6.2-6.3 二極管和雙極型晶體管模型

第6章集成電路器件及SPICE模型26.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型36.2二極管電流方程及SPICE模型集成電路和半導(dǎo)體器件的各類特性都是PN結(jié)相互作用的結(jié)果，它是微電子器件的基礎(chǔ)。如果通過某種方法使半導(dǎo)體中一部分區(qū)域為P型，另一部分區(qū)域為N型，則在其交界面就形成了PN結(jié)。以PN結(jié)構(gòu)成的二極管的最基本的電學(xué)行為是具有單向?qū)щ娦浴?圖6.13二極管等效電路模型

Cj和Cd分別代表PN結(jié)的勢壘電容和擴散電容。

RS代表從外電極到結(jié)的路徑上通常是半導(dǎo)體材料的電阻，稱之為體電阻。

56.2.2二極管的噪聲模型熱噪聲在寄生電阻RS上產(chǎn)生的熱噪聲：式中，A為結(jié)面積。2.閃爍（1/f）噪聲和散粒噪聲理想二極管產(chǎn)生的1/f噪聲和散粒噪聲：式中，KF為噪聲系數(shù)，AF為噪聲指數(shù)。66.1無源器件結(jié)構(gòu)及模型6.2二極管電流方程及SPICE模型6.3雙極晶體管電流方程及SPICE模型6.4結(jié)型場效應(yīng)管JFET模型6.5MESFET模型6.6MOS管電流方程及SPICE模型6.3雙極型晶體管電流方程及SPICE模型7SPICE中的雙極型晶體管模型常采用Ebers-Moll（即EM）模型和Gummel-Poon（即GP）模型。這兩種模型均屬于物理模型，其模型參數(shù)能較好地反映物理本質(zhì)且易于測量，所以便于理解和使用。圖6.14EM直流模型8由于這種EM模型將電流增益作為頻率的函數(shù)來處理，對計算晶體管存貯效應(yīng)和瞬態(tài)特性不方便，所以改進的EM模型用了電荷控制觀點，即增加電容到模型中。并進一步考慮到發(fā)射極、基極和集電極串聯(lián)電阻，以及集成電路中集電結(jié)對襯底的電容，于是得到EM2模型。9圖6.15EM2模型10圖6.16EM小信號等效電路11GP模型是1970年由H．K．Gummel和H．C．Poon提出的。GP模型對EM2模型在以下幾方面作了改進：

1.直流特性：反映了集電結(jié)上電壓的變化引起有效基區(qū)寬度變化的基區(qū)寬度調(diào)制效應(yīng)，改善了輸出電導(dǎo)、電流增益和特征頻率。反映了共射極電流放大倍數(shù)β隨電流和電壓的變化。

2.交流特性：考慮了正向渡越時間τF隨集電極電流IC的變化，解決了在大注入條件下由于基區(qū)展寬效應(yīng)使特征頻率fT和IC成反比的特性。

3.考慮了大注入效應(yīng)，改善了高電平下的伏安特性。

4.考慮了模型參數(shù)和溫度的關(guān)系。

5.根據(jù)橫向和縱向雙極晶體管的不同，考慮了外延層電荷存儲引起的準飽和效應(yīng)。1213圖6.17GP