KR100552819B1

KR100552819B1 - 다이오드의 스파이스 모델링 시스템 및 이를 이용한모델링 방법

Info

Publication number: KR100552819B1
Application number: KR1020040061413A
Authority: KR
Inventors: 곽상훈
Original assignee: 동부아남반도체 주식회사
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-21
Also published as: KR20060012775A; US7080332B2; US20060031793A1

Abstract

본 발명에 따른 다이오드 스파이스 모델링 방법은 복수개의 다이오드의 전기적 특성을 측정하는 단계, 전기적 특성을 일반화하는 단계, 일반화된 전기적 특성으로부터 각각의 다이오드에 대한 복수개의 소자 변수를 추출하는 단계, 각 다이오드에 대한 소자 변수를 단위 면적당 값으로 변환하는 단계, 변환된 소자 변수로부터 선형식을 추출하는 단계, 선형식 및 소자 변수로부터 임의의 다이오드의 면에 대한 전기적 특성을 예측하는 단계를 포함한다.

다이오드, 스파이스, 모델링

Description

다이오드의 스파이스 모델링 시스템 및 이를 이용한 모델링 방법{Spice simulation system for diode and method of simulation using the same}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다이오드 스파이스 모델링 시스템이고,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다이오드 스파이스 모델링 방법을 도시한 순서도이고,

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 선형식을 도출하기 위한 그래프이고,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스파이스의 입력(input)을 도시한 도면이고,

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 예측한 다이오드의 전기적 특성값과 실제 측정한 다이오드의 전기적 특성값을 비교한 그래프이다.

본 발명은 다이오드의 모델링 방법에 관한 것으로 특히, 스파이스를 이용하여 모델링하는 방법에 관한 것이다.

전자 회로를 제작함에 있어서 실제의 전자 회로를 제작하기 전에 시뮬레이션이 수행된다. 이러한 시뮬레이션을 통하여 실제의 회로 제작시에 발생할 수 있는 시행착오를 최소화한다.

이러한 시뮬레이션 프로그램 중의 대표적인 것이 스파이스(simulation program with integrated circuit emphasis, SPICE)이다.

스파이스는 모델 데이터, 소자 파라미터 데이터와 설계 데이터를 사용하여 반도체 집적 회로를 시뮬레이션 한다.

다이오드를 시뮬레이션하기 위해서는, 먼저 서로 다른 면적과 길이를 갖고 있는 두 개의 다이오드 구조로부터 전기적인 특성을 측정하고 이 결과를 이용하여 다이오드의 소자 변수를 추출한다. 그리고 이 값들을 정규화하여 스파이스 모델을 확보한다. 그런 다음 사용할 면적과 길이를 적용함으로써 전기적인 특성에 대한 결과를 예측할 수 있다.

그러나 얻어진 결과를 모든 면적과 길이에 적용할 경우 정확하지 않을 수도 있으며, 이는 추출하기 위해 사용된 구조와 동일하지 않은 다른 크기를 갖는 다이오드의 경우 다이오드와 접촉하기 위한 접촉부(contact)의 수, 접촉부의 끝으로부터 거리, 전류 흐름과 크라우딩(crowding) 효과 등 여러 가지 요인으로 인해 변화하는 전기적인 특성을 정확하게 대변하지 못했기 때문이다.

도 1은 종래 기술에 따른 시뮬레이션 결과와 실제 측정한 전기적인 특성을 도시한 그래프로, 도시한 바와 같이, 실제 측정 값과 시뮬레이션 값과는 차이가 있음을 알 수 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 모든 면적과 길이에 적용할 수 있는 모델을 확보하기 위한 방법을 제시하여 다이오드 소자의 전기적인 특성에 대한 예측 및 이를 이용한 설계의 효율성을 극대화한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다이오드 스파이스 모델링 방법은 복수개의 다이오드의 전기적 특성을 측정하는 단계, 전기적 특성을 일반화하는 단계, 일반화된 전기적 특성으로부터 각각의 다이오드에 대한 복수개의 소자 변수를 추출하는 단계, 각 다이오드에 대한 소자 변수를 단위 면적당 값으로 변환하는 단계, 변환된 소자 변수로부터 선형식을 추출하는 단계, 선형식 및 소자 변수로부터 임의의 다이오드의 면에 대한 전기적 특성을 예측하는 단계를 포함한다.

여기서 선형식을 추출하는 단계는 단위 면적당 값으로 변화된 각각의 다이오드에 대한 소자 변수를 회귀 분석의 최소 자승법을 이용하여 추출하는 것이 바람직하다.

그리고 소자 변수를 추출하는 단계에서, 소자 변수는 역포화 전류(IS), Knee 전류(IK), emisstion coefficient(N), Sheet 저항(RS)를 추출하는 것이 바람직하다.

또한, 전기적 특성은 전압의 변화에 따른 전류값을 측정하는 것이 바람직하다.

또한, 선형식은

인 것이 바

상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다이오드의 스파이스 모델링 시스템은 복수개의 다이오드로부터 전압의 변화에 따른 전류값을 측정하는 특성 측정부, 특성 측정부에 의해 측정된 전류를 일반화한 전류값을 계산하는 전류 계산부, 전류 계산부에 의해 계산된 전류값을 이용하여 각 다이오드에 대한 소자 변수를 추출하는 변수 추출부, 소자 변수에 대한 선형식을 도출하는 선형식 도출부, 도출된 선형식 및 소자 변수로부터 다이오드의 전기적 특성을 예측하는 예측부를 포함한다.

여기서 선형식 도출부는 소자 변수를 단위 면적당 값으로 변환한 후 회귀 분석의 최소 자승법을 이용하여 도출하는 것이 바람직하다.

또한, 선형식은

인 것이 바람

또한, 소자 변수는 IS, IK, N, RS인 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

도 1은 본 발명에 따른 다이오드 스파이스 모델링 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1은 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 다이오드 스파이스 모델링 시스템(100)은 복수개의 다이오드로부터 전기적인 특성을 측정하는 특성 측정부(10), 측정부에 의해 측정된 전류를 일반화한 전류값을 계산하는 전류 계산부(20), 계산부에 의해 계산된 전류값을 이용하여 소자 변수를 추출하는 변수 추출부(30), 소자 변수에 대한 선형식을 도출하는 선형식 도출부(40), 도출된 선형식 및 소자 변수로부터 다이오드의 전기적 특성을 예측하는 예측부(50)를 포함한다.

여기서 특성 측정부(10)는 평판 구조 또는 핀거(finger)구조와 같은 여러가지 구조 및 크기를 가진 복수개의 다이오드로부터 전압의 변화에 따른 전류값을 측정하는 부분이다. 그리고 전류 계산부(20)는 특성 측정부(10)에 의해 측정된 전류값을 각각의 구조에 대해 다이오드의 개수로 나누어 전류값을 일반화하는 부분이다.

다음 변수 추출부(30)는 전류 계산부(20)에 의해 일반화된 전류값을 정해진 수식에 대입하여 각각의 다이오드에 대한 소자 변수를 추출하는 부분이다.

그리고 선형식 도출부(40)는 변수 추출부(30)에서 추출된 각 다이오드에 대한 소자 변수를 회귀 분석의 최소 자승법을 이용하여 선형식을 유도한다.

이러한 본 발명에 따른 다이오드 스파이스 모델링 시스템을 이용하여 다이오드를 모델링 하는 방법에 대해서 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 발명에 다른 다이오드 스파이스 모델링 시스템을 이용하여 다이오드를 모델링 하는 방법을 도시한 순서도이다.

먼저 특성 측정부(10)에서 확보할 수 있는 여러 가지 구조(평판 구조 및 핑거(finger) 구조 등)와 크기를 가진 다이오드 구조로부터 전압의 변화에 따른 전류값을 측정(S202)한다. 그리고 전류 계산부(20)에 의해 측정한 전류를 각각의 구조에 대해 다이오드의 개수만큼으로 나누어 일반화한 전류값(id)을 구한다(S204).

다음 일반화한 전류값(id)으로부터 각각의 다이오드에 대한 소자 변수 중 면적의 영향을 받는 IS, IK, N, RS를 추출(S206)한다.

이중 IS는 역포화 전류를 나타내는 값으로 ISeff=AREAeff*IS와 같이 면적의 함수로 표현되고, IK는 Knee 전류로 다이오드의 전류를 결정 짓는 소자 변수로 IKeff=Ik*AREAeff와 같이 면적의 함수로 표현된다.

그리고 N은 각각의 다이오드 크기에 따라 이미션 계수(emission coefficient)가 차이가 나므로 이에 대한 경험적 변수(empirical parameter)로 N을 선정한다.

이들 IK, IS, N은 [수학식1]로부터 추출할 수 있다.

한편 본 발명에 필요한 나머지 소자 변수 RS는 시트(Sheet) 저항으로 다이오드의 단위 면적당 저항값을 나타내는 소자 변수이다.

다음 소자 변수 중 IK, N, RS 라는 소자 변수를 선형식 도출부(40)에 대입한다. 대입된 각각의 다이오드에 대한 소자 변수는 일반화한 면적, 즉 다이오드 한 개 당 면적에 대응하는 값으로 변화시킨 후 이로부터 각 소자 변수에 대해서 [수학식2]와 같은 선형식을 도출(S208)한다.

[수학식2]는 회귀 분석의 최소 자승법으로 구할 수 있으며, 최소 자승법을 이용하여 선형식을 도출할 때 도 3에 도시한 바와 같이, 소자 변수 IK, RS의 X축과 Y축은 모두 로그에 의해 정의된 값, 즉 면적(X축) 과 추출된 각각의 소자 변수 값(Y축)이 모두 로그값으로 계산되어 처리한다. 그리고 소자 변수 N의 면적(X축)은 로그 값을 사용하고, 추출된 소자 변수 값(Y축)은 원래의 값으로 사용된다.

그리고 IS는 다이오드의 구조에 따라서 JS, JSW의 값으로 나눌 수 있다. 이중 IS는 ISeff=IS*AREAeff로 표현되는 면적의 함수로 JS와 동일하게 사용한다. 그리고 JSW는 JSWeff=JSW*PJeff로 표현되는 길이의 함수이다. 즉, 면적이 큰 다이오드의 전류양에 영향을 받는 소자 변수는 JS이고, 상대적으로 길이가 긴 다이오드 전류의 양에 영향을 많이 받는 소자 변수는 JSW이다. 이때 길이가 긴 다이오드의 경우 면적 성분에 따른 전류의 양도 있지만 상대적으로 길이에 대한 양에 더 영향을 받는다.

이러한 JS, JSW는 [수학식3]에 도시한 방정식을 이용하여 구할 수 있다.

이때 IS1은 상대적으로 면적이 큰 다이오드의 IS이고, IS2는 상대적으로 길이가 긴 구조를 갖는 다이오드의 IS이다.

이렇게 구해진 JS, JSW는 측정된 값 중 오차가 가장 적은 범위의 값으로 결정된다. 즉, JS, JSW로부터 면적과 길이를 계산하고 그 값과 원래의 IS값과의 비율 을 계산하고, 이 값을 누적하여 사용하는데, 제곱을 하면 1보다 작은 값은 더욱 작게, 큰 값을 더욱 크게 하여 오차의 범위를 확실히 할 수 있다. 여기서 1은 이상적인 경우의 값이다.

이런 식으로 모든 구조에 대해서 계산한 비율의 누적값으로부터 평균값을 구하고 이 값이 1에 가장 근접한 소자 변수 값을 찾아서 JS, JSW를 추출한다.

이렇게 결정된 JS, JSW와 [수학식2]는 스파이스 저장소(spice library)의 형태로 표현되어 회로 시뮬레이션에 이용된다. 즉, 도 4에 도시한 바와 같이, 스파이스를 이용하여 임의의 다이오드에 대한 전기적인 특성을 시뮬레이션한다(S210). 여기서 임의의 파라미터 값(다이오드의 면적 및 길이, 도시하지 않음)에 대한 전기적인 특성을 예측하기 위해서 본 발명에 따른 스파이스의 입력으로 N, RS, IK는 [수학식2]로 대체되어 있으며, JS, JSW는 기 설명한 방법으로 추출한 값으로 입력한다.

도 5는 본 발명에 따른 시뮬레이션한 값과 실제 측정된 값을 비교한 그래프이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 면적(AREA)이 18750um²이고, 길이(PERI)가 550um일 때, 면적(AREA)이 7875um²이고, 길이(PERI)가 43876um일 때, 면적(AREA)이 8500um²이고, 길이(PERI)가 34000um일 때, 면적(AREA)이 2672.64um²이고, 길이(PERI)가 33408um일 때와 같이 임의의 네 경우에 대해서 측정한 다이오드 소자의 전기적 특성값을 실제로 측정하여 도시한 그래프(점선)와 본 발명에 의해서 시 뮬레이션한 결과(실선)에 의한 그래프가 거의 같음을 알 수 있다.

이상의 본 발명의 바람직한 실시예에서 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

이상 기술된 바와 같이 본 발명에 의한 선형식을 이용한 스파이스 모델링을 이용하면 모든 면적 및 길이에 대해서도 실제와 거의 일치하는 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있다.

Claims

복수개의 다이오드의 전기적 특성을 측정하는 단계,

상기 전기적 특성을 일반화하는 단계,

상기 일반화된 전기적 특성으로부터 각각의 다이오드에 대한 복수개의 소자 변수를 추출하는 단계,

상기 각 다이오드에 대한 소자 변수를 단위 면적당 값으로 변환하는 단계,

상기 변환된 소자 변수로부터 선형식을 추출하는 단계,

상기 선형식 및 상기 소자 변수로부터 임의의 다이오드의 면에 대한 전기적 특성을 예측하는 단계를 포함하는 다이오드의 스파이스 모델링 방법.
제1항에서,

상기 선형식을 추출하는 단계는

상기 단위 면적당 값으로 변화된 상기 각각의 다이오드에 대한 소자 변수를 회귀 분석의 최소 자승법을 이용하여 추출하는 다이오드의 스파이스 모델링 방법.
제1항에서,

상기 소자 변수를 추출하는 단계에서,

상기 소자 변수는 역포화 전류(IS), Knee 전류(IK), emisstion coefficient(N), Sheet 저항(RS)를 추출하는 다이오드의 스파이스 모델링 방법.
제1항에서,

상기 전기적 특성은 전압의 변화에 따른 전류값을 측정하는 다이오드 스파이스 모델링 방법.
제1항에서,

상기 선형식은

인 다이오드 스파이스 모델링 방법.
복수개의 다이오드로부터 전압의 변화에 따른 전류값을 측정하는 특성 측정부,

상기 특성 측정부에 의해 측정된 전류를 일반화한 전류값을 계산하는 전류 계산부,

상기 전류 계산부에 의해 계산된 전류값을 이용하여 각 다이오드에 대한 소자 변수를 추출하는 변수 추출부,

상기 소자 변수에 대한 선형식을 도출하는 선형식 도출부,

상기 도출된 선형식 및 소자 변수로부터 다이오드의 전기적 특성을 예측하는 예측부를 포함하는 다이오드의 스파이스 모델링 시스템.
제6항에서,

상기 선형식 도출부는 상기 소자 변수를 단위 면적당 값으로 변환한 후 회귀 분석의 최소 자승법을 이용하여 상기 선형식을 도출하는 다이오드 스파이스 모델링 시스템.
제6항에서,

상기 선형식은

인 다이오드 스파이스 모델링 시스템.
제6항에서,

상기 소자 변수는 IS, IK, N, RS인 다이오드 스파이스 모델링 시스템.