Abstract
一個準確以實際等效電路為基礎的大訊號模型，能有效地代表元件端點特性，也就是說此模型必需能符合電壓、電流分析、預測響應、增益等，準確的模型是設計電路不可或缺的要素。本文由DC量測與高頻AC量測來萃取雙極性接面電晶體非線性模型的參數，再由模擬與量測結果之比較來評估其模型的準確性，同時也由非線性模型線性化後的線性模型模擬與高頻量測做比較。我們萃取的模型參數是在現行一般模擬器如最常用的非線性Gummel-Poon模型。從模擬與量測結果中，可看到模型能夠準確的模擬電晶體的直流行為，但在高頻特性模擬準確度則不理想，可以在線性模型中加入寄生元件來改進。另外，我們也從模型參數與量測結果來比較單極性與雙積極以及不同尺寸的元件特性。發現雙基極有較小的基極電阻與較高的電流增益，可是卻有較高的基-集電容，導致一個較低的截止頻率。多晶矽射極雙載子接面電晶體已經廣泛的應用於高速數位與類比電路中。此種電晶體具有增加電流增益與形成極窄基極之優點。一個準確的模型對電路模擬則是一個十分有用的工具。尤其從事高頻電路設計，常因原始設計與實際量測有誤差，而需要調一些被動元件，若誤差太大，甚至無法調起，因此設計者若事先有準確的主動元件模型參數，再利用電腦輔助設計，將可減少設計與製作上的誤差，提高電路可靠度。高頻電路設計者尚需要考慮傳輸線的行為，設計偏壓點後還須使阻抗能夠匹配。商用電腦輔助設計軟體往往提供的元件模型有限，有時只有線性參數模型，甚者是在一固定偏壓點的s參數，則無法滿足設計偏壓點與阻抗匹配的需求，而缺少非線性模型更無法模擬複雜的電路，對RFIC設計如果沒有準確模型，根本無法預知設計性能，製造良率，而製程工程師也需要由模型來評估元件製作是否正確。因此，如何得到一個能準確模擬電晶體以及模型的限制與如何萃取模型參數本身是本文的重點。我們量測了兩種不同的結構的特性與就模型參數上的萃取時遇到的問題。除此之外，我們也比較了不同的射極面積尺寸大小對直流特性以及其對高頻特性的影響。兩種不同的結構分別是單基極的npn電晶體與雙基極的npn電晶體。另外我們把所萃得的參數用來模擬和量測到的s參數作比較。我們可以看出單基極與雙基極的直流電流特性幾乎是一致的。而射極電阻兩者也可看出是一致的，不過集極電阻在雙基極結構中量測結果比較大。而我們也可以從Gummel圖的模擬結果可以看到在高電流區的線並沒有十分吻合，而調動IKR參數並無法明顯的改善。在尺寸的影響方面，可以看到當射極面積越大時，則電流參數也越來越大。Early電壓卻反而隨尺寸變大而越來越小。集極電阻也隨著射極面積變大而變小，因此，當射極面積越大時，對於ealy電壓反而不好。因為單基極的基極電阻比較大所造成，也造成單基極的β比較小。可是我們從萃取結果可以看到兩者的萃取值都大約300，再看模擬結果除了在高電流區以外低電流區和中電流區都不會相差很大。這是因為模型本身的參數為了使模擬結果與量測曲線一致而在最佳化時調整所造成的。所以有些模型的參數並不能被當做是量測值，但卻可以做為一個參考。由量測與模擬結果，我們可以知道Gummel-Poon模型可以準確的模擬直流行為。