[发明专利]一种基于电压延迟行为的铁电电容行为模型

说明书

技术领域

本发明属于集成电路设计技术领域，特别涉及一种基于电压延迟行为的铁电电容行为模型。

背景技术

铁电电容是一种利用铁电材料制作的电容元件，在当今的集成电路设计尤其是存储器电路设计中，具有越来越重要的地位。对于规范而精确的电路设计，基于EDA(电子设计辅助)软件的电路仿真是必不可少的。然而铁电电容作为一种新型的元件，还没有在各种EDA软件中得到独立的模拟模型，给集成电路设计带来了很大困难。因此目前适合EDA软件的铁电电容模型设计仍然是一个很有挑战性的工作。铁电电容模型大体上可分为两种：物理模型和行为模型。物理模型能直观反应铁电材料的物理特性，但构造物理模型需要较深的物理基础，且缺少直观的电路描述，很难在EDA软件中实现。行为模型则抛开铁电理论的细节，只是单纯地从电路的角度观察铁电材料的宏观电学特征，并进行描述，不需要深厚的铁电学物理知识背景，因而比较容易实现。以下简要介绍一下已有的几种行为模型。

(1)双电容模型：这是一个早期的建立在电滞同线基础上的模型。这个模型将电滞回线在纵轴右边的两支用两条直线来近似，每条直线对应一个线性电容，电容值即直线的斜率，模型参数可以通过从实验曲线中提取得到，模型结构参照图3。但是由于电滞回线不但跟铁电电容大小有关，还跟所加的信号波形有关，因此当改变信号后，参数需要重新提取。在实际存储器电路中，加在铁电电容上的信号幅度和波形是无法预知的，这样不同情形下的模型参数只能设定得很粗略，在实际模拟中存在很大误差。因此这个模型是一个很粗糙的电容模型。

(2)数值模型：用一个双曲正切函数来模拟回线。数值模型为铁电电容静态特性分析提供了一种很好的方法，但不适合作瞬态分析，因为它不包含任何和瞬态行为有关的参数。

(3)分布式反转场模型：在偶极子上加上足够的电场时，偶极子会从一种状态翻转为另一种状态，使偶极子发生极化方向翻转的临界电场即矫顽电场。对于单畴的铁电体，这个矫顽电场跟这种材料的电滞回线的矫顽场一致；对于多畴铁电体，由于电畴的方向各不相同，不同电畴在不同的外加电压下发生反转。当电畴数目非常大时，不同电压下发生反转的电畴数目对电压形成高斯分布，这样，假定每个电畴的极化对总极化强度的贡献相同，则每增加单位电压所导致的极化强度的增加对电压也符合高斯分布。这个模型和数值模型相比，本质上是类似的。

(4)基于铁磁的模型：铁电体和铁磁体有许多类似之处，因此可以利用已有的铁磁核模型来仿真铁电模型。基于铁磁基础的模型将加在铁电电容上的电压按比例转换为电流源，加在磁芯上，产生基于磁滞回线的电压，再将电压按比例转换为通过铁电电容的电流，模型结构参照图4，其中K1、K2为两个比例系数。如果磁芯模型精度提高，铁电电容类磁模型的精度也可以进一步提高，但这个模型不适于作瞬态分析，因为这两者在瞬态特性上没有共性。

(5)基于电流的激化反转模型：这个模型既可以作静态分析也可以作瞬态分析。模型将铁电电容看作电容和一个电流源并联。电容由铁电材料的小信号介电系数来确定，电流源代表电容的极化反转电流，通过对电容进行脉冲测试得到。对于每种不同的脉冲幅度，电流源参数需要重新确定，这增加了模型的复杂性，不利于模型的实际应用，因为加在铁电电容上的电压事先是不知道的。另外模型参数对电路的时间常数也具有依赖型。

(6)零反转时间瞬态模型(ZSTT)：模型假定铁电电容的极化反转时间为零，当所研究电路的RC常数远远大于铁电电容的极化反转时间时，假定所带来的误差是可以忽略的。反转时间为零意味着铁电电容极化电荷的增加是瞬时的，电荷的增量只是外加电压合铁电电容初始状态的函数，它与时间无关。ZSTT铁电电容模型的电路主要由两部分组成，一是控制铁电电容状态转换的开关，二是C₀(V₀)和C₁(V₁)两个非线性电容，模型结构参见图5，其中S01、S02、S11和S12为电容状态转换开关。电容开关的逻辑控制需要复杂的电路，不利于模拟。同时，两个非线性电容的值通常采用分段线性的数据列表，对不同的电容，要更换大量数据才能仿真。

以上的各种模型或是不够精确，或是使用不便，或是结构复杂难于控制，因此应用在EDA工具中时都有所不便。SPICE是目前最常用的EDA电路仿真工具，针对这一工具的铁电电容模型变得非常重要。

发明内容