一种反铁电电容等效电路制造技术

本发明专利技术公开了一种反铁电电容等效电路，主要解决现有反铁电电容模型用于电路仿真时复杂且计算量大的问题。其包括一个正端点、一个负端点，两端点之间并联连接有两个支路，每条支路均由其压控开关与其子电路串联组成，且两个子电路的结构相同，电路参数不同；每个子电路有两个端口节点，两节点之间并联连接一个线性电容，一个线性电阻，一个压控电流源和一个压控电压源；压控电压源的输出端串联一个线性电阻，并联一个线性电容；该电流源的电流与流过压控电压源的电流大小相等，通过这两条支路的结合模拟反铁电电容的电学特性。本发明专利技术所用电路元件都是能直接调用的元件，且电路结构简单，仿真速度快，精度高，可用于集成电路设计和仿真。仿真。仿真。

【技术实现步骤摘要】
一种反铁电电容等效电路


[0001]本专利技术属于集成电路设计
，特别涉及一种反铁电电容的等效电路，可用于集成电路设计和仿真。

技术介绍

[0002]随着集成电路的发展，越来越多的研究关注反铁电电容作为基本元件的存储器电路。对于规范且精确的电路设计，基于EDA软件的电路仿真必不可少。但是由于反铁电电容的非线性特征，且是一种新型元件，还没有独立的模拟模型，给电路的设计和创新带来了较大的困难，有必要建立适用于EDA软件的反铁电电容模型，但是由于铁电电容的复杂物理特性和电学特性，无法直接调用已有的电路模型。因此，为了促进反铁电电容的集成电路的设计和创新，有必要建立电路兼容的反铁电电容模型。
[0003]反铁电电容的电路模型大体可以分为两种，即基于物理的电路模型和基于数学的电路模型。基于物理的电路模型是从物理机理和物理方程出发，将其转化为能够使用电路语言verilog及网表表示的电路方程，以反映反铁电材料的物理特性，但是该物理模型通常很难在EDA软件中实现。基于数学的电路模型，是将反铁电材料视作黑盒子，仅从电路的角度描述反铁电材料的宏观行为，不涉及物理机制，虽说比较容易实现，但却由于其模型简单，无法模拟一些反铁电材料的物理细节。
[0004]一.现有基于物理的电路模型主要有Kittel模型、蒙特卡罗模型、微观能量模型，其中：
[0005]Kittel模型：该模型将一个反铁电材料描述为两个子晶格，每个子晶格有单独的极化，进而对反铁材料的自由能建模为关于子晶格自由能的方程，该物理方程可集成到TCAD中进行反铁电电容的仿真，但目前还没有针对反铁电材料的等效电路。
[0006]蒙特卡罗模型：是一种基于畴成核限制翻转动力学所建立的电路兼容模型，其将多晶反铁电体视为独立切换的基本区域的集合，每个基本区域对应一个晶粒。反铁电材料包括t相晶粒和o相晶粒，每个晶粒具有不同的成核时间，该成核时间由该晶粒的激活场和施加的电场确定，晶粒的激活场满足统计规律。使用蒙特卡罗算法计算所有晶粒的极化总和，可以准确得到反铁电材料在任一时间点的总极化。但对于高密度的集成电路，该模型计算量较大，且不适合在电路中实现。
[0007]微观能量模型：是一种基于物理的电路兼容模型，其将反铁电材料视为两个子晶格，对每个子晶格使用朗道
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金兹堡模型，将反铁电材料的总能量表示为两个子晶格的自由能与子晶格之间的相互作用能的总和。可在TCAD仿真工具中再现反铁电材料的物理特性，但该模型的总能量方程比较复杂，晶格之间的相互作用能量不适合用已有电路元件来表示。
[0008]二.现有基于数学的电路模型主要有数值模型、非线性电容电路模型。其中：
[0009]基于Preisach的反铁电电路兼容模型：是一种基于数学的电路兼容模型，其使用数学函数再现铁电材料的回滞行为，该模型被广泛地用于模拟铁电材料，它也可以用来模
拟反铁电材料。由于铁电材料可以看作由满足统计规律的偶极子组成，通过叠加统计分布偶极子获得整体极化值。统计分布偶极子的矫顽场由单个矫顽场和相对于矫顽场的特定密度函数组成。如果密度函数是高斯型的，则产生的极化满足双曲正切函数。学者A.K.Saha和S.K.Gupta在2018 76th Device Research Conference(DRC)中发表的名为Modeling and Comparative Analysis of Hysteretic Ferroelectric and Anti
‑
ferroelectric FETs的文章中，提出先将反铁电材料的饱和回滞曲线分为两支，每支都使用两个双曲正切函数来描述，再结合动态电容计算不饱和回滞曲线。由于双曲正切函数可以在EDA软件中实现，故该模型为反铁电电容静态特性分析提供了一种很好的方法。但由于四个双曲正切函数使得电路复杂度高，该模型不适合用已有电路元件来重现。
[0010]非线性电容电路模型：该模型利用SPICE程序中的表达式功能建立非线性电容元件，即利用数学表达式描述铁电电容的回滞曲线，是一种基于数学的铁电电容模型。
[0011]2008年清华大学所在申请号为200810103446.1的专利文献中提出利用非线性电容和控制电路再现铁电电容的回滞曲线。该模型将铁电电容的回滞曲线分为两支，利用公式对每支进行拟合，将两支合在一起得到完整的铁电电容的C
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V关系式，该关系式即非线性电容的公式。对于反铁电电容，其回滞曲线为双回滞曲线，表现出更高的非线性，对应数学关系式更加复杂，因此，利用非线性电容再现双回滞曲线比较困难。
[0012]上述的模型由于存在或是不够精确，或是比较复杂，或是应用到EDA工具中进行仿真时不够便捷的不足，因而，设计针对EDA仿真的反铁电电容的电路模型变得十分重要。

技术实现思路

[0013]本专利技术的目的在于针对上述已有模型的不足，提出一种反铁电电容等效电路，以简化模型结构，提高模型精确度，方便地应用到各种EDA工具中，实现快速、准确的仿真。
[0014]为实现上述目的，本专利技术的反铁电电容等效电路，包括一个正端点、一个负端点，其特征在于，两端点之间并联连接有两个支路，每条支路分别由其压控开关与其子电路串联组成，且两个子电路的结构相同，电路参数不同，通过这两条支路的结合模拟反铁电电容的电学特性。
[0015]进一步，所述第一条支路由压控开关SW1和子电路SC1串联组成，该子电路SC1包括两个端口节点n1+和n1
‑
，两节点之间并联连接一个RC积分电路、第一压控电流源gv1和第一压控电压源kv1；第一压控电压源kv1的输出端串联第一线性电阻R1，并联第一线性电容C1。
[0016]进一步，所述第二条支路由压控开关SW2和子电路SC2串联组成，该子电路SC2包括两个端口节点n2+和n2
‑
，两节点之间并联连接一个RC积分电路、第二压控电流源gv2和第二压控电压源kv2；第二压控电压源kv2的输出端分别与第二线性电阻R2串联连接，与第二线性电容C2并联连接。
[0017]本专利技术与现有技术相比，具有如下优点：
[0018]1.本专利技术反铁电电容的等效电路中通过使用已有的电路元件，例如电阻、电容、压控开关、压控电压源和压控电流源，可以在现有EDA工具中直接调用，且易于集成到存储器或振荡器等集成电路中，使得电路仿真和设计更加方便。
[0019]2.本专利技术反铁电电容的等效电路中，通过将反铁电电容等效为两个子电路，使得反铁电电容等效电路得到简化。
[0020]3.本专利技术反铁电电容的等效电路中，每个子电路仅用两个电阻、两个电容、一个压控电压源和一个压控电流源，使用较少的电路元件，使得等效电路复杂度低，有利于提高仿真速度。
[0021]4.本专利技术反铁电电容的等效电路中，通过对压控电压源的多项式系数进行精确计算并赋值，有利于提高仿真结果的精确度。
附图说明
[0022]图1为本专利技术的反铁电电容等效电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种反铁电电容等效电路，包括一个正端点、一个负端点，其特征在于，两端点之间并联连接有两个支路(1，2)，每条支路均由其压控开关与其子电路串联组成，且两个子电路的结构相同，电路参数不同，通过这两条支路的结合模拟反铁电电容的电学特性。2.根据权利要求1所述的等效电路，其特征在于，第一条支路(1)由压控开关SW1和子电路SC1串联组成，该子电路SC1包括两个端口节点(n1+，n1‑
)，两节点之间并联连接一个RC积分电路、第一压控电流源gv1和第一压控电压源kv1；第一压控电压源kv1的输出端串联第一线性电阻R1，并联第一线性电容C1。3.根据权利要求1所述的等效电路，其特征在于，第二条支路(2)由压控开关SW2和子电路SC2串联组成，该子电路SC2包括两个端口节点(n2+，n2‑
)，两节点之间并联连接一个RC积分电路、第二压控电流源gv2和第二压控电压源kv2；第二压控电压源kv2的输出端分别与第二线性电阻R2串联连接，与第二线性电容C2并联连接。4.根据权利要求1所述的等效电路，其特征在于，所述的两个压控开关(SW1、SW2)的关断和闭合由其输入电压进行控制：当施加的电压大于0时，压控开关SW1闭合，选择子电路SC1工作；当施加的电压小于0时，压控开关SW2闭合，选择子电路SC2工作。5.根据权利要求2或3所述的等效电路，其特征在于，所述的RC积分电路是由1法拉的线性电容C0和一个1G欧姆的线性电阻并联连接组成，用于对流过该支路的电流进行积分，分别得到子电路SC1的极化电荷量Q1和子电路SC2的极化电荷量Q2，该极化电荷量Q1和Q2在数值上分别与通过该支路的电压相等。6.根据权利要求2或3所述的等效电路，其特征在于，流过所述第一或第二压控电流源(gv1或gv2)的电流与流过所述第一或第二压控电压源(kv1或kv2)的电流大小相等，大小分别为dQ1/dt或dQ2/dt，即流过反铁电电容的极化电流。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭悦，韩根全，武秋霞，刘艳，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：