Полное руководство по моделированию полупроводниковых приборов в SPICE

Программа электронного моделирования SPICE (Simulation Program, Integrated Circuit Emphasis) предоставляет цепные элементы и модели для полупроводников. Имена элементов SPICE начинаются с d, q, j или m, соответствующих диоду, БТ, JFET и MOSFET соответственно. Эти элементы сопровождаются соответствующими «моделями» с обширными списками параметров, описывающих прибор. Здесь мы даём лишь краткое описание простых SPICE моделей для старта. Для деталей см. Kuphaldt [TRK], где также даны инструкции по использованию SPICE.

Модели:

Диод

Диод: Оператор диода начинается с имени элемента, которое должно начинаться с «d» плюс опциональные символы. Примеры: d1, d2, dtest, da, db, d101. Два номера узлов задают соединение анода и катода соответственно с другими компонентами. За номерами узлов следует имя модели, ссылающееся на оператор «.model».

Строка модели начинается с «.model», за которым следует имя модели, совпадающее с одним или несколькими операторами диода. Далее — «d», указывающее на моделирование диода. Остаток — список опциональных параметров диода вида ParameterName=ParameterValue. Ниже пример без параметров. Для списка см. справочник «diodes» [TRK].

Общая форма: d[name] [anode] [cathode] [model] .model [modelname] d ( [parmtr1=x] [parmtr2=y] ... )
Пример: d1 1 2 mod1 .model mod1 d

Модели для конкретных номенклатур диодов часто предоставляют производители. Эти модели включают параметры. Иначе параметры по умолчанию к «default values», как в примере.

Биполярный транзистор (БТ)

БТ, биполярный транзистор: Оператор элемента БТ начинается с имени, начинающегося с «q» и ассоциированных символов схемы, пример: q1, q2, qa, qgood. Номера узлов БТ (соединения) идентифицируют подключение коллектора, базы, эмиттера соответственно. Имя модели после номеров узлов ассоциируется с оператором модели.

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

Оператор модели начинается с «.model», за которым следует имя модели, затем «npn» или «pnp». Опциональный список параметров следует и может продолжаться несколько строк, начинающихся с символа продолжения «+». Прямое β установлено в 75 для гипотетической модели q2n090. Детальные модели транзисторов часто доступны у производителей.

Полевой транзистор (FET)

FET, полевой транзистор: Оператор элемента FET начинается с имени, начинающегося с «j» для JFET с уникальными символами, пример: j101, j2b, jalpha. Номера узлов следуют для стока, затвора и истока соответственно. Номера узлов определяют соединение с другими компонентами. Наконец, имя модели указывает JFET модель.

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

«.model» в JFET модели следует за именем модели для идентификации этой модели операторам JFET, её использующим. После имени модели идёт pjf или njf для p- или n-канальных JFET соответственно. Может следовать длинный список параметров. Показано только как задать Vp, зажимовое напряжение, -4,0 В для n-канального JFET. Иначе vto по умолчанию -2,5 В или 2,5 В для n- или p-канала.

Металл-оксид-полупроводниковый FET (MOSFET)

MOSFET, металл-оксид-полупроводниковый FET: Имя элемента MOSFET должно начинаться с «m», и является первым словом оператора. Следом идут четыре номера узлов для стока, затвора, истока и подложки соответственно. Далее — имя модели. Обратите внимание: исток и подложка оба подключены к узлу «0» в примере. Дискретные MOSFET в трёхвыводных корпусах — исток и подложка один физический вывод. Интегральные MOSFET — четырёхвыводные; подложка четвёртый вывод. Интегральные MOSFET могут иметь множество приборов с общей подложкой, отдельной от истоков. Хотя истоки могут быть подключены к общей подложке.

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

MOSFET оператор модели начинается с «.model», за которым имя модели, затем «pmos» или «nmos». Опциональные параметры MOSFET следуют. Список возможных параметров велик. См. Том 5, «MOSFET» для деталей [TRK]. Производители MOSFET предоставляют детальные модели. Иначе действуют значения по умолчанию.

Минимальная информация по SPICE для полупроводников приведена здесь. Показанные модели позволяют моделировать базовые схемы. В частности, они не учитывают высокую скорость или высокочастотную работу. Симуляции показаны в Томе 5, Глава 7, «Использование SPICE...».

ОБЗОР:

• Полупроводники могут моделироваться компьютерно с SPICE.
• SPICE предоставляет операторы элементов и модели для диода, БТ, JFET и MOSFET.