专利名称：双极结型晶体管spice模型的建模方法
技术领域：
本发明涉及一种器件建模方法，特别涉及一种建立双极结型晶体管模 型的方法。
背景技术：
双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor,简称BJT晶体 管)是半导体集成电路中一种重要的半导体器件。SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)是器件设计行业应用最为 普遍的电路级模拟程序，各软件厂家提供提供了 Vspice、 Hspice、 Pspice 等不同版本SPICE软件，这些软件的仿真核心大同小异，都是采用了由美 国加州Berkeley大学开发的SPICE模拟算法。在提取BJT晶体管SPICE 模型的过程中， 一般需进行多个不同发射极尺寸的BJT晶体管的建模。目 前工业界普遍认可的BJT晶体管SPICE模型为G-P (Gummel Poon)模型。 在BJT晶体管的G-P (Gummel Poon)模型中，有许多描述BJT晶体管物 理效应的模型参数，因此，采用G-P模型，电路设计者可方便地仿真BJT 晶体管在正反向工作区域的各种电学特性。
事实上，在G-P模型中，有一些模型参数与发射极尺寸存在明确的几 何尺寸的依存性，而这种模型参数与几何尺寸的依存性可以被很好的应用 于多组发射极尺寸的BJT晶体管的建模工作，但这种内在的模型物理特性
往往被建模工程师所忽略。目前建模工程师普遍采取对多个不同发射极尺
寸的BJT晶体管分别独立地进行模型参数的提取，采用这种方法尽管最终 都能得到较好的模型仿真与测试结果的拟合性，但破坏了不同尺寸的BJT 晶体管模型之间参数的物理性与几何尺寸的依存性，同时，BJT晶体管的 建模效率也受到较大的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种双极结型晶体管SPICE模型的 建模方法，可以快速得到具有较好的仿真与测试结果拟合性的多种尺寸 的BJT晶体管SPICE模型。
为解决上述技术问题，本发明双极结型晶体管SPICE模型的建模方法， 包括以下步骤
确定初始模型参数的步骤，选定一种发射极尺寸的双极结型晶体管作 为第一双极结型晶体管，取其SPICE模型参数作为初始模型参数；
确定模型参数组的步骤，在初始模型参数中选取与发射极尺寸之间有 明确依存性的模型参数归类于模型参数组一，在初始模型参数中选取与发 射极尺寸完全无关的模型参数归类于模型参数组二；
确定目标模型参数的步骤，求取第二双极结型晶体管发射极几何尺寸 与第一双极结型晶体管发射极几何尺寸的比例关系，将模型参数组一中的 模型参数的值依所述发射极尺寸之间的依存性按照该比例关系调整后，作 为第二双极结型晶体管的相应模型参数值的值，将模型参数组二中的模型 参数的值直接作为第二双极结型晶体管的相应模型参数的值。
本发明利用不同尺寸BJT晶体管模型之间参数的物理性与几何尺寸 的依存性，可快速获得待建模晶体管的模型参数，得到具有较好的仿真
与测试结果拟合性的多种尺寸的BJT晶体管SPICE模型。
具体实施例方式
在BJT晶体管的G-P (Gummel Poon)模型中，有许多描述BJT晶体 管物理效应的模型参数，如基本的直流模型参数，增益相关模型参数， 电阻模型参数，结电容模型参数，噪声模型参数称和渡越时间模型参数。有 一些G-P模型参数与发射极尺寸存在明确的几何尺寸的依存性，而这种模 型参数与几何尺寸的依存性可以被很好的应用于多组发射极尺寸的BJT 晶体管的建模工作。本发明正是基于上述考虑发展出来的一种建模方法。
按照本发明所提供的方法建立双极结型晶体管SPICE模型，首先要确定 初始模型参数，即选定一种发射极尺寸的双极结型晶体管作为第一双极结 型晶体管，取其SPICE模型参数作为初始模型参数， 一般选尺寸最大的晶 体管的模型参数作为初始模型参数。
然后，在初始模型参数中选取与发射极尺寸之间有明确依存性的模型 参数归类于模型参数组一，在初始模型参数中选取与发射极尺寸完全无关 的模型参数归类于模型参数组二。深入研究各模型参数的物理特性后发 现，以下模型参数与发射极尺寸存在明确的依存关系IS、 IKF、 ISE、 ITF、 CJE、 RE，其中，IS表示晶体管的饱和电流，IKF表示晶体管大电流注入时 的扭曲电流，ISE表示晶体管正向工作时的复合电流，ITF表示晶体管和截 止频率相关的电流，CJE表示晶体管发射极电容，RE表示晶体管发射极电阻。 而以下模型参数与发射即尺寸完全无关NF、 NR、 VAF、 VAR、 NE、 NC、 FC、 MJC、 MJE、 MJS、 VJC、 VJE、 VJS，其中，NF表示晶体管正向工作时的电流发射系数，NR表示晶体管反向工作时的电流发射系数，VAF表示晶体管正向 工作时的厄莱电压，VAR表示晶体管反向工作时的厄莱电压，NE表示晶体管 正向工作时的电流复合系数，NC表示晶体管反向工作时的电流复合系数， FC表示晶体管电容的正向因子，MJC表示晶体管集电极电容因子，MJE表示 晶体管发射极电容因子，MJS表示晶体管衬底寄生电容因子，VJC表示晶体 管集电极电容的电压系数，VJE表示晶体管发射极电容的电压系数，VJS表 示晶体管衬底寄生电容的电压系数。
基于以上二个发现，在提取BJT晶体管SPICE模型的过程中，可以 充分利用模型参数与发射极尺寸的依存性，同时在不同尺寸的BJT晶体 管模型中充分体现模型参数之间的物理相关性。在进行多个尺寸的BJT 晶体管模型的提取时，不必对多个不同发射极尺寸的BJT晶体管分别独 立地进行模型参数的提取，可将同一工艺下不同发射极尺寸的BJT晶体 管模型参数作为一个整体来看待。
由此可以求取第二双极结型晶体管发射极几何尺寸与第一双极结型 晶体管发射极几何尺寸的比例关系，将模型参数组一中的模型参数的值 依所述发射极尺寸之间的依存性按照该比例关系调整后，作为第二双极 结型晶体管的相应模型参数值的值，将模型参数组二中的模型参数的值 NF， NR， VAF， VAR， NE， NC, FC， MJC， MJE， MJS， VJC， VJE， VJS保持
不变，直接作为第二双极结型晶体管的相应模型参数的值。上述比例关 系可以是第一双极结型晶体管的面积与第二双极结型晶体管的面积之 比，如果第一双极结型晶体管BJTi面积是AREAi，而第二双极结型晶体 管BJT2面积是AREA2 ,将二者面积之比定义为RATIO ，即
<formula>formula see original document page 9</formula>模型参数组一中的参数具体调整方式如下 <formula>formula see original document page 9</formula>其中，RATIO为第一双极结型晶体管的面积与第二双极结型晶体管 的面积之比；ISi， IKFi， ISEi， ITFl， CJEl， REi为第一双极结型晶体管 的模型参数组一中的参数；IS2， IKF2， ISE2， ITF2， CJE2， RE2为第二双 极结型晶体管的模型参数组一中的参数，即，将调整后新得到的模型参 数值作为对应尺寸晶体管模型的初始值。
在此基础上，只需再优化少数的几个模型参数，在短时间内即可以 得到具有较好的仿真与测试结果拟合性的模型。采用本发明所提供的方 法而得到的初始值，不用进行任何的参数优化，就可以很接近按照现有 技术获得并经过长时间的参数优化而得到的参数。
应用本发明，器件模型工程师在提高多组发射极尺寸的BJT晶体管 建模效率的同时，能较好地保持不同尺寸BJT晶体管模型之间参数的物 理性与几何尺寸的依存性，从而为以后的BJT晶体管尺寸依存性模型 (scalable model)的开发奠定坚实的基础。
权利要求
1、一种双极结型晶体管SPICE模型的建模方法，其特征是，包括以下步骤确定初始模型参数的步骤，选定一种发射极尺寸的双极结型晶体管作为第一双极结型晶体管，取其SPICE模型参数作为初始模型参数；确定模型参数组的步骤，在初始模型参数中选取与发射极尺寸之间有明确依存性的模型参数归类于模型参数组一，在初始模型参数中选取与发射极尺寸完全无关的模型参数归类于模型参数组二；确定目标模型参数的步骤，求取第二双极结型晶体管发射极几何尺寸与第一双极结型晶体管发射极几何尺寸的比例关系，将模型参数组一中的模型参数的值依所述发射极尺寸之间的依存性按照该比例关系调整后，作为第二双极结型晶体管的相应模型参数值的值，将模型参数组二中的模型参数的值直接作为第二双极结型晶体管的相应模型参数的值。
2、 根据权利要求1所述的双极结型晶体管SPICE模型的建模方法，其特 征是所述模型参数组一包括模型参数IS、 IKF、 ISE、 ITF、 CJE、 RE，其中，IS表示晶体管的饱和电流，IKF表示晶体管大电流注入时的扭曲 电流，ISE表示晶体管正向工作时的复合电流，ITF表示晶体管和截止频率 相关的电流，CJE表示晶体管发射极电容，RE表示晶体管发射极电阻；所述模型参数组二包括模型参数NF、 NR、 VAF、 VAR、 NE、 NC、 FC、 MJC、 MJE、 MJS、 VJC、 VJE、 VJS，其中，NF表示晶体管正向工作时的电流发射系数，NR表示晶体管反向工作时的电流发射系数，VAF表示晶体管正向工作时的厄莱电压，VAR表示 晶体管反向工作时的厄莱电压，NE表示晶体管正向工作时的电流复合系数， NC表示晶体管反向工作时的电流复合系数，FC表示晶体管电容的正向因子， MJC表示晶体管集电极电容因子，MJE表示晶体管发射极电容因子，MJS表示 晶体管衬底寄生电容因子，VJC表示晶体管集电极电容的电压系数，VJE表 示晶体管发射极电容的电压系数，VJS表示晶体管衬底寄生电容的电压系 数。
3、 根据权利要求2所述的双极结型晶体管SPICE模型的建模方法，其 特征是，所述第二双极结型晶体管发射极几何尺寸与第一双极结型晶体管 发射极几何尺寸的比例关系为第一双极结型晶体管的面积与第二双极结 型晶体管的面积之比。
4、 根据权利要求3所述的双极结型晶体管SPICE模型的建模方法， 其特征是，所述模型参数组一中的参数IS， IKF， ISE， ITF， CJE， RE 分别按照以下等式调整IS2二IS1X RATIO; IKF2:IKF1X RATIO; ISE2=ISE1X RATIO; ITF2=ITF1X RATIO; CJE2二CJE1X RATIO; RE2=RE1+RATIO;其中，RATIO为第一双极结型晶体管的面积与第二双极结型晶体管的 面积之比；IS1， IKF1， ISE1， ITF1， CJE1， REl为第一双极结型晶体管的模型参数组一中的参数；IS2， IKF2， ISE2， ITF2， CJE2， RE2为第二双极 结型晶体管的模型参数组一中的参数。
全文摘要
本发明公开了一种双极结型晶体管SPICE模型的建模方法，首先提取并确定出一种发射极尺寸的BJT晶体管的模型参数作为初始模型参数，以这组提取出的模型参数为基础，对其中与发射极几何尺寸依存性较大的参数按照发射极几何尺寸的比例关系进行调整，并把经调整后的新的模型参数值直接作为对应尺寸的待建模晶体管模型的初始值，将其中与发射极几何尺寸无关的参数直接用作待建模晶体管模型的初始值。按照本发明所提供的方法，在短时间内即可以得到具有较好的仿真与测试结果拟合性的多种尺寸的BJT晶体管SPICE模型。
文档编号G06F17/50GK101201850SQ20061011939
公开日2008年6月18日 申请日期2006年12月11日 优先权日2006年12月11日
发明者周天舒 申请人:上海华虹Nec电子有限公司