想正向放大倍数以及理想反向放大倍数；
对所述BJT器件进行辐照实验，并在退火后重新进行电学特性测试，获取不同辐照条件下对应的多余基极电流；所述辐照条件包括总剂量和剂量率；
根据所述多余基极电流确定辐照条件-多余基极电流关系；
以二极管模型为框架，利用半导体器件建模软件提取所述多余基极电流对应的寄生二极管模型参数；所述寄生二极管模型参数包括饱和电流、发射系数以及结电容；
根据所述寄生二极管模型参数确定多余基极电流-寄生二极管模型参数关系；
根据所述辐照条件-多余基极电流关系以及所述多余基极电流-寄生二极管模型参数关系，确定寄生二极管模型参数与辐射条件之间的对应关系；
根据所述辐照前器件模型参数、所述寄生二极管模型参数以及所述对应关系建立辐照环境下的BJT器件辐照模型；
根据所述BJT器件辐照模型对辐照后的含有BJT器件的电路进行仿真。
2.根据权利要求1所述的仿真方法，其特征在于，所述对BJT器件进行辐照前电学特性测试，提取BJT器件的辐照前器件模型参数，具体包括：
测试正反向VBE-IC/IB曲线特性、测试正反向VCE-IC曲线、电压-电容测试以及电阻测试，确定BJT电学特性；
根据所述BJT电学特性，利用半导体器件建模软件提取BJT器件的辐照前器件模型参数。
3.根据权利要求1所述的对BJT器件的电路辐照后特性的仿真方法，其特征在于，所述根据所述辐照前器件模型参数、所述寄生二极管模型参数以及所述对应关系建立辐照环境下的BJT器件辐照模型，具体包括：
利用Verilog-A语言，将所述辐照前器件模型参数、所述寄生二极管模型以及所述寄生二极管模型参数与辐射条件之间的对应关系整合，建立辐照环境下的BJT器件辐照模型。
4.根据权利要求1所述的对BJT器件的电路辐照后特性的仿真方法，其特征在于，所述BJT器件包括不同类型不同工艺与尺寸的硅基NPN或PNP器件。
5.根据权利要求1所述的对BJT器件的电路辐照后特性的仿真方法，其特征在于，所述寄生二极管包括第一二极管以及第二二极管；
所述第一二极管的一极与所述BJT器件的基极相连接，所述第一二极管的另一极与所述BJT器件的发射极相连接；
所述第二二极管的一极与所述BJT器件的基极相连接，所述第二二极管的另一极与所述BJT器件的集电极相连接。
6.一种对BJT器件的电路辐照后特性的仿真系统，其特征在于，包括：
辐照前器件模型参数提取模块，用于对BJT器件进行辐照前电学特性测试，提取BJT器件的辐照前器件模型参数；所述辐照前器件模型参数包括正向电流发射系数、反向电流发射系数、理想正向放大倍数、理想反向放大倍数以及正向厄利电压；
多余基极电流获取模块，用于对所述BJT器件进行辐照实验，并在退火后重新测试电学特性，获取不同辐照条件下对应的多余基极电流；所述辐照条件包括总剂量和剂量率；
辐照条件-多余基极电流关系确定模块，用于根据所述多余基极电流确定辐照条件-多余基极电流关系；
寄生二极管模型参数提取模块，用于以二极管模型为框架，利用半导体器件建模软件提取所述多余基极电流对应的寄生二极管模型参数；所述寄生二极管模型参数包括饱和电流、发射系数以及结电容；
多余基极电流-寄生二极管模型参数关系确定模块，用于根据所述寄生二极管模型参数确定多余基极电流-寄生二极管模型参数关系；
对应关系确定模块，用于根据所述辐照条件-多余基极电流关系以及所述多余基极电流-寄生二极管模型参数关系，确定寄生二极管模型参数与辐射条件之间的对应关系；
辐照模型建立模块，用于根据所述辐照前器件模型参数、所述寄生二极管模型参数以及所述对应关系建立辐照环境下的BJT器件辐照模型；
仿真模块，用于根据所述BJT器件辐照模型对辐照后的含有BJT器件的电路进行仿真。
7.根据权利要求6所述的仿真系统，其特征在于，所述辐照前器件模型参数提取模块具体包括：
BJT电学特性确定单元，测试正反向VBE-IC/IB曲线特性、测试正反向VCE-IC曲线、电压-电容测试以及电阻测试，确定BJT电学特性；
辐照前器件模型参数提取单元，用于根据所述BJT电学特性，利用半导体器件建模软件提取BJT器件的辐照前器件模型参数。
8.根据权利要求6所述的对BJT器件的电路辐照后特性的仿真系统，其特征在于，所述辐照模型建立模块具体包括：
BJT器件辐照模型确定单元，用于利用Verilog-A语言，将所述辐照前器件模型参数、所述寄生二极管模型以及所述寄生二极管模型参数与辐射条件之间的对应关系整合，建立辐照环境下的BJT器件辐照模型。
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