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1、晶体管模型和模型参数晶体管模型和模型参数西安电子科技大学微电子学院贾新章西安电子科技大学微电子学院贾新章 2013年年12月月一一PSpice中的模型参数库中的模型参数库1什么是模型和模型参数什么是模型和模型参数 Spice进行电路模拟时，以等效电路的方式描述元器件和单元电路的 特性，然后建立回路方程、计算求解。 采用的进行电路模拟时，以等效电路的方式描述元器件和单元电路的 特性，然后建立回路方程、计算求解。 采用的等效等效电路就是代表元器件的电路就是代表元器件的“模型模型”（等效等效是指端特性等效）； 等效电路中描述元件值的参数就是是指端特性等效）； 等效电路中描述元件值的参数就是“模型参数
2、模型参数”。 2模型和模型参数的作用模型和模型参数的作用 (1) 决定电路是否可以用决定电路是否可以用PSpice软件模拟；软件模拟； (2) 决定模拟结果的好坏。决定模拟结果的好坏。一一PSpice中的模型参数库中的模型参数库3模型类别（按照建模方式划分）模型类别（按照建模方式划分） (1) 元器件物理模型元器件物理模型 (2) 子电路宏模型子电路宏模型 (3) 黑匣子宏模型黑匣子宏模型 4. 目前研究的问题目前研究的问题 (1) 提高模型精度。提高模型精度。 (2) 建立新器件的模型。建立新器件的模型。 (3) 提高模型参数提取精度。提高模型参数提取精度。5PSpice中的模型参数库中的模
3、型参数库PSpice提供的模型库中包括有提供的模型库中包括有20多类共多类共3万多个商品化的器件模型参数， 存放在万多个商品化的器件模型参数， 存放在100多个模型参数库中，供选用。同时多个模型参数库中，供选用。同时PSpice提供提供四种建立模型和提取模型参数的方法四种建立模型和提取模型参数的方法，供用户选用。，供用户选用。(1) 对于晶体管一类器件，可以调用对于晶体管一类器件，可以调用PSpice/Model Editor模块以及高级分 析中的模块以及高级分 析中的Optimizer模块，提取模型参数。模块，提取模型参数。(2) 对于变压器等磁性元件，可以调用对于变压器等磁性元件，可以调用
4、PSpice/Magnetic Parts Editor，建立模型，提取模型参数。，建立模型，提取模型参数。 (3) 对于集成电路（如对于集成电路（如PWM），可以调用），可以调用Model Editor模块建立宏模型，描述该集成电路功能。模块建立宏模型，描述该集成电路功能。 (4) 对于特殊器件（如光耦器件），可以调用对于特殊器件（如光耦器件），可以调用ABM（Analog Behavioral Modeling）工具，建立描述该器件功能的）工具，建立描述该器件功能的”黑匣子黑匣子“模型，满足电路模拟仿真的要求。模型，满足电路模拟仿真的要求。一一PSpice中的模型参数库中的模型参数库二极管
5、模型和模型参数二极管模型和模型参数二极管模型和模型参数二极管模型和模型参数等效电路中包括四个元件 （等效电路中包括四个元件 （1）ID：描述流过结：描述流过结I-V特性的电流源 （特性的电流源 （2）CD：扩散电容 （：扩散电容 （3）CJ：势垒结电容 （：势垒结电容 （4）RS：串联电阻 考虑串联电阻，结电压为：串联电阻 考虑串联电阻，结电压为：Va=Vapp-IDRS二极管模型和模型参数二极管模型和模型参数一、电流源一、电流源ID表达式和模型参数表达式和模型参数 1不同情况下的二极管电流基本表达式不同情况下的二极管电流基本表达式(复习复习) （1）理想模型：）理想模型：ID=ISexp(q
6、Va/kT)-1 （2）考虑到势垒区的产生和复合效应，）考虑到势垒区的产生和复合效应，ID应该应该“叠加叠加”下 述表式：下 述表式：ISRexp(qVa/2kT)-1 （3）考虑大注入效应，特大电流时，）考虑大注入效应，特大电流时，ID从理想模型表达 式从理想模型表达 式“转化转化”为下述表达式：为下述表达式：exp(qVa/2kT) （4）考虑到击穿区的倍增效应，反向电流还应）考虑到击穿区的倍增效应，反向电流还应“叠加叠加”下述 表达式：下述 表达式：-IBVexp -q (Va+BV)/kT 说明：该表达式类比二极管正向电流表达式的形式。 反向电流为说明：该表达式类比二极管正向电流表达式
7、的形式。 反向电流为IBV时的结电压定义为击穿电压时的结电压定义为击穿电压BV。SkFII一、电流源一、电流源ID表达式和模型参数表达式和模型参数 1不同情况下的二极管电流基本表达式不同情况下的二极管电流基本表达式(复习复习) （1）理想模型：）理想模型：ID=ISexp(qVa/kT)-1 （2）考虑到势垒区的产生和复合效应，）考虑到势垒区的产生和复合效应，ID应该应该“叠加叠加”下 述表式：下 述表式：ISRexp(qVa/2kT)-1 （3）考虑大注入效应，特大电流时，）考虑大注入效应，特大电流时，ID从理想模型表达 式从理想模型表达 式“转化转化”为下述表达式：为下述表达式：exp(q
8、Va/2kT) （4）考虑到击穿区的倍增效应，反向电流还应）考虑到击穿区的倍增效应，反向电流还应“叠加叠加”下述 表达式：下述 表达式：-IBVexp -q (Va+BV)/kT 说明：该表达式类比二极管正向电流表达式的形式。 反向电流为说明：该表达式类比二极管正向电流表达式的形式。 反向电流为IBV时的结电压定义为击穿电压时的结电压定义为击穿电压BV。SkFII二极管模型和模型参数二极管模型和模型参数2PSpice中中“构造构造”的二极管的二极管ID统一表达式式中统一表达式式中Area称为称为“面积因子面积因子”，其作用后面单独说明。 上述，其作用后面单独说明。 上述ID统一表达式在正向小电
9、流、中等电流、特大电流、 反向、反向击穿区这五种不同情况下即分别简化为前面的统一表达式在正向小电流、中等电流、特大电流、 反向、反向击穿区这五种不同情况下即分别简化为前面的“基 本表达式基 本表达式”。二极管模型和模型参数二极管模型和模型参数描述描述ID的模型参数 上述的模型参数 上述ID统一表达式中除统一表达式中除Area外涉及下述外涉及下述10个模型参数个模型参数二极管模型和模型参数二极管模型和模型参数参数参数“Area”的作用 同一个集成电路中会采用多种尺寸不同的二极管，他们的模型参数不 会相同。 但是这些尺寸不同的二极管经历的工艺过程相同，因此纵向结构参数 （如结深、杂质分布等）则相同
10、。 二极管模型参数中，有些参数只与纵向结构参数有关，例如内建电势的作用 同一个集成电路中会采用多种尺寸不同的二极管，他们的模型参数不 会相同。 但是这些尺寸不同的二极管经历的工艺过程相同，因此纵向结构参数 （如结深、杂质分布等）则相同。 二极管模型参数中，有些参数只与纵向结构参数有关，例如内建电势 VJ、发射系数、发射系数N和和NR、PN结梯度因子结梯度因子M等。其余模型参数则与结面积有 关，例如几个电流参数等。其余模型参数则与结面积有 关，例如几个电流参数IS、ISR、IBV，以及串联电阻，以及串联电阻RS等。 引入参数等。 引入参数Area，取其中一个二极管为，取其中一个二极管为“参考参考
11、”二极管，将参考二极管的二极管，将参考二极管的 Area值取为值取为1，并确定该参考二极管的模型参数。然后计算其他尺寸二极 管结面积与参考二极管结面积的比值，该比值即为相应二极管的面积因子，并确定该参考二极管的模型参数。然后计算其他尺寸二极 管结面积与参考二极管结面积的比值，该比值即为相应二极管的面积因子 Area的取值。这样所有二极管中那些与结面积无关的模型参数均直接采用 参考二极管的模型参数，而与结面积有关的模型参数只需按照与面积的相 关关系也可以由参考二极管的模型参数计算得到。 结论：同一个集成电路中结构相同但尺寸不同的二极管，只要对每种二极 管引入的取值。这样所有二极管中那些与结面积无
12、关的模型参数均直接采用 参考二极管的模型参数，而与结面积有关的模型参数只需按照与面积的相 关关系也可以由参考二极管的模型参数计算得到。 结论：同一个集成电路中结构相同但尺寸不同的二极管，只要对每种二极 管引入Area参数，则所有这些二极管就可以共用一组模型参数。参数，则所有这些二极管就可以共用一组模型参数。二极管模型和模型参数二极管模型和模型参数二、 扩散电容二、 扩散电容 CTTT(dID/dVa)TT*Gd 新增一个模型参数新增一个模型参数. TT：渡越时间：渡越时间(Transit time) 单位为单位为s，默认值为，默认值为0二极管模型和模型参数二极管模型和模型参数三、 势垒电容三、
13、 势垒电容 反偏情况下势垒电容的表达式反偏情况下势垒电容的表达式 (Va小于等于小于等于FC*VJ)： CJCj0(1-Va/VJ)-M 新增新增1个参数。个参数。 Cj0：零偏势垒电容； 在正偏条件下，势垒电容表达式：零偏势垒电容； 在正偏条件下，势垒电容表达式 (Va大于于大于于FC*VJ)： CJ=Cj0(1-FC)-(1+M)(1-FC(1+M)+MVa/VJ) 又新增一个模型参数又新增一个模型参数. FC称为势垒电容正偏系数。称为势垒电容正偏系数。二极管模型和模型参数二极管模型和模型参数二极管的二极管的14个基本模型参数个基本模型参数二极管模型和模型参数二极管模型和模型参数四、讨论四
14、、讨论 1描述二极管模型的其他模型参数描述二极管模型的其他模型参数 在在PSpice模拟软件采用的二极管模型中，还同时考虑许多其他特性。 例如： 噪声模型模拟软件采用的二极管模型中，还同时考虑许多其他特性。 例如： 噪声模型; 模型参数随温度的变化模型参数随温度的变化(包括包括: 饱和电流饱和电流IS、 复合电流、 复合电流ISR、 串联电阻、 串联电阻RS、 势垒内建电势、 势垒内建电势VJ、 零偏结电容、 零偏结电容CJ0、 大注入、 大注入“膝点电流膝点电流”IKF、 击穿电压、 击穿电压BV等参数等参数)； 等等。 使二极管模型参数总数达到； 等等。 使二极管模型参数总数达到29个。个
15、。二极管模型和模型参数二极管模型和模型参数四、讨论四、讨论 1描述二极管模型的其他模型参数描述二极管模型的其他模型参数 2关于各个模型参数含义的理解对于各个模型参数，应该重点理解下述两个问题： 该参数反映的是关于各个模型参数含义的理解对于各个模型参数，应该重点理解下述两个问题： 该参数反映的是PN结中哪个物理过程？ 该参数主要影响二极管器件的哪些主要特性？结中哪个物理过程？ 该参数主要影响二极管器件的哪些主要特性？3关于默认值为关于默认值为0或者无穷大的模型参数对于默认值为或者无穷大的模型参数对于默认值为0或者无穷大的模型参数，如果未给其赋 值，模拟软件将采用默认值，相当于不考虑该参数代表的物
16、理 效应。或者无穷大的模型参数，如果未给其赋 值，模拟软件将采用默认值，相当于不考虑该参数代表的物理 效应。双极晶体管模型和模型参数双极晶体管模型和模型参数双极晶体管模型和模型参数双极晶体管模型和模型参数概述 EM1模型 (J. J. EbersJ. L. Moll) EM2模型 EM3模型 EM1、EM2和EM3中的模型参数 其他效应的考虑 获取晶体管模型参数的基本方法概述 EM1模型 (J. J. EbersJ. L. Moll) EM2模型 EM3模型 EM1、EM2和EM3中的模型参数 其他效应的考虑 获取晶体管模型参数的基本方法二、二、 EM1模型模型 (J. J. Ebers J. L. Moll)1. 基本关系式基本关系式(针对针对NPN晶体管晶体管) 若外加电压为：若外加电压为： Vbe0, Vbc=0 流过流过be的电流为：的电流为：
