一種絕緣柵雙極型晶體管直流特性的仿真方法技術

本發明專利技術提出一種絕緣柵雙極型晶體管直流特性仿真方法，包括以下步驟：獲取不同溫度下、不同寬長比絕緣柵雙極型晶體管的直流特性測試數據；建立絕緣柵雙極型晶體管的直流宏模型，在NMOS晶體管與PNP晶體管組合的基礎上，加入一個壓控漂移區電阻表示絕緣柵雙極型晶體管的電導調制效應；獲取絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型的初步模型文件；提取絕緣柵雙極型晶體管25℃時的直流宏模型的模型參數；繼續將85℃及125℃時的測試數據載入MBP，對絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型進行溫度參數的提取；保存絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型的模型參數；在Cadence中仿真得到絕緣柵雙極型晶體管的輸出特性，完成對絕緣柵雙極型晶體管仿真方法的建立。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及高壓功率半導體器件的仿真領域，具體來說，涉及一種絕緣柵雙極型晶體管直流特性仿真方法，適用于顯示驅動芯片、半橋驅動芯片及智能功率模塊的電路仿真設計。
技術介紹
隨著功率半導體器件的理論研究和制造工藝水平的不斷提高，80年代出現的絕緣柵雙極型器件集高壓三極管的大電流處理能力和柵控MOS晶體管特性于一身，具有高的輸入阻抗、高的開關速度、小的驅動功率，大的電流驅動能力和低的導通阻抗等優點，是近乎理想的功率半導體器件，具有廣泛的發展和應用前景。在功率集成電路的設計過程中，電路仿真是必不可少的一個過程，而電路仿真這個過程所產生的結果能否正確地反映功率集成電路的性能，很大程度上依賴于所建立的器件仿真方法。因此，建立準確實用的高壓器件仿真方法，顯得尤為關鍵，但現有的仿真方法對功率器件的描述還是比較粗糙，在各個特性曲線的擬合上，有比較明顯的偏差。由于器件模型的仿真連接著器件與電路，只有正確的對絕緣柵雙極型晶體管器件進行仿真，才有可能通過電路模擬軟件設計出性能優良的功率集成電路。但是，到目前為止都還沒有一種成熟完整的針對絕緣柵雙極型晶體管器件的仿真方法。在已有的一些研究中，有的是針對于絕緣柵雙極型晶體管的某一特性進行研究，有的針對絕緣柵雙極型晶體管物理模型、電熱模型、解析模型和自熱模型的研究，它們側重于對絕緣柵雙極型晶體管器件特性的理論分析，一個真正能實際運用于電路模擬軟件Cadence進行仿真的有效方法到目前都還沒有。本專利技術就是要創建這樣一種絕緣柵雙極型晶體管的仿真方法，該方法能夠直接運用于電路模擬軟件中，有效地幫助電路設計者解決功率集成電路的仿真問題，進而成功地設計出性能良好的功率集成電路。另外，這個絕緣柵雙極型晶體管器件仿真方法的建立對于人們更直觀地認識絕緣柵雙極型晶體管器件的特性有一定的幫助，對于絕緣柵雙極型晶體管器件結構和工藝，以及含有絕緣柵雙極型晶體管器件的功率集成電路的設計有一定的指導作用。
技術實現思路
針對絕緣柵雙極型晶體管的直流特性，提供一種絕緣柵雙極型晶體管直流特性的仿真方法，該方法適用于不同尺寸、不同溫度的絕緣柵雙極型晶體管并且能夠有效模擬絕緣柵雙極型晶體管中漂移區的電導調制效應。結合實際測量數據，提取絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型中用于仿真的模型參數，從而對絕緣柵雙極型晶體管進行仿真，并達到規定的仿真精度，建立起絕緣柵雙極型晶體管簡單有效的仿真方法。一種絕緣柵雙極型晶體管直流特性的仿真方法，包括以下步驟：步驟10）將帶有絕緣柵雙極型晶體管的圓片放置于探針臺上，探針扎到絕緣柵雙極型晶體管的端口，將這些端口通過引線與半導體參數測試儀的相應端口連接在一起，分別設置探針臺的溫度為25℃、85℃和150℃，使用軟件MBP控制半導體參數測試儀測得25℃、85℃和150℃時不同柵寬的絕緣柵雙極型晶體管的輸出特性數據，步驟20）建立針對不同柵寬和不同溫度的絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型，所述直流宏模型由一個NMOS晶體管、一個PNP晶體管及一個壓控漂移區電阻構成，其中壓控漂移區電阻的一端與PNP晶體管的基極相連，壓控漂移區電阻的另一端與NMOS晶體管的漏極相連，PNP晶體管的集電極與NMOS晶體管的源極相連作為絕緣柵雙極型晶體管的源極，PNP晶體管的發射極作為絕緣柵雙極型晶體管的漏極，NMOS晶體管的柵極作為絕緣柵雙極型晶體管的柵極，步驟30）獲取絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型的初步模型文件，步驟301）在軟件MBP的model菜單中選擇BSIM3v3模型并保存，獲取NMOS晶體管初始的BSIM3v3模型參數，步驟302）在軟件MBP的model菜單中選擇Gummel-Poon模型并保存，獲取PNP晶體管初始的Gummel-Poon模型參數，步驟303）根據絕緣柵雙極型晶體管漂移區特性建立壓控漂移區電阻，該壓控漂移區電阻的阻值由漏極電壓控制，且壓控漂移區電阻表達式如下：VCR＝r0+r1*Vds其中VCR為壓控漂移區電阻的阻值，r0、r1為壓控漂移區電阻影響因子，Vds為漏極電壓值，步驟304）為了使建立的絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型能夠適用于不同柵寬的絕緣柵雙極型晶體管，寫出與柵寬有關的參數隨柵寬的變化公式如下，PNP晶體管發射結面積倍增因子AREA隨柵寬w的變化公式為：AREA＝(2w0+(2w-2w0)*para)/2w0AREA表示PNP晶體管的發射結面積倍增因子，將其值定義為發射結面積與標準發射結面積的比值，這里將w=w0時的發射結面積定義為標準發射結面積，其中w0=10μm表示所述絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型適用的最小柵寬，para為AREA的調節因子，w的值介于10μm與120μm之間，壓控漂移區電阻尺寸隨柵寬w的變化公式如下：scale＝rd+wrd*(2*w-2*w0)/(2*w0)其中參數scale是壓控漂移區電阻的尺寸參數，單位為1，參數rd和參數wrd是壓控漂移區電阻調節因子，參數rd表示當w=w0時的壓控漂移區電阻尺寸，參數wrd用來修正當w不為w0時的電阻尺寸，這里將當w=w0時的電阻尺寸定為標準最小尺寸，采用與標準最小尺寸的比值來表示參數scale，w0與w的值如上所述，步驟305）將步驟303）到步驟304）得到的各個公式按步驟20）的連接方式寫在一個文件中并加入步驟301)、步驟302）NMOS晶體管、PNP晶體管模型參數，最終得到絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型的初步模型文件，步驟40）在軟件MBP中選擇BSIM3v3模型，將步驟10）得到的25℃時的測試數據讀入MBP中,MBP依據絕緣柵雙極型晶體管測試數據形成絕緣柵雙極型晶體管測試離散點，再調入步驟30）中得到的初步模型文件，MBP根據所述初步模型文件計算生成絕緣柵雙極型晶體管的仿真輸出特性曲線，通過調整步驟30）中得到的初步模型文件中的模型參數，改變絕緣柵雙極型晶體管的仿真輸出特性曲線，最終使測試的離散點和仿真特性曲線之間擬合的均方根誤差RMSE小于門限10%，保存對應的絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型的模型文件，步驟50）對絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型進行溫度參數的提取，將85℃及150℃時的輸出特性數據加載進軟件MBP中，通過調節BSIM3v3模型和Gummel-Poon模型中與溫度相關的參數，使測試的離散點和仿真特性曲線之間擬合的均方根誤差RMSE小于門限10%，步驟60）保存絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型的模型參數，獲得絕緣柵雙極...

【技術保護點】
一種絕緣柵雙極型晶體管直流特性仿真方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：步驟10）將帶有絕緣柵雙極型晶體管的圓片放置于探針臺上，探針扎到絕緣柵雙極型晶體管的端口，將這些端口分別通過引線與半導體參數測試儀的相應端口連接在一起，分別設置探針臺的溫度為25℃、85℃和150℃，使用軟件MBP控制半導體參數測試儀，測得25℃、85℃和150℃時不同柵寬的絕緣柵雙極型晶體管的輸出特性數據，所述輸出特性數據為絕緣柵雙極型晶體管的柵極電壓從低于閾值電壓變化到高于閾值電壓的過程中，在對應的每個柵極電壓下，從低到高以步長0.05V掃描漏極電壓，得到的一組漏極電壓對應漏極電流的關系數據，這里的閾值電壓為2V～4V，柵極電壓為從1V到5V間隔為1V的五個電壓值，MBP是一種側重于硅器件的器件建模軟件，步驟20）建立針對不同柵寬和不同溫度的絕緣柵雙極型晶體管的直流宏模型，所述直流宏模型由一個NMOS晶體管、一個PNP晶體管及一個壓控漂移區電阻構成，其中壓控漂移區電阻的一端與PNP晶體管的基極相連，壓控漂移區電阻的另一端與NMOS晶體管的漏極相連，PNP晶體管的集電極與NMOS晶體管的源極相連作為絕緣柵雙極型晶體管的源極，PNP晶體管的發射極作為絕緣柵雙極型晶體管的漏極，NMOS晶體管的柵極作為絕緣柵雙極型晶體管的柵極，步驟30）獲取絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型的初步模型文件，步驟301）在軟件MBP的model菜單中選擇BSIM3v3模型并保存，獲取NMOS晶體管初始的BSIM3v3模型參數，步驟302）在軟件MBP的model菜單中選擇Gummel?Poon模型并保存，獲取PNP晶體管初始的Gummel?Poon模型參數，步驟303）根據絕緣柵雙極型晶體管漂移區特性建立壓控漂移區電阻模型，該壓控漂移區電阻的阻值由漏極電壓控制，且壓控漂移區電阻表達式如下：VCR＝r0+r1*Vds其中VCR為壓控漂移區電阻的阻值，r0、r1為壓控漂移區電阻影響因子，Vds為漏極電壓值，步驟304）為了使建立的絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型能夠適用于不同柵寬的絕緣柵雙極型晶體管，寫出與柵寬有關的參數隨柵寬的變化公式如下，PNP晶體管發射結面積倍增因子AREA隨柵寬w的變化公式為：AREA＝(2w0+(2w?2w0)*para)/2w0AREA表示PNP晶體管的發射結面積倍增因子，將其值定義為發射結面積與標準發射結面積的比值，這里將w=w0時的發射結面積定義為標準發射結面積，其中w0=10μm表示所述絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型適用的最小柵寬，para為AREA的調節因子，w的值介于10μm與120μm之間，壓控漂移區電阻尺寸隨柵寬w的變化公式如下：scale＝rd+wrd*(2*w?2*w0)/(2*w0)其中參數scale是壓控漂移區電阻的尺寸參數，單位為1，參數rd和參數wrd是壓控漂移區電阻調節因子，參數rd表示當w=w0時的壓控漂移區電阻尺寸，參數wrd用來修正當w不為w0時的電阻尺寸，這里將當w=w0時的電阻尺寸定為標準最小尺寸，采用與標準最小尺寸的比值來表示參數scale，w0與w的值如上所述，步驟305）將步驟303）到步驟304）得到的各個公式按步驟20）的連接方式寫在一個文件中并加入步驟301)、步驟302）NMOS晶體管、PNP晶體管模型參數，最終得到絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型的初步模型文件，步驟40）在軟件MBP中選擇BSIM3v3模型，將步驟10）得到的25℃時的測試數據讀入軟件MBP中,MBP依據絕緣柵雙極型晶體管測試數據形成絕緣柵雙極型晶體管測試離散點，再調入步驟30）中得到的初步模型文件，MBP根據所述初步模型文件計算生成絕緣柵雙極型晶體管的仿真輸出特性曲線，通過調整步驟30）中得到的初步模型文件中的模型參數，改變絕緣柵雙極型晶體管的仿真輸出特性曲線，最終使測試的離散點和仿真特性曲線之間擬合的均方根誤差RMSE小于門限10%，保存對應的絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型的模型文件，步驟50）對絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型進行溫度參數的提取，將85℃及150℃時的輸出特性數據加載進軟件MBP中，通過調節BSIM3v3模型和Gummel?Poon模型中與溫度相關的參數，使測試的離散點和仿真特性曲線之間擬合的均方根誤差RMSE小于門限10%，步驟60）保存絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型的模型參數，獲得絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型最終的模型文件，步驟70）將絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型的模型參數添加進電路設計及仿真軟件Cadence中，并搭建步驟20)的電路對絕緣柵雙極型晶體管進行仿真，得到不同柵寬不同環境溫度下的絕緣柵雙極型晶體管的輸出特性，從而最終建立起絕緣柵雙極型晶體管的直流特性仿真方法。...

【技術特征摘要】
1.一種絕緣柵雙極型晶體管直流特性仿真方法，其特征在于，該方法包括
以下步驟：
步驟10）將帶有絕緣柵雙極型晶體管的圓片放置于探針臺上，探針扎到絕
緣柵雙極型晶體管的端口，將這些端口分別通過引線與半導體參數測試儀的相應
端口連接在一起，分別設置探針臺的溫度為25℃、85℃和150℃，使用軟件MBP
控制半導體參數測試儀，測得25℃、85℃和150℃時不同柵寬的絕緣柵雙極型晶
體管的輸出特性數據，所述輸出特性數據為絕緣柵雙極型晶體管的柵極電壓從低
于閾值電壓變化到高于閾值電壓的過程中，在對應的每個柵極電壓下，從低到高
以步長0.05V掃描漏極電壓，得到的一組漏極電壓對應漏極電流的關系數據，這
里的閾值電壓為2V～4V，柵極電壓為從1V到5V間隔為1V的五個電壓值，MBP
是一種側重于硅器件的器件建模軟件，
步驟20）建立針對不同柵寬和不同溫度的絕緣柵雙極型晶體管的直流宏模
型，所述直流宏模型由一個NMOS晶體管、一個PNP晶體管及一個壓控漂移區
電阻構成，其中壓控漂移區電阻的一端與PNP晶體管的基極相連，壓控漂移區
電阻的另一端與NMOS晶體管的漏極相連，PNP晶體管的集電極與NMOS晶體
管的源極相連作為絕緣柵雙極型晶體管的源極，PNP晶體管的發射極作為絕緣柵
雙極型晶體管的漏極，NMOS晶體管的柵極作為絕緣柵雙極型晶體管的柵極，
步驟30）獲取絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型的初步模型文件，
步驟301）在軟件MBP的model菜單中選擇BSIM3v3模型并保存，獲取
NMOS晶體管初始的BSIM3v3模型參數，
步驟302）在軟件MBP的model菜單中選擇Gummel-Poon模型并保存，獲
取PNP晶體管初始的Gummel-Poon模型參數，
步驟303）根據絕緣柵雙極型晶體管漂移區特性建立壓控漂移區電阻模型，
該壓控漂移區電阻的阻值由漏極電壓控制，且壓控漂移區電阻表達式如下：
VCR＝r0+r1*Vds
其中VCR為壓控漂移區電阻的阻值，r0、r1為壓控漂移區電阻影響因子，
Vds為漏極電壓值，
步驟304）為了使建立的絕緣柵雙極型晶體管直流宏模型能夠適用于不同柵
寬的絕緣柵雙極型晶體管，寫出與柵寬有關的參數隨柵寬的變化公式如下，
PNP晶體管發射結面積倍增因子AREA隨柵寬w的變化公式為：
AREA＝(2w0+(2w-2w0)*para)/2w0AREA表示PNP晶體管的發射結面積倍增因子，將...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫偉鋒，戴佼容，孫陳超，顧春德，葉偉，劉斯揚，陸生禮，時龍興，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32