专利名称：一种用于电路快速仿真的二极管内部结点消去方法
技术领域：
本发明属于EDA(电子设计自动化)领域，特别地，涉及ー种用于集成电路快速仿真的消去内部结点的ニ极管建模及仿真方法。
2.背景技术
电路仿真是集成电路设计过程中的重要环节，通过对电路进行仿真，设计者可以在电路开发的早期预测出电路的行为、检测出错误，从而可以避免因投片生产后才发现芯片性能不符合要求而造成的巨大损失。电路仿真的过程就是依据器件模型和电路基尔霍夫(Kirchhoff)定律，对整个电路在姆个结点上建立电学方程，然后再通过牛顿-拉夫森(Newton-Ralphson)迭代对这组方程进行求解，从而得到仿真結果。由于电路设计规模的不断増大，消耗在电路仿真上的时间越来越长，那么在能满足设计者要求精度的条件下，怎样提高电路的仿真速度就成了当前EDA工具开发所面临的最主要的问题之一。电路仿真所消耗的时间主要集中在模型的计算和矩阵的求解上。当前的一些用于提高电路仿真器仿真速度的技术也都是分别针对于如何能減少这两个方面的时间。对于集成电路的快速仿真，模型简化技术是ー项重要的加速仿真技术。这就是要求在能保证器件模型精度的前提下，通过一定的方法，減少模型及矩阵的计算时间，从而来提高电路的仿真速度。Pn结ニ极管是最基本的半导体器件,它有2个结点，即Anode端和Cathode端。但当它的寄生电阻Rs不可忽略时，那么它就要用ー个包含3个结点的网络进行描述(増加I个内部结点)。在对电路进行仿真时，这个内部结点会导致每个ニ极管I个额外电学方程的増加，这就会使得电路求解矩阵増大，从而使得接下来的矩阵LU分解时间增长，导致电路的仿真时间增长。针对这种情况，为了提高电路仿真速度，人们希望能够建立一种两结点的ニ极管电学解析模型。但由于ニ极管的理想I-V特性是ー种指数关系，而寄生ニ极管的I-V特性是ー种线性关系，这使得一般ニ极管的电特性只能用ー种超越函数(Lambert-w函数)来描述，到目前为止，人们还不能从它得到用于电路仿真的精确ニ极管两结点解析模型。近几年来，ー些研究者对于pn结ニ极管也曾提出过ー些近似的解析模型，即是通过消去ニ极管的内部结点，近似求解描述ニ极管I-V特性的Lambert-W函数，来得到ニ极管的两结点解析模型。但是这些解析模型都是理想化的，在求解过程中为了使得问题简化，都做了大量的近似，仅仅考虑的是理想ニ极管，忽略了ニ极管的ー些重要效应，如大注入效应，隧穿电流及击穿特性。Pn结的大注入效应，隧穿电流及击穿特性都是ニ极管的重要电学性质。大注入效应是指注入的非平衡载流子浓度大于多子浓度，这时扩散区的电中性假设不再成立，对数坐标平面上ニ极管I-V关系的斜率会偏离理想状态。ニ极管的反向隧穿电流是由pn结内部薄的势垒区产生的，当有反向电压存在时，势垒区中的电场会很强，从而产生隧穿电流。另夕卜，当ニ极管反向电压超过一定的值时，会有大的反向电流产生，这就是反向击穿。考虑大注入效应，隧穿电流及击穿特性对于正确描述ニ极管的I-V特性非常必要，当前所有应用于エ业中的电路仿真器都无不在ニ极管模型中包括有这些效应。因此以上提到的这些两结点ニ极管解析模型在エ业上还都缺少使用价值。
3.
发明内容
本发明的目的在于提供一种实用的消去内部结点的ニ极管解析模型和它的建模方法，这种方法对ニ极管的电学方程进行了 近似求解，从而把包含有寄生电阻的3结点ニ极管模型等效为消去内部结点的两结点ニ极管模型。这种方法考虑了当前Pn结ニ极管模型中所包括的所有物理效应。本发明可在保证电路收敛精度的条件下，降低电路仿真过程中电路方程的規模，減少求解矩阵所消耗的时间，从而提高电路的仿真速度。本发明的技术方案是在电路仿真过程中，对于包含有寄生电阻Rs及内部结点的3结点ニ极管模型，消去它的内部结点，用两结点的ニ极管解析模型对它进行等效。在上述对ニ极管内部结点的消去方法中，ニ极管的两结点解析模型是通过近似求解ニ极管的电路方程得到的，它考虑了ニ极管的大注入效应，隧穿电流及反向击穿特性。ニ极管的电路方程为正向特性
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Ihreff其中山是ニ极管电流，し 是反向饱和电流，Vd是加在ニ极管外部结点上的电压，Rs是寄生电阻，η是发射系数，Vt是热电势，Ikeff是正向拐点电流(Forward KneeCurrent), Ijtun是隧穿饱和电流，ntun是隧穿发射系数,Ifceff是反向拐点电流(Reverse KneeCurrent), Vbeff是ニ极管的击穿电压。在上述近似求解ニ极管电路方程的过程中，首先求解所加电压为Vd时的ニ极管电流初始值Idtl,再从这个初始值近似计算ニ极管的I-V特性。上述从ニ极管电路初始值Idci计算ニ极管I-V特性的过程，采用的是牛顿-拉夫森方法h = 1M —イ)f' (Ido)是 f (Id)在 Id = Ido 时的导数。上述对ニ极管I-V特性电流初始值Idtl的求解，须要依据ニ极管电路方程和归ー化方程eXp(u-i)-i = O的变量对应关系，对这个归ー化方程求解，进而得到在电压为Vd时的 ニ极管电流初始值Idtl其中u和i分别为归一化形式方程的參数。上述归ー化形式方程exp (u-i) -i = O的解可被表示为
exp(w)[l - exp(w)]u < -2.303i{u) = ■ 1.9641 ·ln[3.5682 + exp(0.4949w)] - 2.5771 -2.303 < μ < 35.77
w —In(W)u >35.77i(u)的各分段函数能够保证在各结点处连续，可导。上述的ニ极管正向特性和归ー化形式方程的变量关系为如果^/^nVt ln(j^ + 1) + RsIkeff，则有M =+q^J{u)-nVt し如果匕〉《打+1) + RsIkeff ,则有
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权利要求
1.ー种用于电路快速仿真的ニ极管内部结点消去方法，其特征在于对包含有寄生电阻Rs的3结点ニ极管模型，消去它的内部结点，用2结点的ニ极管解析模型对它进行等效。
2.如权利要求I所述的2结点ニ极管解析模型，其特征在于这种模型是通过近似求解ニ极管的电路方程得到的，它考虑了ニ极管的大注入效应，隧穿电流及反向击穿特性。
3.如权利要求2所述求解ニ极管电路方程的过程，其特征在于首先求解所加电压为Vd时的ニ极管电流初始值Idtl再从这个初始值近似计算ニ极管的电特性。
4.如权利要求3所述的从ニ极管电流初始值Idtl计算ニ极管电特性的过程，其特征在于采用的是牛顿-拉夫森方法。
5.如权利要求3所述的对ニ极管I-V特性电流初始值Idtl的求解，其特征在于首先求解ニ极管归一化方程的參数U，i (U)，然后从u和i (U)得到ニ极管电流初始值Id(l。
6.如权利要求5所述的对ニ极管归一化參数u的求解，其特征在于 对于ニ极管的正向特性
7.如权利要求5所述的对ニ极管归一化參数i(u)的求解，其特征在干
8.如权利要求5所述的对ニ极管电流初始值Idtl的求解，其特征在于 对于ニ极管的正向特性
全文摘要
本发明提供了一种用于电路快速仿真的，消去内部结点的二极管模型建模方法，这种方法对二极管的电学方程进行近似求解，从而把包含有寄生电阻的3结点二极管模型等效为消去内部结点的两结点二极管模型。这种方法考虑了当前主流电路仿真器二极管模型的所有物理效应，如大注入效应，隧穿效应和反向击穿特性。从而可在保证电路收敛精度的条件下，减小电路求解矩阵的大小，使得电路矩阵的LU分解时间大为降低，从而可提高电路仿真器的速度。
文档编号G06F17/50GK102841960SQ20121024609
公开日2012年12月26日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者尚也淳, 陈志东, 陈光前 申请人:北京华大九天软件有限公司