Umfassender Leitfaden zur Halbleiterbauelement-Modellierung in SPICE

Das SPICE (Simulation Program Integrated Circuit Emphasis) Elektronik-Simulationsprogramm stellt Schaltungselemente und Modelle für Halbleiter bereit. Die SPICE-Elementnamen beginnen mit d, q, j oder m und entsprechen Diode, BJT, JFET und MOSFET. Diese Elemente werden von entsprechenden "Modellen" begleitet, die umfangreiche Parameterlisten zur Beschreibung des Bauelements enthalten. Wir listen sie hier nicht auf. In diesem Abschnitt geben wir eine sehr kurze Auflistung einfacher SPICE-Modelle für Halbleiter, gerade genug für den Einstieg. Für Details zu Modellen und eine umfangreiche Parameterliste siehe Kuphaldt.[TRK] Diese Referenz enthält auch Anweisungen zur SPICE-Nutzung.

Modelle:

Diode

Diode: Die Dioden-Anweisung beginnt mit einem Elementnamen, der mit "d" beginnen muss, gefolgt von optionalen Zeichen. Beispielhafte Dioden-Elementnamen: d1, d2, dtest, da, db, d101 usw. Zwei Knotennummern spezifizieren die Anode- und Kathodenanschlüsse zu anderen Komponenten. Den Knotennummern folgt ein Modellname, der auf eine ".model"-Anweisung verweist.

Die Modellanweisung beginnt mit ".model", gefolgt vom Modellnamen, der zu einer oder mehreren Diodenanweisungen passt. Darauf folgt ein "d", das anzeigt, dass eine Diode modelliert wird. Der Rest der Modellanweisung ist eine Liste optionaler Diodenparameter der Form ParameterName=ParameterValue. Keine sind im folgenden Beispiel gezeigt. Für eine Liste siehe Referenz "diodes".[TRK]

Allgemeine Form: d[name] [anode] [cathode] [model] .model [modelname] d ( [parmtr1=x] [parmtr2=y] ...)
Beispiel: d1 1 2 mod1 .model mod1 d

Modelle für spezifische Dioden-Typennummern werden oft vom Halbleiterhersteller bereitgestellt. Diese Modelle enthalten Parameter. Andernfalls greifen die Parameter auf sogenannte "Standardwerte" zurück, wie im Beispiel.

Bipolarer Transistor (BJT)

BJT, bipolarer Transistor: Die BJT-Elementanweisung beginnt mit einem Elementnamen, der mit "q" beginnen muss, mit zugehörigen Schaltbild-Bezeichnerzeichen, Beispiel: q1, q2, qa, qgood. Die BJT-Knotennummern (Anschlüsse) identifizieren die Verdrahtung von Kollektor, Basis, Emitter jeweils. Ein Modellname nach den Knotennummern ist mit einer Modellanweisung verknüpft.

Allgemeine Form: q[name] [collector] [base] [emitter] [model] .model [modelname] [npn or pnp] ([parmtr1=x] ...)
Beispiel: q1 2 3 0 mod1 .model mod1 pnp
Beispiel: q2 7 8 9 q2n090 .model q2n090 npn ( bf=75 )

Die Modellanweisung beginnt mit ".model", gefolgt vom Modellnamen, gefolgt von entweder "npn" oder "pnp". Die optionale Parameterliste folgt und kann sich über einige Zeilen fortsetzen, beginnend mit dem Zeilenfortsetzungssymbol "+", Plus. Oben ist der vorwärts gerichtete β-Parameter auf 75 für das hypothetische q2n090-Modell gesetzt. Detaillierte Transistormodelle sind oft von Halbleiterherstellern verfügbar.

Feldeffekttransistor (FET)

FET, Feldeffekttransistor: Die Feldeffekttransistor-Elementanweisung beginnt mit einem Elementnamen, der mit "j" für JFET beginnt, verbunden mit eindeutigen Zeichen, Beispiel: j101, j2b, jalpha usw. Die Knotennummern folgen für Drain, Gate und Source jeweils. Die Knotennummern definieren Konnektivität zu anderen Schaltungskomponenten. Schließlich gibt ein Modellname das zu verwendende JFET-Modell an.

Allgemeine Form: j[name] [drain] [gate] [source] [model] .model [modelname] [njf or pjf] ( [parmtr1=x] ...)
Beispiel: j1 2 3 0 mod1 .model mod1 pjf
Beispiel: j3 4 5 0 mod2 .model mod2 njf ( vto=-4.0 )

Das ".model" in der JFET-Modellanweisung wird vom Modellnamen gefolgt, um dieses Modell für die JFET-Elementanweisung(en) zu identifizieren, die es verwenden. Dem Modellnamen folgt entweder pjf oder njf für p-Kanal- oder n-Kanal-JFETs. Eine lange Liste von JFET-Parametern kann folgen. Wir zeigen nur, wie Vp, die Pinch-off-Spannung, auf -4,0 V für ein n-Kanal-JFET-Modell gesetzt wird. Andernfalls greift dieser vto-Parameter auf -2,5 V oder 2,5 V für n-Kanal- bzw. p-Kanal-Bauelemente zurück.

Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET)

MOSFET, Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor: Der MOSFET-Elementname muss mit "m" beginnen und ist das erste Wort in der Elementanweisung. Es folgen die vier Knotennummern für Drain, Gate, Source und Substrat jeweils. Danach kommt der Modellname. Beachten Sie, dass Source und Substrat im Beispiel beide mit demselben Knoten "0" verbunden sind. Diskrete MOSFETs sind als Drei-Anschluss-Bauelemente verpackt, Source und Substrat sind derselbe physische Anschluss. Integrierte MOSFETs sind Vier-Anschluss-Bauelemente; das Substrat ist ein vierter Anschluss. Integrierte MOSFETs können zahlreiche Bauelemente haben, die dasselbe Substrat teilen, getrennt von den Sources. Zwar könnten die Sources noch mit dem gemeinsamen Substrat verbunden sein.

Allgemeine Form: m[name] [drain] [gate] [source] [substrate] [model] .model [modelname] [nmos or pmos] ( [parmtr1=x] ... )
Beispiel: m1 2 3 0 0 mod1 m5 5 6 0 0 mod4 .model mod1 pmos .model mod4 nmos ( vto=1 )

Die MOSFET-Modellanweisung beginnt mit ".model", gefolgt vom Modellnamen, gefolgt von entweder "pmos" oder "nmos". Optionale MOSFET-Modellparameter folgen. Die Liste möglicher Parameter ist lang. Siehe Band 5, "MOSFET" für Details. [TRK] MOSFET-Hersteller stellen detaillierte Modelle bereit. Andernfalls gelten Standardwerte.

Die minimalen SPICE-Informationen für Halbleiter werden in diesem Abschnitt bereitgestellt. Die hier gezeigten Modelle ermöglichen Simulation grundlegender Schaltungen. Insbesondere berücksichtigen diese Modelle keinen Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenzbetrieb. Simulationen werden in Band 5, Kapitel 7, "Using SPICE ..." gezeigt.

ÜBERSICHT:

• Halbleiter können mit SPICE computergestützt simuliert werden.
• SPICE stellt Elementanweisungen und Modelle für Diode, BJT, JFET und MOSFET bereit.