专利名称：双极型晶体管参数提取方法及其等效电路的制作方法
技术领域：
本发明属于微电子技术领域，更进一步涉及半导体器件技术领域中的双极型晶体管的参数提取方法及其等效电路。该方法可用于提取双极型晶体管的参数，由该方法建立的双极性晶体管等效电路可以用来搭建电路，对实际电路进行仿真。
背景技术：
目前，在半导体器件领域中，常用的双极型晶体管参数提取方法有两种一种是通过双极型晶体管的尺寸、结构进行参数提取，另一种是通过双极型晶体管的直流和交流测试进行参数提取。常用的双极型晶体管等效电路为GP等效电路和VBIC等效电路。上海华虹NEC电子有限公司在其专利申请文件“双极型晶体管SPICE模型的建模方法”(公开号 CN 101201850A,申请号 200610119395. 2，申请日 2006. 12. 11)中公开了一种双极型晶体管参数提取方法及其等效电路。该方法是以一种尺寸的双极型晶体管参数作为初始参数，以这组参数为基础，确定其他尺寸的双极型晶体管参数。该方法存在的不足是仅能提取双极型晶体管的直流参数和低频参数，基于该方法建立的双极型晶体管等效电路也仅能反映双极型晶体管的直流和低频特性。Jianjun Gao, Jiali Cheng等人在文献"An improved Nonlinear Model for InP/ InGaAs HBTs"(CJMW, 201 IChina-Japan Joint,pagel, April 2011)公开了一种双极型晶体管参数提取方法及其等效电路。该方法是通过双极型晶体管的直流和交流测试进行参数提取。该方法存在的不足是仅能拟合好双极型晶体管一个工作点的等效电路参数，基于该方法建立的双极型晶体管等效电路也仅能反映双极型晶体管一个工作点的器件特性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种双极型晶体管参数提取方法及其等效电路，可以使双极型晶体管等效电路更好反映实际器件的电学特性。本发明的具体思路是将双极型晶体管发射极接地，基极和集电极短路，在基极加电压，测基极和集电极电流，完成双极型晶体管正向葛潘曲线的测试。将双极型晶体管集电极接地，基极和发射极短路，在基极加电压，测基极和发射极电流，完成双极型晶体管反向葛潘曲线的测试。将双极型晶体管发射极接地，集电极开路，在基极加电流，测集电极电压， 完成晶体管集电极开路测试。将双极型晶体管集电极接地，发射极开路，在基极加电流，测发射极电压，完成双极型晶体管发射极开路测试。将双极型晶体管等效为一个二端口网络， 其发射极接地，基极作为输入端口，集电极作为输出端口，用网络分析仪测试输入和输出端口的入射波和反射波，完成晶体管的S参数测试。本发明双极型晶体管参数提取方法的具体步骤如下(1)直流测试用半导体分析仪对双极型晶体管进行直流测试，得到共射电流输出曲线和正反向葛潘曲线数据；
(2)集电极和发射极开路测试用半导体分析仪对双极型晶体管进行集电极开路和发射极开路测试，得到集电极开路和发射极开路测试数据；(3)开路短路测试3a)用网络分析仪对双极型晶体管开路结构进行S参数测试，得到开路结构的S参数数据；3b)用网络分析仪对双极型晶体管短路结构进行S参数测试，得到短路结构的S参数数据；S参数测试4a)用网络分析仪对双极型晶体管进行一定电压范围内的结电容S参数测试，得到结电容的S参数测试数据；4b)用网络分析仪对双极型晶体管进行一组工作点的S参数测试，得到一组工作点的S参数测试数据；(5)提取电流参数将步骤(1)中得到的正反向葛潘曲线数据导入ADS软件中，用ADS软件中的参数调节功能调节电流参数，拟合正反向葛潘曲线，得到双极型晶体管的电流参数；(6)提取电阻参数6a)将步骤( 得到的集电极开路测试数据导入origin软件中，用origin软件的曲线拟合功能拟合基极电流和集电极电压关系曲线，得到发射极电阻参数；6b)将步骤( 得到的发射极开路测试数据导入origin软件中，用origin软件的曲线拟合功能拟合基极电流和发射极电压关系曲线，得到集电极电阻参数；(7)提取焊盘寄生参数7a)将步骤(3)的双极型晶体管开路和短路结构的S参数测试数据导入ADS软件中，用ADS软件中的参数转换功能将S参数转成Y参数，再将Y参数转成Z参数，画出双极型晶体管的开路和短路结构的拓扑图，得到Y参数和Z参数与拓扑结构的中的电阻、电感、 电容关系数据；7b)将步骤7a)中获得的关系数据导入origin软件中，用origin软件的绘图功能将数据转为曲线，再用origin软件中的曲线拟合功能拟合该曲线，得到步骤7a)中拓扑结构的电阻、电感和电容参数；(8)去嵌入处理8a)将步骤(3)中获得的双极型晶体管开路和短路结构S参数测试数据和步骤 4a)中获得的结电容S参数测试数据分别导入ADS软件中，用ADS软件的S参数处理功能对三组S参数进行处理，得到去嵌入后一定范围内的结电容S参数数据；8b)将步骤(3)中获得的双极型晶体管开路和短路结构S参数测试数据和步骤 4b)中获得的一组工作点的S参数测试数据分别导入ADS软件中，用ADS软件的S参数处理功能对三组S参数进行处理，得到去嵌入后的一组工作点的S参数数据；(9)提取电容参数将步骤8a)中去嵌入后的结电容S参数数据的低频部分导入ADS软件中，用ADS 软件中的参数转换功能将S参数数据转为结电容参数数据，用ADS软件中的参数调节功能调节结电容参数，拟合结电容电压关系曲线，得到发射结和集电结的结电容参数；(10)拟合传输时间函数将步骤8b)中去嵌入后一组工作点的S参数数据导入ADS软件中，用ADS软件中的参数转换功能将S参数数据转为传输时间函数数据，用ADS软件中的参数调节功能调节传输时间函数参数，拟合传输时间函数；(11)优化参数将步骤(1)中的双极型晶体管共射电流输出曲线数据和步骤8b)中双极型晶体管去嵌入后一组工作点的S参数数据导入ADS软件中，用ADS软件的曲线拟合功能进行曲线拟合，优化等效电路参数。依据本发明的方法所建立的晶体管等效电路包括三个电感、五个电容、六个电阻和本征模块BJT ；其中，本征模块BJT的B端、电阻R4、电阻Rl和电感Ll依次串联，本征模块BJT的 E端、电阻R5、电阻R2和电感L2依次串联，本征模块BJT的C端、电阻R6、电阻R3和电感 L3依次串联，电容C4连接节点4和节点6，电容C5连接节点4和节点5，电容Cl连接节点 1和节点2，电容C2连接节点2和节点3，电容C3连接节点1和节点3。本发明方法与现有技术相比具有以下优点第一，本发明采用对双极型晶体管进行一组工作点的S参数测试方法，克服了现有技术中仅能提取双极型晶体管一个工作点参数的问题，使得在提取双极型晶体管参数时可同时提取一组工作点参数，可用于建立适用于不同情况电路的双极型晶体管等效电路。第二，本发明采用对传输时间函数进行拟合的方法，克服了现有技术中仅能提取双极型晶体管直流参数和低频参数的问题，使得在提取双极型晶体管参数时可以提取高频参数，可用于建立适用于高频电路的双极型晶体管等效电路。第三，基于本发明方法建立的双极型晶体管等效电路，克服了现有技术中双极型晶体管等效电路仅能反映双极型晶体管一个工作点的器件特性的不足，使得双极型晶体管等效电路能反映双极型晶体管一组工作点的器件特性，可用于不同情况电路的仿真。第四，基于本发明方法建立的双极型晶体管等效电路，克服了现有技术中双极型晶体管等效电路仅能反映双极型晶体管的直流和低频特性的不足，使得双极型晶体管等效电路更准确的反映双极型晶体管的高频特性，可用于高频电路仿真。
图1为本发明方法流程图；图2为本发明等效电路的原理图；图3为本发明等效电路本征模块BJT的电路原理图；图4为本发明等效电路的共射电流输出曲线拟合效果图；图5为本发明等效电路的四组S参数拟合效果图。
具体实施例方式下面结合附图1，对本发明的方法做进一步描述。步骤1.直流测试
la)用半导体分析仪测试双极型晶体管的共射电流输出曲线，测试方法为将双极型晶体管发射极接地，在基极加电流，范围是IOuA 50uA，步长10uA，在集电极加电压，范围是OV 5V，步长IV，测集电极的电流；lb)用半导体分析仪测试双极型晶体管的正向葛潘曲线，测试方法为将双极型晶体管的发射极接地，基极和集电极短路，在基极加电压，范围是0. 8V 1. 3V，测基极和集电极电流；Ic)用半导体分析仪测试双极型晶体管的反向葛潘曲线，测试方法为将双极型晶体管集电极接地，基极和发射极短路，在基极加电压，电压范围是0. 8V 1. 3V，测基极和发射极电流。步骤2.集电极和发射极开路测试2a)用半导体分析仪对双极型晶体管进行集电极开路测试，测试方法为将双极型晶体管发射极接地，集电极开路，在基极加电流，范围是OmA 15mA，步长1mA，测集电极电压；2b)用半导体分析仪对双极型晶体管进行发射极开路测试，测试方法为将双极型晶体管集电极接地，发射极开路，在基极加电流，电流范围是电流OmA 15mA，步长1mA，测发射极电压。步骤3.开路短路测试3a) S参数测试方法为，将双极型晶体管等效为一个二端口网络，其发射极接地，基极作为输入端口，集电极作为输出端口。用网络分析仪测试输入和输出端口的入射波和反射波，得到S参数测试数据；3b)将双极型晶体管从焊盘中央去除，将双极型晶体管的发射极焊盘接地，基极焊盘作为输入端口，将集电极焊盘作为输出端口，用网络分析仪对焊盘进行S参数测试，得到开路结构的不同频率点的S参数数据，频率范围是0. IGHz 40GHz ；3c)用短路结构替换焊盘中央的双极型晶体管，将双极型晶体管的发射极焊盘接地，将基极焊盘作为输入端口，将集电极焊盘作为输出端口，用网络分析仪对焊盘进行S参数测试，得到短路结构的不同频率点的S参数数据，频率范围是0. IGHz 40GHz。步骤4. S参数测试4a) S参数测试方法为，将双极型晶体管等效为一个二端口网络，其发射极接地，基极作为输入端口，集电极作为输出端口。用网络分析仪测试输入和输出端口的入射波和反射波，得到S参数测试数据；4b)发射结和集电结电容S参数测试，将双极型晶体管发射极接地，基极加电压， 电压范围是-3V IV，将基极作为输入端口，将集电极作为输出端口，用网络分析仪进行一定电压范围内结电容S参数测试，频率范围是0. IGHz 40GHz，得到一定电压范围内结电容 S参数测试数据；4c)将晶体管发射极接地，基极加电流，电流范围是OuA 50uA，步长10uA，集电极加电压，电压为3. 6V，将基极作为输入端口，将集电极作为输出端口，用网络分析仪进行一组工作点的S参数测试，频率范围是0. IGHz 40GHz，得到一组工作点的S参数测试数据。步骤5.提取电流参数将步骤1中的得到的葛潘曲线数据导入ADS软件中，用ADS软件中的参数调节功能调节电流参数，拟合葛潘曲线中的基极电流和集电极电流曲线，得到晶体管本征模块的电流参数值，在正向葛潘曲线的基极电流曲线中提取IBEN、NEN、IBEI、NEI，在正向葛潘曲线的集电极电流曲线中提取IS、NF，在反向葛潘曲线的基极电流曲线中提取IBCN、NCN、IBCI、 NCI，在反向葛潘曲线的集电极电流曲线中提取NR。步骤6.提取电阻参数6a)将步骤2得到的集电极开路测试数据导入origin软件中，用origin软件的曲线拟合功能拟合基极电流和集电极电压关系曲线，得到发射极电阻参数；6b)将步骤2得到的发射极开路测试数据导入origin软件中，用origin软件的曲线拟合功能拟合基极电流和发射极电压关系曲线，得到集电极电阻参数。步骤7.提取焊盘寄生参数7a)将步骤3中的双极型晶体管的开路和短路结构的S参数测试数据导入ADS软件中，ADS软件中的参数转换功能将S参数数据转成Y参数数据，再将Y参数数据转成Z参数数据，画出双极型晶体管的开路和短路的拓扑结构图，得到Y参数和Z参数与拓扑结构的中的电阻、电感、电容关系数据；7b)将步骤7a)获得的关系数据导入origin软件中，origin软件的绘图功能将数据转为曲线，origin软件中的曲线拟合功能拟合该曲线，得到步骤7a)中拓扑结构的电阻、 电感和电容参数。步骤8.去嵌入处理8a)将步骤3中获得的双极型晶体管的开路和短路结构的S参数测试数据和步骤 4b)中获得的S参数测试数分别据导入ADS软件中，ADS软件的S参数处理功能将三组S参数测试数据进行处理，得到去嵌入后一定电压范围内的结电容S参数数据；8b)将步骤3中获得的双极型晶体管的开路和短路结构的S参数测试数据和步骤 4c)中获得的S参数测试数据分别导入ADS软件中，ADS软件的S参数处理功能将三组S参数进行处理，得到去嵌入后一组工作点下的S参数数据。步骤9.提取电容参数将步骤8a)中的双极型晶体管电容S参数数据的低频部分导入ADS软件中，用ADS 软件中的参数转换功能将S参数转为电容参数，得到发射结和集电结的结电容与电压关系曲线；在低频200MHz的固定频率下，将发射极和集电极接地，改变基极电压，范围是-3 IV，测量双极性型晶体管的S参数，提取CJE、PE、ME、CBE0 ；在低频200MHz的固定频率下，将发射极和基极接地，改变集电极电压，范围是-1 3V，提取CJC、PC、MC、CBC0。步骤10.拟合传输时间函数将步骤8c)中双极型晶体管的S参数的测试结果导入ADS软件中，用ADS软件中的参数转换功能将S参数数据转为传输时间函数数据，通过S参数导出增益与频率的关系， 在ADS中进行曲线拟合得到TF、XTF、VTF、ITF0步骤11.参数优化将步骤1中的双极型晶体管共射电流输出特性和步骤8b)中双极型晶体管一组工作点的S参数数据导入ADS软件中，进行曲线拟合，优化等效电路参数。下面结合附图2和附图3，对本发明的等效电路做进一步描述。基于双极性晶体管参数提取方法建立的双极型晶体管等效电路，包括三个电感、五个电容、六个电阻和本征模块BJT ；其中，本征模块BJT的B端、电阻R4、电阻Rl和电感Ll 依次串联，晶体管本征模块BJT的E端、电阻R5、电阻R2和电感L2依次串联，本征模块BJT 的C端、电阻R6、电阻R3和电感L3依次串联，电容C4连接节点4和节点6，电容C5连接节点4和节点5，电容Cl连接在节点1和节点2，电容C2连接节点2和节点3，电容C3连接节点1和节点3 ；本征模块BJT包括两个电阻、三个电荷控件和三个电流控件；本征模块BJT有三个端口 B端口、C端口和E端口 ；在本征模块BJT的C端口和E端口之间依次串联电阻R8、电荷控件Q2和电荷控件Q3，电流控件Il的正端接在节点7上、负端接在电节点8上，电流控件12的正端接在节点7上、负端接在E端口，电流控件13的正端接在节点8上、负端接在 E端口，电阻R7接在B端口与节点7之间，电荷控件Ql接在C端口与节点7之间。下面结合附图4和附图5对本发明等效电路的拟合效果做进一步说明。本发明等效电路的共射电流输出曲线拟合效果如图4所示，其中，圆圈代表双极型晶体管测试的共射电流输出曲线；将本发明等效电路发射极接地，在基极加电流，范围是 IOuA 50uA，步长10uA，集电极加电压3. 6V，用ADS软件仿真得到等效电路的共射电流输出曲线；可以看到测试和仿真的曲线基本重合，说明本发明等效电路很好的反映了双极型晶体管的直流特性；本发明等效电路的四组S参数拟合效果图如图5所示，其中圆圈代表双极型晶体管一组工作点测试的S参数；将本发明等效电路的发射极接地，基极加电流，范围是IOuA 50uA,步长10uA，集电极加电压3. 6V，将基极作为输入端口，集电极作为输出端口，在ADS软件中，用S参数测试控件模拟网络分析仪，仿真得到本发明等效电路的一组工作点的S参数；可以看到测试和仿真的曲线基本重合，说明本发明等效电路很好的反映了双极型晶体管的交流特性。
权利要求
1. 一种双极型晶体管参数提取方法，其具体步骤如下(1)直流测试用半导体分析仪对双极型晶体管进行直流测试，得到共射电流输出曲线和正反向葛潘曲线数据；(2)集电极和发射极开路测试用半导体分析仪对双极型晶体管进行集电极开路和发射极开路测试，得到集电极开路和发射极开路测试数据；(3)开路短路测试3a)用网络分析仪对双极型晶体管开路结构进行S参数测试，得到开路结构的S参数数据；3b)用网络分析仪对双极型晶体管短路结构进行S参数测试，得到短路结构的S参数数据；S参数测试4a)用网络分析仪对双极型晶体管进行一定电压范围内的结电容S参数测试，得到结电容的S参数测试数据；4b)用网络分析仪对双极型晶体管进行一组工作点的S参数测试，得到一组工作点的S 参数测试数据；(5)提取电流参数将步骤(1)中得到的正反向葛潘曲线数据导入ADS软件中，用ADS软件中的参数调节功能调节电流参数，拟合正反向葛潘曲线，得到双极型晶体管的电流参数；(6)提取电阻参数6a)将步骤(2)得到的集电极开路测试数据导入origin软件中，用origin软件的曲线拟合功能拟合基极电流和集电极电压关系曲线，得到发射极电阻参数；6b)将步骤(2)得到的发射极开路测试数据导入origin软件中，用origin软件的曲线拟合功能拟合基极电流和发射极电压关系曲线，得到集电极电阻参数；(7)提取焊盘寄生参数7a)将步骤(3)的双极型晶体管开路和短路结构的S参数测试数据导入ADS软件中，用 ADS软件中的参数转换功能将S参数转成Y参数，再将Y参数转成Z参数，画出双极型晶体管的开路和短路结构的拓扑图，得到Y参数和Z参数与拓扑结构的中的电阻、电感、电容关系数据；7b)将步骤7a)中获得的关系数据导入origin软件中，用origin软件的绘图功能将数据转为曲线，再用origin软件中的曲线拟合功能拟合该曲线，得到步骤7a)中拓扑结构的电阻、电感和电容参数；(8)去嵌入处理8a)将步骤(3)中获得的双极型晶体管开路和短路结构S参数测试数据和步骤4a)中获得的结电容S参数测试数据分别导入ADS软件中，用ADS软件的S参数处理功能对三组 S参数进行处理，得到去嵌入后一定范围内的结电容S参数数据；8b)将步骤(3)中获得的双极型晶体管开路和短路结构S参数测试数据和步骤4b)中获得的一组工作点的S参数测试数据分别导入ADS软件中，用ADS软件的S参数处理功能对三组S参数进行处理，得到去嵌入后的一组工作点的S参数数据；(9)提取电容参数将步骤8a)中去嵌入后的结电容S参数数据的低频部分导入ADS软件中，用ADS软件中的参数转换功能将S参数数据转为结电容参数数据，用ADS软件中的参数调节功能调节结电容参数，拟合结电容电压关系曲线，得到发射结和集电结的结电容参数；(10)拟合传输时间函数将步骤8b)中去嵌入后一组工作点的S参数数据导入ADS软件中，用ADS软件中的参数转换功能将S参数数据转为传输时间函数数据，用ADS软件中的参数调节功能调节传输时间函数参数，拟合传输时间函数；(11)优化参数将步骤(1)中的双极型晶体管共射电流输出曲线数据和步骤8b)中双极型晶体管去嵌入后一组工作点的S参数数据导入ADS软件中，用ADS软件的曲线拟合功能进行曲线拟合， 优化等效电路参数。
2.根据权利要求1所述的双极型晶体管参数提取方法，其特征在于，步骤(1)中所述的直流测试方法是2a)所述的共射电流输出曲线的测试方法为将双极型晶体管发射极接地，在基极加电流，在集电极加电压，测集电极的电流，完成双极型晶体管共射电流输出曲线的测试；2b)所述的正向葛潘曲线的测试方法为将双极型晶体管发射极接地，基极和集电极短路，在基极加电压，测基极和集电极电流，完成双极型晶体管正向葛潘曲线的测试；2c)所述的反向葛潘曲线的测试方法为将双极型晶体管集电极接地，基极和发射极短路，在基极加电压，测基极和发射极电流，完成双极型晶体管反向葛潘曲线的测试。
3.根据权利要求1所述的双极型晶体管参数提取方法，其特征在于，步骤( 中所述的集电极开路和发射极开路的测试方法是3a)所述的集电极开路的测试方法为将双极型晶体管发射极接地，集电极开路，在基极加电流，测集电极电压，完成双极型晶体管集电极开路测试；3b)所述的发射极开路的测试方法为将双极型晶体管集电极接地，发射极开路，在基极加电流，测发射极电压，完成双极型晶体管发射极开路测试。
4.根据权利要求1所述的双极型晶体管参数提取方法，其特征在于，步骤C3)和步骤 (4)中所述的S参数测试方法为将双极型晶体管等效为一个二端口网络，其发射极接地，基极作为输入端口，集电极作为输出端口，用网络分析仪测试输入和输出端口的入射波和反射波，得到S参数测试数据。
5.根据权利要求1所述的双极型晶体管参数提取方法，其特征在于，步骤4a)中所述的电压范围为-3V IV，步长0. IV。
6.根据权利要求1所述的双极型晶体管参数提取方法，其特征在于，步骤4b)中所述的一组工作点为集电极电压3. 6V，基极电流IOuA 50uA，步长10uA。
7.双极型晶体管等效电路，包括三个电感、五个电容、六个电阻和本征模块BJT；其中，本征模块BJT的B端、电阻R4、电阻Rl和电感Ll依次串联，本征模块BJT的E 端、电阻R5、电阻R2和电感L2依次串联，本征模块BJT的C端、电阻R6、电阻R3和电感L3 依次串联，电容C4连接节点4和节点6，电容C5连接节点4和节点5，电容Cl连接节点1和节点2，电容C2连接节点2和节点3，电容C3连接节点1和节点3。
8.根据权利要求7所述的双极型晶体管等效电路，其特征在于，所述的本征模块BJT 包括两个电阻、三个电荷控件和三个电流控件；本征模块BJT有三个端口 B端口、C端口和 E端口；在本征模块BJT的C端口和E端口之间依次串联电阻R8、电荷控件Q2和电荷控件 Q3，电流控件Il的正端接在节点7上、负端接在电节点8上，电流控件12的正端接在节点 7上、负端接在E端口，电流控件13的正端接在节点8上、负端接在E端口，电阻R7接在B 端口与节点7之间，电荷控件Ql接在C端口与节点7之间。
全文摘要
本发明公开了一种双极型晶体管参数提取方法及其等效电路。该方法先对双极型晶体管进行直流测试和S参数测试，然后应用ADS软件和origin软件进行曲线拟合，得到双极型晶体管的参数。基于双极型晶体管参数提取方法所建立的等效电路包括三个电感、五个电容、六个电阻和本征模块BJT，本征模块BJT包括两个电阻、三个电荷控件、三个电流控件。本发明的方法可用于建立适用于不同情况电路的双极型晶体管等效电路，同时还可用于建立适用于高频电路的双极型晶体管等效电路。基于本发明方法建立的双极型晶体管等效电路能反映双极型晶体管一组工作点的器件特性，可用于不同情况的电路仿真；本发明的等效电路能反映双极型晶体管的高频特性，可用于高频电路仿真。
文档编号G06F17/50GK102254065SQ20111017993
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者吕红亮, 张义门, 张晓鹏, 张玉明, 张金灿, 杨实, 许俊瑞, 项萍 申请人:西安电子科技大学