双极型晶体管模型参数提取实验指导书

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1、双极型晶体管模型参数提取在对含双极型晶体管（BJT）的电路进行模拟时，必须提供具有足够精度而又简便的器件模型。模型选定以后，其模型参数的真实性和数值精度就成了模拟正确与否的决定因素。由于SPICE已成为国内外流行的通用电路分析程序，因此，对于一个具体版图和工艺设计，如何提取程序要求的BJT模型参数，成为设计人员一项有待掌握的基本技能。本实验属于综合性较强的实验，其目的和要求是：1．掌握BJT模型，模型参数及其提取方法；2．熟悉用实验方法测取BJT模型参数；3．学习优化程序提取BJT模型参数的方法。一实验原理1．两类BJT模型参数提取方法对于BJT模型，SPICE－2将简单的EM

2、模型和考虑了各种二级效应的GP模型统一为一个模型，当程序中给定了GP模型的全部参数，就是GP模型，否则自动简化为EM模型。表1汇总了GP模型全部参数。其中包括了确定直流特性，反映基区宽度调制和随Ic变化等效应的参数18个，确定交流特性，模拟结电容，扩散电容及它们随Vbe，Vbc，Ic变化等效应的参数17个，确定温度对BJT特性影响的参数3个和描述噪声特性的参数2个，总共40个参数。其他电路模拟程序使用了不同的形式和复杂的E-M模型.精度较高的E-M3模型采用24个参数.除了少数模型参数可以直接引用文献提供的数值以外,获取模型参数(所谓提取)有两种方法:一种是分别提取;另一种是整

3、数提取,又称优化提取方法。分别提取法是安参数定义，设置测试提取方法，分别测量若干于模型参数有关的电学特性，再由相应的模型公式提取这些参数。这种方法尽量用试验测量来获取参数，计算简单，参数由物理意义，但测试工作量大，所需设备多，准确度低，所得参数往往不能参数见得相互影响，只适用于所对应的测试条件，因而在实际工作条件应用时，会带来较大误差，而且有些参数不易这种方法求得。整体提取方法以全局优化为目标，测试进可能少的器件外部电学特性，通过数学处理完成模型参数的整体提取。这种方法测量小但计算量大，一般要编制专用的计算程序。所提取的参数全局的误差小，但物理意义缺陷，而且会出现多组解和非物理

4、解而得不到有用的数据。两种提取方法都有其局限性，再加上模型本身尚有不完善之处，使得问题更为复杂，因此，对两类方法所提取的参数仍有进一步核实的必要。分别提取法要设计不同的测量结构，测出电学特性曲线，根据模型公式用图解法或直接计算求出相应模型参数。采用线性回归法求直线的斜率和距离，采用最优化的曲线算法处理曲线，可以提高提取精度。下面是模型参数的含义及其提取方法。（1）模型表达式以npn管为例BJT的GP瞬态模型如图1所示。若去掉其中电阻元件，即为直流模型。图中图1BJT的GP瞬态模型Ic＝[exp()－exp()]－[exp()－1]－Isc[exp()－1]（１）式中第一项为B’

5、E’结和B’C’结注入间的相互作用电流部分：第二项为B’C’结反向注入所产生的复合电流部分；第三项是B’C’结空间电荷区的复合电流成分。Ib＝[exp()-1]+[exp()-1]＋Ise[exp()-1]+Isc[exp()-1](2)公式前二项是基区复合电流部分；后两项是两个结的空间电荷区复合电流部分。与Ic类似，电流Ie为Ie＝－[exp()-exp()]-[exp()-1]-Ise[exp()-1](3)只需令Qb＝1，nf=nr=1,Ise=Isc=0,则Gp模型简为EM模型。Ic和Ib变为Ic＝Is[exp()-exp()]-[exp()-1](4)Ib=[exp(

6、)-1]+[()-1](5)式中V＝KT/q，Qb是零偏置数值归一化的基区多数载流子电荷。Is,和等为模型参数。(2)I(IS),（BF）和（BR）的提取Is是传输饱和的电流，测量正向工作下的lnIc~Vb’e’关系线（图２），Is可由关系线线性段外推所得电流截距求得，也可以测出反向工作下的lnIe~Vb’c’关系线来求取Is。和分别为理想的最大正向和反向电流增益。可直接测正，反向时的来求得，也可以测正向工作的lnIc～Vb’e’，lnIb来求取，同法可求得。（3）nf（NF）和nr(NR)的提取nf和nr分别是正向和反向电流发射系数，它们表征了偏离理想发射的程度。Nf可以测量

7、正向lnIc～Vb’e’关系，由直线斜率求得，二nr可由反向lnIe～Vb’c’关系斜率获取。（4）Vaf（VAF），Var(VAR)，Ikf(IKF)和Ikr（IKR）的提取SPICE所用改进型GP模型中以归一化的基区多子电荷Qb来表征基区宽度调制和大注入效应，其表达式为Qb＝（６）Q1＝（7）Q2=(8)其中Q1体现了基区宽度Wb受调制，导致传输电流被调制的厄莱效应。当Vb’e’，Vb’c’均为零时，Q1为1，电学Wb与物理Wb相等；若Q1＜1，则电学Wb变窄，使电流增加；若Q＞1，则电