杭 州 電 子 工 業(yè) 學(xué) 院 學(xué) 報(bào)JOURNAL OFHANGZHOU INSTITUTE OF 第 21 卷第 6 期Vol. 21, No. 5 2001 年12 月ELECTRONIC ENGINEERINGDec. 2001 二極管 SPICE 模型參數(shù)的軟件提取曾 毓, 陳顯萼, 胡建萍(杭州 電子工業(yè)學(xué)院電子信息分院, 浙江 杭州 310037)收稿日 期: 2001- 11- 01作者簡(jiǎn)介: 曾毓(1979- ) , 男, 江西寧都人, 2001 屆本科畢業(yè)生, 電子工程.摘要: 本文主要介紹了 二極管的 SPICE 基本模型及其模型參數(shù)的優(yōu) 化提取方法, 簡(jiǎn) 要設(shè)計(jì)并實(shí) 現(xiàn)了 Windows 平臺(tái)下的一個(gè)二極管 SPICE 模型參數(shù)優(yōu)化提取軟件。 軟件提取的流 程基于 Levenberg-Marquardt 法和牛頓法等優(yōu)化提取算法。關(guān)鍵詞: SPICE 模型; 參數(shù)提取; 優(yōu)化算法中圖分類號(hào):TP23文 獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A文章編號(hào): 1001- 9146(2001) 06- 0033- 060 引 言為了進(jìn)行電路模擬, 必須先建立電路各元器件的模型; 一個(gè)理想的元器件模型, 應(yīng)該即能正確反映元器件的電學(xué)特性又適宜在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)值求解。

而電路模擬的精度除了 取決于器件模型外, 還直接依賴于所給定的模型參數(shù)的數(shù)值是否正確。 晶體二極管是半導(dǎo)體器件中最常見和最簡(jiǎn)單的常用器件之一, 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)其SPICE 模型參數(shù)的優(yōu)化提取算法討論較多, 與之對(duì)應(yīng)的提取軟件還是較少。 本文主要討論 SPICE 中的二極管模型參數(shù)提取方法, 在此基礎(chǔ)上運(yùn)用 Levenberg- Marquardt 等優(yōu)化提取算法進(jìn)行模型參數(shù)提取的軟件模塊編制, 最終完成模型參數(shù)提取軟件的編程實(shí)現(xiàn)。 此次設(shè)計(jì)主要是對(duì)模型參數(shù)軟件提取方法的一次初步實(shí)踐, 并為以后各種 SPICE 器件模型參數(shù)提取軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供有益的經(jīng)驗(yàn)。1 二極管 SPICE 模型二極管的 SPICE 模型參數(shù)共有 14 個(gè), 它們是 Is, rs, n, SD, Cj( 0) , W0, m, Eg,XTI,Kf, Af, FC, VB, IBV。實(shí)際上, 二極管模型幾乎都是由器件不同工作區(qū)域的方程組組成的, 即這些模型都擁有分別適用于線性區(qū)、飽和區(qū)和反向偏置區(qū)的獨(dú)立方程, 其中有的參數(shù)只在這些方程組中的部分方程中適用, 因此不可能同時(shí)提取出所有的參數(shù)。 更為實(shí)用的參數(shù)提取方法是根據(jù)一組局域數(shù)據(jù)( 器件某一工作區(qū)域中的數(shù)據(jù)) 利用優(yōu)化法與相關(guān)的模型方程一起來(lái)提取參數(shù), 然后再利用其它的局域數(shù)據(jù)提取其它的參數(shù)。

當(dāng)完成所有工作區(qū)的參數(shù)提取以后, 便可利用整個(gè)工作區(qū)的數(shù)據(jù)提取全部的模型參數(shù)以得到整個(gè)工作區(qū)域的最佳擬合。 這種方法既考慮了 對(duì)器件特性有影響的參數(shù)( 已經(jīng)提取出的參數(shù)除外) 又考慮了模型參數(shù)之間的相互作用。 因此, 一般將二極管 SPICE 模型參數(shù)分為 5 組, 見表 1:表 1 二極管 SPICE 模型中 的 5 組參數(shù)組別SPICE 模型參數(shù)模型方程( 經(jīng)驗(yàn)公式)1Eg, XTI, Kf,Af, FC-2Is, rs, nVcD= rsID+ VD, ID= IS{ exp(VD/( nVt) ) - 1}3Cj( 0) , W0, mCj= Cj( 0) /( 1+ Vrev/W0)m4VB, IBVVrev= VB- Vtln( IBV/Irev)5SDSD= trr/ ln( 1+ Ifwd/Irev) 第 1 組: 是指可以直接從工藝過(guò)程或器件材料中獲得的參數(shù), 如禁帶寬度 Eg、 飽和電路溫度指數(shù)因子X(jué)TI以及噪聲系數(shù)和指數(shù)因子 Kf、Af 等。 受其它參數(shù)影響不大的電容公式系數(shù) FC 也歸在這一組。 通常認(rèn)為這些參數(shù)為已知參數(shù), 無(wú)需優(yōu)化。第 2 組: 是指利用二極管正偏時(shí)得到的正偏電壓、電流特性曲線得到的參數(shù), 該組參數(shù)一般由器件物理參數(shù)Vfwd、 Ifwd確定。