本发明提出一种绝缘栅双极型晶体管直流特性仿真方法，包括以下步骤：获取不同温度下、不同宽长比绝缘栅双极型晶体管的直流特性测试数据；建立绝缘栅双极型晶体管的直流宏模型，在NMOS晶体管与PNP晶体管组合的基础上，加入一个压控漂移区电阻表示绝缘栅双极型晶体管的电导调制效应；获取绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的初步模型文件；提取绝缘栅双极型晶体管25℃时的直流宏模型的模型参数；继续将85℃及125℃时的测试数据载入MBP，对绝缘栅双极型晶体管直流宏模型进行温度参数的提取；保存绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的模型参数；在Cadence中仿真得到绝缘栅双极型晶体管的输出特性，完成对绝缘栅双极型晶体管仿真方法的建立。
1.一种绝缘栅双极型晶体管直流特性仿真方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤10)将带有绝缘栅双极型晶体管的圆片放置于探针台上，探针扎到绝缘栅双极型晶体管的端口，将这些端口分别通过引线与半导体参数测试仪的相应端口连接在一起，分别设置探针台的温度为25℃、85℃和150℃，使用软件MBP控制半导体参数测试仪，测得
25℃、85℃和150℃时不同栅宽的绝缘栅双极型晶体管的输出特性数据，所述输出特性数据为绝缘栅双极型晶体管的栅极电压从低于阈值电压变化到高于阈值电压的过程中，在对应的每个栅极电压下，从低到高以步长0.05V扫描漏极电压，得到的一组漏极电压对应漏极电流的关系数据，这里的阈值电压为2V～4V，栅极电压为从1V到5V间隔为1V的五个电压值，MBP是一种侧重于硅器件的器件建模软件，步骤20)建立针对不同栅宽和不同温度的绝缘栅双极型晶体管的直流宏模型，所述直流宏模型由一个NMOS晶体管、一个PNP晶体管及一个压控漂移区电阻构成，其中压控漂移区电阻的一端与PNP晶体管的基极相连，压控漂移区电阻的另一端与NMOS晶体管的漏极相连，PNP晶体管的集电极与NMOS晶体管的源极相连作为绝缘栅双极型晶体管的源极，PNP晶体管的发射极作为绝缘栅双极型晶体管的漏极，NMOS晶体管的栅极作为绝缘栅双极型晶体管的栅极，步骤30)获取绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的初步模型文件，
步骤301)在软件MBP的model菜单中选择BSIM3v3模型并保存，获取NMOS晶体管初始的BSIM3v3模型参数，步骤302)在软件MBP的model菜单中选择Gummel-Poon模型并保存，获取PNP晶体管初始的Gummel-Poon模型参数，步骤303)根据绝缘栅双极型晶体管漂移区特性建立压控漂移区电阻模型，该压控漂移区电阻的阻值由漏极电压控制，且压控漂移区电阻表达式如下：VCR＝r0+r1*Vds
其中VCR为压控漂移区电阻的阻值，r0、r1为压控漂移区电阻影响因子，Vds为漏极电压值，
步骤304)为了使建立的绝缘栅双极型晶体管直流宏模型能够适用于不同栅宽的绝缘栅双极型晶体管，写出与栅宽有关的参数随栅宽的变化公式如下，PNP晶体管发射结面积倍增因子AREA随栅宽w的变化公式为：
AREA＝(2w0+(2w-2w0)*para)/2w0
AREA表示PNP晶体管的发射结面积倍增因子，将其值定义为发射结面积与标准发射结面积的比值，这里将w＝w0时的发射结面积定义为标准发射结面积，其中w0＝10μm表示所述绝缘栅双极型晶体管直流宏模型适用的最小栅宽，para为AREA的调节因子，w的值介于10μm与120μm之间，压控漂移区电阻尺寸随栅宽w的变化公式如下：
scale＝rd+wrd*(2*w-2*w0)/(2*w0)
其中参数scale是压控漂移区电阻的尺寸参数，单位为1，参数rd和参数wrd是压控漂移区电阻调节因子，参数rd表示当w＝w0时的压控漂移区电阻尺寸，参数wrd用来修正当w不为w0时的电阻尺寸，这里将当w＝w0时的电阻尺寸定为标准最小尺寸，采用与标准最小尺寸的比值来表示参数scale，w0与w的值如上所述，步骤305)将步骤303)到步骤304)得到的各个公式按步骤20)的连接方式写在一个文件中并加入步骤301)、步骤302)NMOS晶体管、PNP晶体管模型参数，最终得到绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的初步模型文件，步骤40)在软件MBP中选择BSIM3v3模型，将步骤10)得到的25℃时的测试数据读入软件MBP中,MBP依据绝缘栅双极型晶体管测试数据形成绝缘栅双极型晶体管测试离散点，再调入步骤30)中得到的初步模型文件，MBP根据所述初步模型文件计算生成绝缘栅双极型晶体管的仿真输出特性曲线，通过调整步骤30)中得到的初步模型文件中的模型参数，改变绝缘栅双极型晶体管的仿真输出特性曲线，最终使测试的离散点和仿真特性曲线之间拟合的均方根误差RMSE小于门限10％，保存对应的绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的模型文件，步骤50)对绝缘栅双极型晶体管直流宏模型进行温度参数的提取，将85℃及150℃时的输出特性数据加载进软件MBP中，通过调节BSIM3v3模型和Gummel-Poon模型中与温度相关的参数，使测试的离散点和仿真特性曲线之间拟合的均方根误差RMSE小于门限10％，步骤60)保存绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的模型参数，获得绝缘栅双极型晶体管直流宏模型最终的模型文件，步骤70)将绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的模型参数添加进电路设计及仿真软件Cadence中，并搭建步骤20)的电路对绝缘栅双极型晶体管进行仿真，得到不同栅宽不同环境温度下的绝缘栅双极型晶体管的输出特性，从而最终建立起绝缘栅双极型晶体管的直流特性仿真方法。
一种绝缘栅双极型晶体管直流特性的仿真方法
技术领域
[0001] 本发明涉及高压功率半导体器件的仿真领域，具体来说，涉及一种绝缘栅双极型晶体管直流特性仿真方法，适用于显示驱动芯片、半桥驱动芯片及智能功率模块的电路仿真设计。
背景技术
[0002] 随着功率半导体器件的理论研究和制造工艺水平的不断提高，80年代出现的绝缘栅双极型器件集高压三极管的大电流处理能力和栅控MOS晶体管特性于一身，具有高的输入阻抗、高的开关速度、小的驱动功率，大的电流驱动能力和低的导通阻抗等优点，是近乎理想的功率半导体器件，具有广泛的发展和应用前景。在功率集成电路的设计过程中，电路仿真是必不可少的一个过程，而电路仿真这个过程所产生的结果能否正确地反映功率集成电路的性能，很大程度上依赖于所建立的器件仿真方法。因此，建立准确实用的高压器件仿真方法，显得尤为关键，但现有的仿真方法对功率器件的描述还是比较粗糙，在各个特性曲线的拟合上，有比较明显的偏差。
[0003] 由于器件模型的仿真连接着器件与电路，只有正确的对绝缘栅双极型晶体管器件进行仿真，才有可能通过电路模拟软件设计出性能优良的功率集成电路。但是，到目前为止都还没有一种成熟完整的针对绝缘栅双极型晶体管器件的仿真方法。在已有的一些研究中，有的是针对于绝缘栅双极型晶体管的某一特性进行研究，有的针对绝缘栅双极型晶体管物理模型、电热模型、解析模型和自热模型的研究，它们侧重于对绝缘栅双极型晶体管器件特性的理论分析，一个真正能实际运用于电路模拟软件Cadence进行仿真的有效方法到目前都还没有。
[0004] 本发明就是要创建这样一种绝缘栅双极型晶体管的仿真方法，该方法能够直接运用于电路模拟软件中，有效地帮助电路设计者解决功率集成电路的仿真问题，进而成功地设计出性能良好的功率集成电路。另外，这个绝缘栅双极型晶体管器件仿真方法的建立对于人们更直观地认识绝缘栅双极型晶体管器件的特性有一定的帮助，对于绝缘栅双极型晶体管器件结构和工艺，以及含有绝缘栅双极型晶体管器件的功率集成电路的设计有一定的指导作用。
发明内容
[0005] 针对绝缘栅双极型晶体管的直流特性，提供一种绝缘栅双极型晶体管直流特性的仿真方法，该方法适用于不同尺寸、不同温度的绝缘栅双极型晶体管并且能够有效模拟绝缘栅双极型晶体管中漂移区的电导调制效应。结合实际测量数据，提取绝缘栅双极型晶体管直流宏模型中用于仿真的模型参数，从而对绝缘栅双极型晶体管进行仿真，并达到规定的仿真精度，建立起绝缘栅双极型晶体管简单有效的仿真方法。
[0006] 一种绝缘栅双极型晶体管直流特性的仿真方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤10）将带有绝缘栅双极型晶体管的圆片放置于探针台上，探针扎到绝缘栅双极型晶体管的端口，将这些端口通过引线与半导体参数测试仪的相应端口连接在一起，分别设置探针台的温度为25℃、85℃和150℃，使用软件MBP控制半导体参数测试仪测得25℃、85℃和150℃时不同栅宽的绝缘栅双极型晶体管的输出特性数据，[0008] 步骤20）建立针对不同栅宽和不同温度的绝缘栅双极型晶体管直流宏模型，所述直流宏模型由一个NMOS晶体管、一个PNP晶体管及一个压控漂移区电阻构成，其中压控漂移区电阻的一端与PNP晶体管的基极相连，压控漂移区电阻的另一端与NMOS晶体管的漏极相连，PNP晶体管的集电极与NMOS晶体管的源极相连作为绝缘栅双极型晶体管的源极，PNP晶体管的发射极作为绝缘栅双极型晶体管的漏极，NMOS晶体管的栅极作为绝缘栅双极型晶体管的栅极，
[0009] 步骤30）获取绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的初步模型文件，[0010] 步骤301）在软件MBP的model菜单中选择BSIM3v3模型并保存，获取NMOS晶体管初始的BSIM3v3模型参数，
[0011] 步骤302）在软件MBP的model菜单中选择Gummel-Poon模型并保存，获取PNP晶体管初始的Gummel-Poon模型参数，
[0012] 步骤303）根据绝缘栅双极型晶体管漂移区特性建立压控漂移区电阻，该压控漂移区电阻的阻值由漏极电压控制，且压控漂移区电阻表达式如下：
[0013] VCR＝r0+r1*Vds
[0014] 其中VCR为压控漂移区电阻的阻值，r0、r1为压控漂移区电阻影响因子，Vds为漏极电压值，
[0015] 步骤304）为了使建立的绝缘栅双极型晶体管直流宏模型能够适用于不同栅宽的绝缘栅双极型晶体管，写出与栅宽有关的参数随栅宽的变化公式如下，
[0016] PNP晶体管发射结面积倍增因子AREA随栅宽w的变化公式为：
[0017] AREA＝(2w0+(2w-2w0)*para)/2w0
[0018] AREA表示PNP晶体管的发射结面积倍增因子，将其值定义为发射结面积与标准发射结面积的比值，这里将w=w0时的发射结面积定义为标准发射结面积，其中w0=10μm表示所述绝缘栅双极型晶体管直流宏模型适用的最小栅宽，para为AREA的调节因子，w的值介于10μm与120μm之间，
[0019] 压控漂移区电阻尺寸随栅宽w的变化公式如下：
[0020] scale＝rd+wrd*(2*w-2*w0)/(2*w0)
[0021] 其中参数scale是压控漂移区电阻的尺寸参数，单位为1，参数rd和参数wrd是压控漂移区电阻调节因子，参数rd表示当w=w0时的压控漂移区电阻尺寸，参数wrd用来修正当w不为w0时的电阻尺寸，这里将当w=w0时的电阻尺寸定为标准最小尺寸，采用与标准最小尺寸的比值来表示参数scale，w0与w的值如上所述，
[0022] 步骤305）将步骤303）到步骤304）得到的各个公式按步骤20）的连接方式写在一个文件中并加入步骤301)、步骤302）NMOS晶体管、PNP晶体管模型参数，最终得到绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的初步模型文件，
[0023] 步骤40）在软件MBP中选择BSIM3v3模型，将步骤10）得到的25℃时的测试数据读入MBP中,MBP依据绝缘栅双极型晶体管测试数据形成绝缘栅双极型晶体管测试离散点，再调入步骤30）中得到的初步模型文件，MBP根据所述初步模型文件计算生成绝缘栅双极型晶体管的仿真输出特性曲线，通过调整步骤30）中得到的初步模型文件中的模型参数，改变绝缘栅双极型晶体管的仿真输出特性曲线，最终使测试的离散点和仿真特性曲线之间拟合的均方根误差RMSE小于门限10%，保存对应的绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的模型文件，
[0024] 步骤50）对绝缘栅双极型晶体管直流宏模型进行温度参数的提取，将85℃及150℃时的输出特性数据加载进软件MBP中，通过调节BSIM3v3模型和Gummel-Poon模型中与温度相关的参数，使测试的离散点和仿真特性曲线之间拟合的均方根误差RMSE小于门限10%，
[0025] 步骤60）保存绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的模型参数，获得绝缘栅双极型晶体管直流宏模型最终的模型文件，
[0026] 步骤70）将绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的模型参数添加进电路设计及仿真软件Cadence中，并搭建步骤20)的电路对绝缘栅双极型晶体管进行仿真，得到绝缘栅双极型晶体管的输出特性，从而建立了绝缘栅双极型晶体管的直流特性仿真方法。
[0027] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0028] （1）所述绝缘栅双极型晶体管仿真方法的建立基于器件物理机制，在绝缘栅双极型晶体管用于仿真的直流宏模型中加入了一个压控漂移区电阻，不仅符合绝缘栅双极型晶体管本身就存在一个较大的漂移区的这一结构特性，而且准确的反映了绝缘栅双极型晶体管处于开态时，大量电子和空穴注入漂移区引起漂移区电阻变小即电导调制效应这一现象。
[0029] （2）所述绝缘栅双极型晶体管直流仿真方法精确度高，现有的绝缘栅双极型晶体管用于仿真的模型只是低压模型的简单组合，不能很好的同时拟合不同尺寸的绝缘栅双极型晶体管。本发明的绝缘栅双极型晶体管直流仿真方法考虑了温度、尺寸对于绝缘栅双极型晶体管直流特性的影响，能够同时仿真不同温度、不同尺寸下的绝缘栅双极型晶体管，使得绝缘栅双极型晶体管的仿真更加接近集成电路中绝缘栅双极型晶体管的实际工作特性，比现有的绝缘栅双极型晶体管直流特性仿真的精确度提高了20%以上，图3、图4及图5的验证结果表明，25℃时不同尺寸的绝缘栅双极型晶体管的测试结果与基于所述仿真方法所得仿真结果的误差很小，图5、图6及图7的验证结果表明，相同尺寸的绝缘栅双极型晶体管在不同温度下的测试结果与基于所述仿真方法所得仿真结果的误差也很小。
[0030] （3）适于工程上推广应用。所述绝缘栅双极型晶体管的仿真方法简单有效，该方法在HSPICE和SPECTRE仿真软件中均可顺利进行仿真，证明了其具有良好的收敛性，适于工程上进行集成电路设计与仿真。
附图说明
[0031] 图1为本发明涉及的绝缘栅双极型晶体管直流特性仿真方法的操作流程图。
[0032] 图2为本发明缘栅双极型晶体管直流宏模型的结构图。
[0033] 图3为w=20μm、t=25℃的绝缘栅双极型晶体管的测试结果与基于所述仿真方法所得仿真结果的对比图。
[0034] 图4为w=50μm、t=25℃的绝缘栅双极型晶体管的测试结果与基于所述仿真方法所得仿真结果的对比图。
[0035] 图5为w=70μm、t=25℃的绝缘栅双极型晶体管的测试结果与基于所述仿真方法所得仿真结果的对比图。
[0036] 图6为w=70μm、t=85℃的绝缘栅双极型晶体管的测试结果与基于所述仿真方法所得仿真结果的对比图。
[0037] 图7为w=70μm、t=150℃的绝缘栅双极型晶体管的测试结果与基于所述仿真方法所得仿真结果的对比图。
具体实施方式
[0038] 下面结合附图进一步说明本发明的技术方案：
[0039] 如图1所示，本发明的一种绝缘栅双极型晶体管直流特性仿真方法，包括以下步骤：
[0040] 步骤10）将带有绝缘栅双极型晶体管的圆片放置于探针台上，探针分别扎到绝缘栅双极型晶体管的端口，将这些端口分别通过引线与半导体参数测试仪的相应端口连接在一起，分别设置探针台的温度为25℃、85℃和150℃，使用MBP控制半导体参数测试仪测得25℃、85℃和150℃时不同栅宽的绝缘栅双极型晶体管的输出特性数据，所述输出特性数据为绝缘栅双极型晶体管的栅极电压从低于阈值电压变化到高于阈值电压的过程中，在对应的每个栅极电压下，从低到高以步长为0.05V扫描漏极电压得到的一组漏极电压对应漏极电流的关系数据，这里的阈值电压为2V～4V，栅极电压为从1V到5V间隔为1V的五个电压值，MBP全称为ModelBuilderProgram，是一种侧重于硅器件的器件建模软件，[0041] 步骤20）建立针对不同栅宽和不同温度的绝缘栅双极型晶体管直流宏模型，如图
1所示，所述直流宏模型由一个NMOS晶体管、一个PNP晶体管及一个压控漂移区电阻构成，其中压控漂移区电阻的一端与PNP晶体管的基极相连，压控漂移区电阻的另一端与NMOS晶体管的漏极相连，PNP晶体管的集电极与NMOS晶体管的源极相连作为绝缘栅双极型晶体管的源极，PNP晶体管的发射极作为绝缘栅双极型晶体管的漏极，NMOS晶体管的栅极作为绝缘栅双极型晶体管的栅极，
[0042] 步骤30）获取绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的初步模型文件，[0043] 步骤301）在软件MBP的model菜单中选择BSIM3v3模型并保存，获取NMOS晶体管初始的BSIM3v3模型参数，
[0044] 步骤302）在软件MBP的model菜单中选择Gummel-Poon模型并保存，获取PNP晶体管初始的Gummel-Poon模型参数，
[0045] 步骤303）根据绝缘栅双极型晶体管漂移区特性建立压控漂移区电阻，该压控漂移区电阻的阻值由漏极电压控制，且压控漂移区电阻表达式如下：
[0046] VCR＝r0+r1*Vds
[0047] 其中VCR为压控漂移区电阻的阻值，r0、r1为压控漂移区电阻影响因子，Vds为漏极电压值，
[0048] 步骤304）如图3、图4及图5所示，为了使建立的绝缘栅双极型晶体管直流宏模型能够适用于不同栅宽的绝缘栅双极型晶体管，写出与栅宽有关的参数随栅宽的变化公式如下，
[0049] PNP晶体管发射结面积倍增因子AREA随栅宽w的变化公式为：
[0050] AREA＝(2w0+(2w-2w0)*para)/2w0
[0051] AREA表示PNP晶体管的发射结面积倍增因子，将其值定义为发射结面积与标准发射结面积的比值，这里将w=w0时的发射结面积定义为标准发射结面积，其中w0=10μm表示所述绝缘栅双极型晶体管直流宏模型适用的最小栅宽，para为AREA的调节因子，w的值介于10μm与120μm之间，
[0052] 压控漂移区电阻尺寸随栅宽w的变化公式如下：
[0053] scale＝rd+wrd*(2*w-2*w0)/(2*w0)
[0054] 其中参数scale是压控漂移区电阻的尺寸参数，单位为1，参数rd和参数wrd是压控漂移区电阻调节因子，参数rd表示当w=w0时的压控漂移区电阻尺寸，参数wrd用来修正当w不为w0时的电阻尺寸，这里将当w=w0时的电阻尺寸定为标准最小尺寸，采用与标准最小尺寸的比值来表示参数scale，w0与w的值如上所述，
[0055] 步骤305）将步骤303）到步骤304）得到的各个公式按步骤20）的连接方式写在一个文件中并加入步骤301)、步骤302）独立的NMOS晶体管、PNP晶体管模型参数，最终得到绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的初步模型文件，
[0056] 步骤40）在MBP中选择BSIM3v3模型，将步骤10）得到的25℃时的测试数据读入MBP中,MBP依据绝缘栅双极型晶体管测试数据形成绝缘栅双极型晶体管测试离散点，再调入步骤30）中得到的初步模型文件，MBP根据所述初步模型文件计算生成绝缘栅双极型晶体管的仿真输出特性曲线，通过调整步骤30）中得到的初步模型文件中的模型参数，改变绝缘栅双极型晶体管的仿真输出特性曲线，最终使测试的离散点和仿真特性曲线之间拟合的均方根误差RMSE小于门限10%，保存对应的绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的模型文件，[0057] 步骤50）如图5、图6及图7所示，为了使建立的绝缘栅双极型晶体管直流宏模型适用于不同温度，对绝缘栅双极型晶体管直流宏模型进行温度参数的提取，将85℃及150℃时的输出特性数据加载进MBP中，通过调节BSIM3v3模型和Gummel-Poon模型中与温度相关的参数，使测试的离散点和仿真特性曲线之间拟合的均方根误差RMSE小于门限
10%，
[0058] 步骤60）保存绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的模型参数，获得绝缘栅双极型晶体管直流宏模型最终的模型文件，
[0059] 步骤70）将绝缘栅双极型晶体管直流宏模型的模型参数添加进电路设计及仿真软件Cadence中，并搭建步骤20)的电路对绝缘栅双极型晶体管进行仿真，得到绝缘栅双极型晶体管的输出特性，从而建立了绝缘栅双极型晶体管的直流特性仿真方法。
