CN113935268B - 阳极短路横向绝缘栅双极晶体管等效电路模型及仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高压阳极短路横向绝缘栅双极晶体管(SA‑LIGBT)的等效电路模型及仿真方法，包括：核心场效应管；核心三极管；第一漏端电阻，该电阻连接到核心场效应管的漏极且与第二漏端电阻串联；第二漏端电阻，该电阻与第一漏端电阻串联且该电阻第二端用作高压晶体管的集电极；核心三极管基极电阻，该电阻的一端连接到第一漏端电阻和第二漏端电阻串联的中点并且第二端连接到核心三极管的基极；核心三极管发射极电阻，该电阻的第一端连接到核心三极管的发射极并且第二端作为高压晶体管的集电极；发射极电阻，该电阻的一端连接到核心场效应管的源极且第二端用作高压晶体管的发射极。相比传统模型，本发明提高了SA‑LIGBT模型从MOS状态过渡到IGBT工作状态的精度。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，主要涉及一种阳极短路横向绝缘栅双极晶体管(SA-LIGBT)等效电路模型及仿真方法。
背景技术
由于电动汽车以及便携式电子设备的快速普及，高压功率器件越来越多的被集成到集成电路芯片中，例如可以将高压功率器件和高压功率器件驱动电路在同一衬底上单芯片集成，尽可能的提高系统效率和降低损耗。随着高压集成电路和高压分立器件的快速发展和广泛的应用，电路设计中对器件仿真模型的准确性要求越来越高，其中阳极短路的绝缘栅双极晶体管(SA-LIGBT)器件尤为重要。阳极短路绝缘栅双极晶体管有着高耐压、高功率密度、开关速度快等特点，但是阳极短路绝缘栅双极晶体管有着很多难以表征的效应。阳极短路结构会导致在器件集电极偏压较小时器件是工作在MOS状态，此时双极晶体管并未开启，随着集电极偏压慢慢增大，器件开始慢慢由MOS工作状态过渡到IGBT工作状态。MOS到IGBT工作状态的过渡是建模的难点所在。此外，器件具有较长的漂移区，当器件的双极晶体管正常工作时，基区由于载流子的大量注入，会引起漂移区的电导调制，这将极大地降低通态电阻，在较大功率密度下器件有自热效应，这些特性等通常难以用业界应用广泛的BISM3、BSIM4模型和如图1所示传统的IGBT模型进行表征，且传统的高压集成电路器件仿真模型成本高、精确度低、效率低。因此迫切需要高效率、精确度高的高压阳极短路绝缘栅双极晶体管器件模型和建模方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种阳极短路横向绝缘栅双极晶体管等效电路模型，包括：核心场效应晶体管101、核心双极晶体管102、第一漏端电阻106、第二漏端电阻103、核心双极晶体管发射极电阻104、核心双极晶体管基极电阻105、核心双极晶体管集电极电阻107和高压晶体管发射极电阻108；
核心场效应晶体管101的电流电压特性采用BSIM4模型的参数进行拟合；
核心双极晶体管102的电流电压特性采用葛谋-潘(GP)模型的参数进行拟合；
所述核心场效应晶体管101的第一漏端电阻106的第一端连接到核心场效应晶体管101的漏极，所述第一漏端电阻106的第二端与核心场效应晶体管101的第二漏端电阻103串联；
核心场效应晶体管101的第二漏端电阻103的第一端与所述核心场效应晶体管101的第一漏端电阻106的第二端相连，所述第二漏端电阻103的第二端作为高压晶体管的集电极；
所述核心双极晶体管发射极电阻104的第一端连接到核心双极晶体管102的发射极，所述核心双极晶体管发射极电阻104的第二端连接到第二漏端电阻103的第二端作为高压晶体管的集电极；
所述基极电阻105的第一端连接到所述第一漏端电阻106和所述第二漏端电阻103连接中点处，所述基极电阻105的第二端连接到核心双极晶体管102的基极；
所述集电极电阻107的第一端连接到核心双极晶体管102的集电极，所述集电极电阻107的第二端连接到核心场效应晶体管101的源极；
所述高压晶体管发射极电阻108的第一端连接到核心场效应晶体管101的源极，所述高压晶体管发射极电阻108的第二端用作高压晶体管发射极。
优选地，所述第二漏端电阻103的电阻值与加在所述核心双极晶体管发射极电阻104上的电压、核心双极晶体管发射极电阻104的阻值、温度和所述高压晶体管的宽度和元胞数目之间的关系是：
Rd＝((rd0-rd0*2/π*arctan(Vrc0/(k1_ref*rc0)))*(1+rd1_tem*ΔT+rd2_tem*ΔT2+rd3_tem*ΔT3))/W/multi；
rd0是电压为零时的第二漏端电阻(103)电阻值,Vrc0是指加在核心双极晶体管发射极电阻(104)上的电压的绝对值，k1_ref是分母中的拟合参数，rc0是核心双极晶体管发射极电阻(104)上电压为零时的电阻值，rd1_tem、rd2_tem、rd3_tem分别是第二漏端电阻(103)的一阶、二阶、三阶指数项的温度系数；T是系统温度，W是高压晶体管的宽度，multi是高压晶体管的元胞数目。
优选地，所述基极电阻105的电阻值与加在所述核心双极晶体管发射极电阻104上的电压、所述核心双极晶体管发射极电阻104阻值、温度和所述高压晶体管的宽度和元胞数目之间的关系是：
Rb＝(r0-r0*2/π*arctan(Vrc0/(k2_ref*rc0)))*Rb0_temp_eff/W/multi，Rb0_temp_eff＝1+rb1_tem*ΔT+rb2_tem*ΔT2+rb3_tem*ΔT3；
r0是电压为零时的基极电阻(105)阻值，k2_ref是分母中的拟合参数，rc0是核心双极晶体管发射极电阻(104)上电压为零时的电阻值，rb1_tem、rb2_tem、rb3_tem分别是基极电阻(105)的一阶、二阶、三阶指数项的温度系数，T是系统温度，W是高压晶体管的宽度，multi是高压晶体管的元胞数目。
优选地，所述高压晶体管发射极电阻108的电阻值与加在所述高压晶体管集电极与所述高压晶体管发射极之间的电压、高压晶体管温度和所述高压晶体管的宽度和元胞数目之间的关系是：
Re＝(max(rconst,(rs1+abs(Vce*(rs2*nf)))*(1+rsh1_tem*ΔT+rsh2_tem*ΔT2+rsh3_tem*ΔT3))/W/multi；
rconst是所述高压晶体管的集电极与发射极之间的压差较小时候的固定电阻，rs1是所述高压晶体管的集电极与高压晶体管发射极之间的压差较大时候的固定电阻，Vce是所述高压晶体管集电极与高压晶体管发射极之间的电压差的绝对值，rs2是当所述高压晶体管集电极与高压晶体管发射极之间的压差较大时候的一次项电压系数，nf是一次项电压拟合参数，rs h1_tem、rsh2_tem、rsh3_tem分别是所述高压晶体管发射极电阻108的一阶、二阶、三阶指数项的温度系数；
T是系统温度，W是高压晶体管的宽度，multi是高压晶体管的元胞数目。
优选地，核心场效应晶体管101的第二漏端电阻103的电阻值是所述高压晶体管的元胞数目、宽度的函数；
优选地，所述核心场效应晶体管101的第二漏端电阻103的电阻值是所述核心双极晶体管发射极电阻104上的电压的函数；
优选地，所述核心场效应晶体管101的第二漏端电阻103的电阻值是所述核心双极晶体管发射极电阻104阻值的函数。
优选地，所述核心双极晶体管102的基极电阻105是所述高压晶体管的元胞数目、宽度的函数；
优选地，所述核心双极晶体管102的基极电阻105是所述核心双极晶体管发射极电阻104的电压的函数；
优选地，所述核心双极晶体管102的基极电阻105是所述核心双极晶体管发射极电阻104阻值的函数。
优选地，高压晶体管发射极电阻108是所述高压晶体管集电极偏压的函数。
此外，本申请还涉及一种阳极短路横向绝缘栅双极晶体管等效电路仿真方法，包括以下步骤：
步骤201，建立核心场效应晶体管101模型；
步骤202，建立核心双极晶体管102模型；
步骤203，建立核心场效应晶体管101的第二漏端电阻103模型，根据核心双极晶体管发射极电阻104上所加的电压值和核心双极晶体管发射极电阻104的电阻值控制第二漏端电阻103的电阻值；
步骤204，将所述核心场效应晶体管101的第二漏端电阻103的第一端电连接到所述核心场效应晶体管101的第一漏端电阻106的第二端，并且将第二漏端电阻103的第二端作为高压晶体管集电极；
步骤205，建立核心双极晶体管102的基极电阻105模型，根据核心双极晶体管发射极电阻104所加的电压和核心双极晶体管发射极电阻104的电阻值控制核心双极晶体管102的基极电阻105的电阻值；
步骤206，建立高压晶体管发射极电阻108的模型，根据高压晶体管集电极偏压控制电阻值描述晶体管的自热效应；
步骤207，将高压晶体管发射极电阻108的第一端电连接到核心场效应晶体管101的源极，将高压晶体管发射极电阻108的第二端作为所述高压晶体管的发射极。
优选地，用核心场效应晶体管的第二漏端电阻103表示所述高压晶体管的阳极短路结构特征；
优选地，用核心双极晶体管的发射极电阻104两端的电压和该电阻的电阻值来控制第二漏端电阻103的阻值，进而表示出在所述高压晶体管正常工作时漂移区MOS电路路径的电导调制作用；
优选地，用核心双极晶体管发射极电阻104两端的电压和电阻值来控制基极电阻105阻值，进而表示出在所述高压晶体管正常工作时漂移区PNP电流路径的电导调制作用。
优选地，高压晶体管发射极电阻108的电阻值是高压晶体管集电极偏压的函数，设置一个阈值，当函数值低于所述阈值时，高压晶体管发射极电阻108选择所述阈值作为电阻值，否则选择函数值作为电阻值，进而仿真出高压晶体管在小的集电极偏压时没有自热效应，而在大的集电极偏压时具有较强烈的自热效应的特性。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种适用于阳极短路绝缘栅双极晶体管的特性的仿真模型和建模方法，此仿真模型采用修正的电阻值与受控电压、电阻、温度、器件宽度和元胞数之间的关系来修正模型外接压控电阻的阻值，提高了器件模型精度，更加准确地反映器件的寄生效应，同时所采用的电阻数学表达式收敛性好，计算速度快，从MOS工作状态到IGBT工作状态仿真具有很高的精确度。
附图说明
图1示出了传统的绝缘栅双极晶体管器件仿真模型等效电路图。
图2a示出了根据本发明一个实施例的具有阳极短路结构的横向绝缘栅双极晶体管结构图。
图2b示出了根据本发明一个实施例的阳极短路绝缘栅双极晶体管器件等效电路模型电路图。
图3示出了本发明一个实施例的阳极短路绝缘栅双极晶体管器件仿真模型的建模方法的流程图。
图4示出了根据本发明实施例的、采用阳极短路绝缘栅双极晶体管器件仿真模型对示例Vge＝0.1V时的阳极短路结构的横向绝缘栅双极晶体管进行的转移特性拟合曲线。
图5a-5d示出了根据本发明实施例的、采用阳极短路绝缘栅双极晶体管器件仿真模型对示例阳极短路结构的横向绝缘栅双极晶体管进行的在温度为-40C°、25C°、125C°、150C°情况下的器件输出特性拟合曲线。
附图标记说明
10-多晶硅，11-场氧，12-集电极金属，13-P+区，14-N+区；
15-N-Buffer层，16-N型基区，17-埋氧层，18-P型衬底，19-P型基区，20-发射极金属,21-栅氧；
100-等效电路，101-核心场效应晶体管，102-核心双极晶体管，103-第二漏端电阻，104-核心双极晶体管发射极电阻，105-基极电阻，106-第一漏端电阻，107-集电极电阻，108-高压晶体管发射极电阻。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
为了更加彻底理解发明将在下列描述中进行详细的解释，本文中对于器件集电极偏压大小的区分加以说明区分。在本文中的第一、第二仅仅是为了更好的区分并无任何顺序含义。GP模型是指葛谋-潘模型。本发明所述的阳极短路绝缘栅双极晶体管仿真模型及建模方法，适用于Hspice仿真、Spectre仿真等，其等效电路100如图2b所示，实施例的横向阳极短路绝缘栅双极晶体管的结构如图2a所示。图2b是在传统BSIM4模型和GP模型的基础上增加表征SA-IGBT器件一些特殊结构特性的元件构成，传统的BSIM4模型和GP模型与外加元件的连接关系如下：
核心场效应晶体管101，其电流电压特性采用BSIM4模型的参数进行拟合；核心双极晶体管102，其电流电压特性采用葛谋-潘(GP)模型的参数进行拟合；核心场效应晶体管的第一漏端电阻106，该电阻第一端连接到核心场效应管的漏极并且第二端连接到节点dx即与核心场效应晶体管第二漏端电阻103的第一端相连。核心场效应晶体管的第二漏端电阻103的第一端连接到节点dx也就是核心场效应晶体管的第一漏端电阻106的第二端，并且第二漏端电阻103的第二端用作高压晶体管的集电极；以及核心双极晶体管发射极电阻104，核心双极晶体管发射极电阻的第一端连接到核心双极晶体管102的发射极，核心双极晶体管发射极电阻104的第二端连接到第二漏端电阻103的第二端作为高压晶体管的集电极；核心场效应晶体管基极电阻105的第一端连接到节点dx，核心场效应晶体管基极电阻105的第二端连接到核心双极晶体管102的基极。核心双极晶体管的集电极电阻107的第一端连接到核心双极晶体管102的集电极，核心双极晶体管的集电极电阻107的第二端连接到核心场效应晶体管101的源极。高压晶体管发射极电阻108的第一端连接到核心场效应管101的源极，高压晶体管发射极电阻108的第二端用作高压晶体管的发射极。
所述第一漏端电阻106为核心场效应管漏端寄生串联电阻。所述第二漏端电阻103和核心双极晶体管基极电阻105均采用电压控制电阻阻值的形式。所述第二漏端电阻103可以用来仿真在器件较小集电极偏压时器件工作在MOS状态下电流流经器件漂移区和核心场效应晶体管时的电阻，同时也可以仿真器件在集电极偏压从小偏压到大偏压过程中漂移区电子注入过程中的MOS电流路径电阻变化。所述核心双极晶体管基极电阻105可以用来仿真在器件较小集电极偏压时双极晶体管的基极电阻，同时也可以仿真器件较大集电极偏压时核心双极晶体管的基区发生大注入效应的特性，此外该电阻还用来仿真器件从MOS工作状态过渡到IGB T工作状态。第二漏端电阻103和核心双极晶体管基极电阻105均是压控电阻，但是二者所体现的作用和表征的特性不同。所述高压晶体管发射极电阻108用来仿真器件在较大功率密度情况下发热量增大而导致器件的参数退化效应-自热效应。所述第二漏端电阻103的电阻值与加在所述核心双极晶体管发射极电阻104上的电压、核心双极晶体管发射极电阻104的阻值、温度和所述高压晶体管的宽度和元胞数目之间的关系是：
Rd＝((rd0-rd0*2/π*arctan(Vrc0/(k1_ref*rc0)))*(1+rd1_tem*ΔT+rd2_tem*ΔT2+rd3_tem*ΔT3))/W/multi
所述基极电阻105的电阻值与加在所述核心双极晶体管发射极电阻104上的电压、核心双极晶体管发射极电阻104的阻值、温度和所述高压晶体管的宽度和元胞数目之间的关系是：
Rb＝(r0-r0*2/π*arctan(Vrc0/(k2_ref*rc0)))*Rb0_temp_eff/W/multi，Rb0_temp_eff＝1+rb1_tem*ΔT+rb2_tem*ΔT2+rb3_tem*ΔT3
所述高压晶体管发射极电阻108的电阻值与加在所述高压晶体管集电极与高压晶体管发射极之间的电压、温度和所述高压晶体管的宽度和元胞数目之间的关系是：
Re＝(max(rconst,(rs1+abs(Vce*(rs2*nf)))*(1+rsh1_tem*ΔT+rsh2_tem*ΔT2+rsh3_tem*ΔT3))/W/multi
rd0是电压为零时的第二漏端电阻103电阻值,Vrc0是指加在核心双极晶体管发射极电阻104上的电压的绝对值k1_ref是分母中的拟合参数，rc0是核心双极晶体管发射极电阻104上电压为零时的电阻值，rd1_tem、rd2_tem、rd3_tem分别是第二漏端电阻103的一阶、二阶、三阶指数项的温度系数，
r0是电压为零时的基极电阻105阻值，k2_ref是分母中的拟合参数，rb1_tem、rb2_te m、rb3_tem分别是基极电阻105的一阶、二阶、三阶指数项的温度系数，
rconst是所述高压晶体管的集电极与发射极之间的压差较小时候的固定电阻，rs1是所述高压晶体管集电极与高压晶体管发射极之间的压差较大时候的固定电阻，Vce是所述高压晶体管集电极与高压晶体管发射极之间的电压差的绝对值，rs2是当所述高压晶体管集电极与高压晶体管发射极之间的压差较大时候的一次项电压系数，nf是一次项电压拟合参数，rsh1_tem、rsh2_tem、rsh3_tem分别是所述高压晶体管发射极电阻108的一阶、二阶、三阶指数项的温度系数；
T是系统温度，W是高压晶体管的宽度，multi是高压晶体管的元胞数目。
本发明的第二漏端电阻103和核心双极晶体管的基极电阻105采用电压控制其电阻值的形式。有助于更加精确的反映器件工作时的物理机理和特性。接下来我们分别进行举例说明。所述第二漏端电阻103的电阻值与所述核心双极晶体管发射极电阻104上的电压、核心双极晶体管发射极电阻104的阻值、温度和所述高压晶体管的宽度和元胞数目以及之间的关系式中，第二漏端电阻103的阻值与加在核心双极晶体管发射极电阻104的电压和电阻有函数关系。在关系式
Rd＝((rd0-rd0*2/π*arctan(Vrc0/(k1_ref*rc0)))*(1+rd1_tem*ΔT+rd2_tem*ΔT2+rd3_tem*ΔT3))/W/multi中我们可以清楚地看到“Vrc0/(k1_ref*rc0))”这一项，其中“Vrc0”表示核心双极晶体管发射极电阻104上的电压，k1_ref是拟合参数，rc0表示核心双极晶体管发射极电阻的阻值。用该电阻上的电压除以该电阻的阻值便是该电阻上流过的电流，所以，实质上是用核心晶体管发射极电流来控制第二漏端电阻103和核心双极晶体管的基极电阻105。同时，采用了arctan函数将rd0和上述核心三极管发射极电阻上流过的电流相关联。由于在表达式中引入arctan函数，所以电阻的阻值会随着核心双极晶体管发射极电阻104上电压的增大即电流的增加电阻减小，同时无限的逼近某一个值，所以可以用来拟合当高压晶体管集电极偏压较小时，核心双极晶体管的发射结没有开启，所以电流很小，这时电流主要通过阳极短路结构流经漂移区通过核心场效应管流出，此时就是高压晶体管工作在MOS状态，但随着高压晶体管集电极偏增加，核心双极晶体管发射极电流增大，大量载流子注入漂移区，漂移区开始电导调制，这就会导致漂移区电阻减小，因此漂移区电阻会随着核心晶体管发射结电流增加而减小无限逼近某一值，所以上述关系式可以很好的模拟器件工作在MOS的情况。同理可得，所述基极电阻105的电阻值与加在所述核心双极晶体管发射极电阻104上的电压、核心双极晶体管发射极电阻104阻值、温度和所述高压晶体管的宽度和元胞数目之间的关系中，基极电阻105与核心双极晶体管发射极电阻104上的电压和电阻具有函数关系式，并且，该函数关系式和上述第二漏端电阻的表达式相同，这是由于在第二漏端电阻中所述漂移区亦是核心双极晶体管的基区，所以当基区发生大注入时两者应当具有相同的变化规律，不同的是，在双极晶体管基极电阻的关系式中用arctan函数将偏压为0V时双极晶体管基极电阻r0与双极晶体管发射极电阻的电流相关联，可以用来拟合当器件从MOS状态切换到IGBT工作状态过程中，基极电阻的阻值随核心双极晶体管发射极载流子注入增加，阻值减小并逐渐趋近某一值的特性。我们可以发现，核心双极晶体管发射结注入基区的电流是通过核心场效应管的沟道电子电流控制，而且电子电流的流出是通过阳极短路结构流出，并非通过核心双极晶体管的发射结流出，这就是与常规IGBT不同之处，也就是说，在阳极短路结构的绝缘栅双极晶体管中核心场效应管的电子电流和核心双极晶体管空穴电流是不同的流经路径，这就是为什么在上述第二漏端电阻和核心双极晶体管基极电阻中加入拟合参数k1_ref和k2_ref的关键原因。通过这两个调节关键参数和各自的rd0、r0就可以单独控制第二漏端电阻103和核心双极晶体管和基极电阻105的阻值，进而实现MOS和IGBT工作状态的过渡。
本发明的发射极电阻(108)的电阻是为了仿真高压晶体管在较大集电极偏压情况下器件由于较大功率密度导致热量积累而导致的器件性能退化现象-自热效应。高压晶体管发射极电阻108的电阻的关系式中，巧妙地将小集电极偏压和大集电极偏压时的情况分开，在小的集电极偏压下，器件功率密度小自热效应较小，所以发射极电阻表达式的值就是前面提到的阈值是一个定值。Max函数的第二项式子是与集电极偏压有关的函数关系式，当集电极偏压较大时，第二项式子明显大于max函数的第一项固定值，因此电阻阻值就等于max函数第二项的值，在大的集电极偏压下，高压晶体管发射极电阻108阻值增大，由于负反馈作用就导致饱和区电流下降，但不会影响集电极小偏压情况下的特性，所以就能仿真好器件在大功率密度情况下的自热效应。
在上述第二漏端电阻103、核心晶体管的基极电阻105、高压晶体管发射极电阻108中均加入了至少三阶指数项的温度系数，在使用过程中可根据实际需要删除或添加，这是因为电阻在一定温度范围内是线性变化，但当超过范围以后电阻增加或减少量就会趋于饱和，因此高阶次数项系数是为了拟合好如-40C°、125C°、150C°等这些极限温度情况下电阻与温度的变化关系。
作为优选，核心场效应晶体管的第二漏端电阻103是所述高压晶体管的元胞数目、宽度的函数。
作为优选，核心场效应晶体管的第二漏端电阻103是所述核心双极晶体管发射极电阻104上的电压的函数。
作为优选，核心场效应晶体管的第二漏端电阻103是所述核心双极晶体管发射极电阻104阻值的函数。
作为优选，核心双极晶体管的基极电阻105是所述高压晶体管的元胞数目、宽度的函数。
作为优选，核心双极晶体管的基极电阻105是所述核心双极晶体管发射极电阻104上的电压的函数。
作为优选，核心双极晶体管的基极电阻105是所述核心双极晶体管发射极电阻104阻值的函数。
作为优选，高压晶体管发射极电阻108是所述高压晶体管集电极偏压的函数。
作为优选，本发明还提供了一种高压阳极短路横向绝缘栅双极晶体管(SA-LIGBT)的仿真模型的建模方法如图3所示，接下来将结合图2b和图3进行解释：
本技术领域人员应当理解，该建模方法可以根据需要进行顺序调换、增加、删除、替换等。
在步骤201，建立核心场效应晶体管101模型；在步骤202，建立核心双极晶体管102模型；在步骤203，建立核心场效应管第二漏端电阻103模型，采用核心双极晶体管的发射极电阻104上所加的电压和该电阻的电阻值控制第二漏端电阻103阻值；在步骤204，将所述核心场效应管第二漏端电阻第一端电连接到所述核心场效应晶体管的第一漏端电阻106第二端，并且将第二漏端电阻第二端作为高压晶体管的集电极；在步骤205，核心双极晶体管基极电阻105模型的建立，采用核心双极晶体管的发射极电阻104所加的电压和该电阻的电阻值控制核心双极晶体管的基极电阻；在步骤206，高压晶体管发射极电阻108模型的建立，采用集电极偏压控制电阻值进而描述晶体管的自热效应；在步骤207，将所述发射极电阻的第一端电连接到核心场效应晶体管的源极和核心双极晶体管的集电极并且第二端作为所述高压晶体管的发射极。
在上面关于高压晶体管的仿真模型的实施描述中，已经描述了器件的仿真模型和建模方法所涉及的元件，本技术领域人员可以参考图2a、图2b、和图3并结合上述面熟就能够理解其结构和运行方式。
以下是根据本发明一个实施例的、按照本发明所提供的建模方法所创建的示例仿真模型实例：
.subckt ligbt c g e3 w＝420 l＝3.2E-6 multi＝1
.param
+r0＝624.4
+k1＝0.41 k2＝1.00024E-2
+rc0＝0.016 rd0＝0.191701 ric0＝0.001
+re0＝0.01 rs1＝0.0
+rs2＝4E-3 nf＝0.120375 rconst＝4.031E-7
+rb1_tem_fir＝0 rb2_tem_sec＝3.366421E-6 rb3_tem_thr＝0
+rd1_tem_fir＝4.42781E-3 rd2_tem_sec＝3E-6 rd3_tem_thr＝1.4E-
+rsh1_tem_fir＝1.715978E-4 rsh2_tem_sec＝2.134216E-6 rsh3_tem_thr＝0
+nf1_tem_fir_intri＝1.694429E-3nf2_tem_sec_intri＝2.325691E-7
nf3_tem_sec_intri＝0
.param
+dtemper＝′temper-25′
+Rb0_temp_eff＝′1+rb1_tem_fir*dtemper+rb2_tem_sec*dtemper*dtemper+rb3_tem_thr*dtemper*dtemper*dtemper′
rd c d r＝′((rd0-rd0*2/π*atan(v(c,e1)/(k1_ref*rc0)))*(1+rd1_tem_fir*dtemper+rd2_tem_sec*dtemper*dtemper+rd3_tem_thr*dtemper*dtemper*dtemper))/w/multi′
rbb b1 d r＝′(r0-r0*2/π*atan(v(c,e1)/(k2_ref*rc0)))*Rb0_temp_eff/w/multi′
rxd d dx r＝′ric0/w/multi′
m1 dx g e e msub w＝w l＝l m＝multi
rsh e3 e r＝′(max(rconst,(rs1+abs(v(c,e))*(rs2*nf)))*(1+rsh1_tem_fir*dtemper+rsh2_tem_sec*dtemper*dtemper+rsh3_tem_thr*dtemper*dtemper*dtemper))/w/multi′
ric c e1 r＝′rc0/w/multi′
q1 c1 b1 e1 pnp1 area＝1m＝multi
re c1 e r＝′re0/w/multi′
.model msub nmos
*****Flag Parameter***
+level＝54 version＝4.5 binunit＝2
+paramchk＝1 mobmod＝0 capmod＝2
+rdsmod＝1 igcmod＝0 igbmod＝0
+rbodymod＝0 trnqsmod＝0 acnqsmod＝0
+…………………………………………………………
.model pnp1 pnp
*****Flag Parameter***
+level＝1 tlev＝0 tlevc＝1
+tref＝25 subs＝1
*****DC Model Parameter***
+is＝5.389146E-17 bf＝113.660057
nf＝′1.839343*(1+nf1_tem_fir_intri*dtemper+nf2_tem_sec_intri*dtemper*dtemper)′
+vaf＝43.457256 ikf＝6.589221E-4 nkf＝0.190152
+ise＝0 ne＝0.971363 br＝0.2552
+…………………………………………………………
.model Pd2 d
*****Flag Parameter***
+level＝1
*****DC Model Parameter***
+ibv＝1E-3 ik＝0 ikr＝0.554826
+is＝1E-22 jsw＝0 n＝1.071781
+………………………………………………………
+………………………………………………………
.ends ligbt
在上述仿真模型实例中各参数的意义如下：
W：表示高压晶体管的宽度；l：表示核心晶体管的沟道长度；multi：表示高压晶体管的源胞数；rd：表示第二漏端电阻103；rbb：表示核心双极晶体管的基极电阻105；rxd：表示所述第一漏端电阻106；m1：表示核心场效应晶体管101；rsh：表示高压晶体管发射极电阻108；ric：表示核心双极晶体管发射极电阻104；q1：表示核心双极晶体管102；re：表示核心双极晶体管集电极电阻107；
r0：电压为0时的核心双极晶体管基极电阻值；k2_ref核心双极晶体管基极电阻拟合因子；k1_ref：第二漏端电阻拟合因子；rc0：电压为零时的核心双晶体管发射极电阻电阻值；
rd0：电压为零时的第二漏端电阻电阻值；ric0：电压为零时的第一漏端电阻电阻值；re0：电压为零时的核心双极晶体管集电极电阻；rs1：发射极电阻的电压零次项电阻系数；rs2：发射极电阻的电压一次项电阻系数；nf：电压一次项拟合因子；rconst：较小集电极偏压时的固定电阻；rb1_tem_fir、rb2_tem_sec、rb3_tem_thr分别是核心晶体管基极电阻的一阶、二阶、三阶指数项的温度系数
rd1_tem_fir、rd2_tem_sec、rd3_tem_thr分别是第二漏极电阻的一阶、二阶、三阶指数项的温度系数
rsh1_tem_fir、rsh2_tem_sec、rsh3_tem_thr分别是第发射极电阻的一阶、二阶、三阶指数项的温度系数
nf1_tem_fir_intri、nf2_tem_sec_intri、nf3_tem_sec_intri分别发射极正向注入效率的一阶、二阶、三阶指数项的温度系数。
.subckt：表示子电路；
ligbt：表示子电路的名称是ligbt；c：子电路的节点也是器件的集电极；g：子电路节点-器件基极；e3：子电路节点-器件发射极；.model msub nmos：表示核心场效应管模型的类型和名字，核心双极晶体管模型同理。
通过将上述仿真模型用于电路中设置晶体管发射极接地，集电极固定0.1V，高压晶体管栅极电压从0-15V递增，然后分别设置电路运行温度为-40C°、25C°、125C°、150C°。就可以得到如图4所示的转移特性曲线图，图中实线是模型仿真结果，圆点是实施例结构的实际测试数据，我们可以发现模型在各温度情况下拟合效果很好。模型具有很高的精度。
通过将模型的栅极固定偏压为9V、12V、15V，发射极接地，集电极电压从0-20V递增，并分别设置电路运行温度为-40C°、25C°、125C°、150C°，就可以得到如图5a-5d所示的输出特性拟合曲线。其中实线是模型仿真数据，圆点是实施例结构的实际测试数据，从图示结果可以看出本发明在各个温度情况下拟合效果很好。模型具有很高的精度。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种阳极短路横向绝缘栅双极晶体管等效电路，其特征在于，包括：核心场效应晶体管（101）、核心双极晶体管（102）、第一漏端电阻（106）、第二漏端电阻（103）、核心双极晶体管发射极电阻（104）、核心双极晶体管基极电阻（105）、核心双极晶体管集电极电阻（107）和高压晶体管发射极电阻（108）；
核心场效应晶体管（101）的电流电压特性采用BSIM4模型的参数进行拟合；
核心双极晶体管（102）的电流电压特性采用葛谋-潘（GP）模型的参数进行拟合；
所述核心场效应晶体管（101）的第一漏端电阻（106）的第一端连接到核心场效应晶体管（101）的漏极，所述第一漏端电阻（106）的第二端与核心场效应晶体管（101）的第二漏端电阻（103）串联；
核心场效应晶体管（101）的第二漏端电阻（103）的第一端与所述核心场效应晶体管（101）的第一漏端电阻（106）的第二端相连，所述第二漏端电阻（103）的第二端作为高压晶体管的集电极；
所述核心双极晶体管发射极电阻（104）的第一端连接到核心双极晶体管（102）的发射极，所述核心双极晶体管发射极电阻（104）的第二端连接到第二漏端电阻（103）的第二端作为高压晶体管的集电极；
所述基极电阻（105）的第一端连接到所述第一漏端电阻（106）和所述第二漏端电阻（103）的连接处，所述基极电阻（105）的第二端连接到核心双极晶体管（102）的基极；
所述集电极电阻（107）的第一端连接到核心双极晶体管（102）的集电极，所述集电极电阻（107）的第二端连接到核心场效应晶体管（101）的源极；
所述高压晶体管发射极电阻（108）的第一端连接到核心场效应晶体管（101）的源极，所述高压晶体管发射极电阻（108）的第二端用作高压晶体管发射极。
2.根据权利要求1所述的阳极短路横向绝缘栅双极晶体管等效电路，其特征在于，所述第二漏端电阻（103）的电阻值与加在所述核心双极晶体管发射极电阻（104）上的电压、核心双极晶体管发射极电阻（104）的阻值、温度和所述高压晶体管的宽度和元胞数目之间的关系是：
R d=((rd0-rd0*2/π*arctan(Vrc0/(k1_ref *rc0)))*(1+rd1_tem*∆T+rd2_tem*∆T 2+rd3_tem*∆T 3))/W/multi；
rd0是电压为零时的第二漏端电阻（103）电阻值,Vrc0是指加在核心双极晶体管发射极电阻（104）上的电压的绝对值，k1_ref是分母中的拟合参数，rc0是核心双极晶体管发射极电阻（104）上电压为零时的电阻值，rd1_tem、rd2_tem、rd3_tem分别是第二漏端电阻（103）的一阶、二阶、三阶指数项的温度系数；T是系统温度，W是高压晶体管的宽度，multi是高压晶体管的元胞数目。
3.根据权利要求1所述的阳极短路横向绝缘栅双极晶体管等效电路，其特征在于，所述基极电阻(105)的电阻值与加在所述核心双极晶体管发射极电阻（104）上的电压、所述核心双极晶体管发射极电阻（104）阻值、温度和所述高压晶体管的宽度和元胞数目之间的关系是：
R b=(r0-r0*2/π*arctan(Vrc0/(k2_ref *rc0)))*Rb0_temp_eff/W/multi，Rb0_temp_ eff =1+rb1_tem*∆T +rb2_tem*∆T 2+rb3_tem*∆T 3；
r0是电压为零时的基极电阻（105）阻值，k2_ref是分母中的拟合参数，rc0是核心双极晶体管发射极电阻（104）上电压为零时的电阻值，rb1_tem、rb2_tem、rb3_tem分别是基极电阻（105）的一阶、二阶、三阶指数项的温度系数，T是系统温度，W是高压晶体管的宽度，multi是高压晶体管的元胞数目。
4.根据权利要求1所述的阳极短路横向绝缘栅双极晶体管等效电路，其特征在于，所述高压晶体管发射极电阻（108）的电阻值与加在所述高压晶体管集电极与所述高压晶体管发射极之间的电压、高压晶体管温度和所述高压晶体管的宽度和元胞数目之间的关系是：
R e=(max(rconst,(rs1+abs(V ce*(rs2*nf)))*(1+rsh1_tem*∆T+rsh2_tem*∆T 2+rsh3_ tem*∆T 3 ))/W/multi；
rconst是所述高压晶体管的集电极与发射极之间的压差较小时候的固定电阻，rs1是所述高压晶体管的集电极与高压晶体管发射极之间的压差较大时候的固定电阻，V ce是所述高压晶体管集电极与高压晶体管发射极之间的电压差的绝对值，rs2是当所述高压晶体管集电极与高压晶体管发射极之间的压差较大时候的一次项电压系数，nf是一次项电压拟合参数，rsh1_tem、rsh2_tem、rsh3_tem分别是所述高压晶体管发射极电阻（108）的一阶、二阶、三阶指数项的温度系数；T是系统温度，W是高压晶体管的宽度，multi是高压晶体管的元胞数目。
5.根据权利要求1所述的阳极短路横向绝缘栅双极晶体管等效电路，其特征在于，核心场效应晶体管（101）的第二漏端电阻（103）的电阻值是所述高压晶体管的元胞数目、宽度的函数；
和/或所述核心场效应晶体管（101）的第二漏端电阻（103）的电阻值是所述核心双极晶体管发射极电阻（104）上的电压的函数；
和/或所述核心场效应晶体管（101）的第二漏端电阻（103）的电阻值是所述核心双极晶体管发射极电阻（104）阻值的函数。
6.根据权利要求1所述的阳极短路横向绝缘栅双极晶体管等效电路，其特征在于，所述核心双极晶体管（102）的基极电阻（105）是所述高压晶体管的元胞数目、宽度的函数；
和/或所述核心双极晶体管（102）的基极电阻（105）是所述核心双极晶体管发射极电阻（104）的电压的函数；
和/或所述核心双极晶体管（102）的基极电阻（105）是所述核心双极晶体管发射极电阻（104）阻值的函数。
7.根据权利要求1所述的阳极短路横向绝缘栅双极晶体管等效电路，其特征在于，高压晶体管发射极电阻（108）是所述高压晶体管集电极偏压的函数。
8.一种阳极短路横向绝缘栅双极晶体管等效电路仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤201，建立核心场效应晶体管（101）模型；
步骤202，建立核心双极晶体管（102）模型；
步骤203，建立核心场效应晶体管（101）的第二漏端电阻（103）模型，根据核心双极晶体管发射极电阻（104）上所加的电压值和核心双极晶体管发射极电阻（104）的电阻值控制第二漏端电阻（103）的电阻值；
步骤204，将所述核心场效应晶体管（101）的第二漏端电阻（103）的第一端电连接到所述核心场效应晶体管（101）的第一漏端电阻（106）的第二端，并且将第二漏端电阻（103）的第二端作为高压晶体管集电极；
步骤205，建立核心双极晶体管（102）的基极电阻（105）模型，根据核心双极晶体管发射极电阻（104）所加的电压和核心双极晶体管发射极电阻（104）的电阻值控制核心双极晶体管（102）的基极电阻（105）的电阻值；
步骤206，建立高压晶体管发射极电阻（108）的模型，根据高压晶体管集电极偏压控制电阻值，来描述晶体管的自热效应；
步骤207，将高压晶体管发射极电阻（108）的第一端电连接到核心场效应晶体管（101）的源极，将高压晶体管发射极电阻（108）的第二端作为所述高压晶体管的发射极 。
9.根据权利要求8所述的阳极短路横向绝缘栅双极晶体管等效电路仿真方法，其特征在于，用核心场效应晶体管的第二漏端电阻（103）表示所述高压晶体管的阳极短路结构特征；
和/或用核心双极晶体管的发射极电阻（104）两端的电压和该电阻的电阻值来控制第二漏端电阻（103）的阻值，进而表示出在所述高压晶体管正常工作时漂移区MOS电路路径的电导调制作用；
和/或用核心双极晶体管发射极电阻（104）两端的电压和电阻值来控制基极电阻（105）阻值，进而表示出在所述高压晶体管正常工作时漂移区PNP电流路径的电导调制作用。
10.根据权利要求8所述的阳极短路横向绝缘栅双极晶体管等效电路仿真方法，其特征在于，高压晶体管发射极电阻（108）的电阻值是高压晶体管集电极偏压的函数，并设置一个阈值，当函数值低于所述阈值时，高压晶体管发射极电阻（108）选择所述阈值作为电阻值，否则选择函数值作为电阻值，进而仿真出高压晶体管在小的集电极偏压时没有自热效应，而在大的集电极偏压时具有较强烈的自热效应的特性。
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|---|---|
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