Электроника:Полупроводники/Теория твердотельных приборов/Полупроводниковые приборы в SPICE

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Полупроводниковые приборы в SPICE

SPICE (Simulation Рrogram, Integrated Сircuit Еmphesis, перевод с англ. Программа моделирования, особенно интегральных электрических схем) – это программа компьютерного моделирования, умеющая обрабатывать схемные компоненты и модели для полупроводников. Если имена элементов SPICE начинаются с «d», «q», «j» или «m», то это соответствует таким элементам как диод, биполярный транзистор, полевой транзистор и МОП-транзистор (MOSFET) соответственно. Эти элементы обеспечиваются в программе соответствующими запрограммированными моделями поведения. Эти модели имеют обширные списки параметров, описывающих устройство. Но мы их здесь подробно перечислять не станем. В этом разделе просто приводим очень краткий список базовых специализированных моделей для полупроводников, для начала этого хватит за глаза. Для получения дополнительных сведений о моделях и обширного списка их параметров ищите специализированную информацию с инструкциями по использованию SPICE (позже здесь будут приведены ссылки на перевод соответствующих глав V тома этой книги).

Модели

Диод

Диод: Объявление в программе диода начинается с указания имени элемента диода, которое должно начинаться с буквы «d» и дополнительных символов. Примеры имён диодных элементов: d1, d2, dtest, da, db, d101 и т.д. Также можно указывать номера двух узлов, определяющих соединения с другими компонентами – анода и катода соответственно. После номера узла следует название модели, ссылающееся на оператор «.model».

Строка описания модели начинается с оператора «.model», за которым следует название модели, соответствующее одному или нескольким объявлениям диодов. Далее следует буква «d», указывающая на то, что это модель именно для диода. Остальная часть в описании модели – список дополнительных параметров диода в формате ИмяПараметра = ЗначениеПараметра. В приведённом ниже примере указана только общая форма и простейший пример объявления. Подробности – в главе этого тома, посвящённой диодам.

Основная форма: d[Имя] [Анод] [Катод] [Модель] .model [ИмяМодели] d ( [Параметр1=x] [Параметр2=y] . . .) Пример: d1 1 2 mod1 .model mod1 d

Изготовителями полупроводниковых диодов зачастую предоставляются модели для конкретных типов комплектующих диодов. Эти модели включают в себя готовые значения параметров. Или же для параметров используются значения по умолчанию, как в примере выше.

Биполярный транзистор (БП)

БП, биполярный транзистор: Объявление компонента БП начинается с имени элемента, который должен начинаться с «q» с соответствующими символами, указывающими на элементы цепи, например: q1, q2, qa, qgood. Номера узлов (соединений) БП прописывают выводы коллектора, базы, эмиттера соответственно. Имя модели, следующее после номера узла, связано с объявлением модели.

Основная форма: q[Имя] [Коллектор] [База] [Эмиттер] [Модель] .model [ИмяМодели] [NPN или PNP] ([Параметр1=x] . . .) Пример 1: q1 2 3 0 mod1 .model mod1 pnp Пример 2: q2 7 8 9 q2n090 .model q2n090 npn ( bf=75 )

Объявление модели начинается с оператора «.model», за которым идёт имя модели, после чего прописывается либо «npn» либо «pnp». Далее следует список необязательных параметров, возможно даже на нескольких строках, (при переносе строки нужно использовать символа продолжения строки «+»). В примере 2 выше прямо указан параметр β, равный 75 для гипотетической модели q2n090. Подробные модели с предопределёнными значениями параметров для транзисторов часто предоставляются самими производителями полупроводников.

Полевой транзистор (ПП)

ПП, полевой транзистор: описание компонента полевого транзистора начинается с имени элемента, начинающегося с «j», после чего следует уникальный набор символов, например: j101, j2b, jalpha и т.д. потом следуют номера для таких терминалов как сток, затвор и исток соответственно. После идут номера узлов, определяющих подключения к другим компонентам схемы. И наконец, название модели указывает, какую модель ПП используется.

Основная форма: j[Имя] [Сток] [Затвор] [Исток] [Модель] .model [ИмяМодели] [NJF или PJF] ( [Параметр1=x] . . .) Пример: j1 2 3 0 mod1 .model mod1 pjf j3 4 5 0 mod2 .model mod2 njf ( vto=-4.0 )

После «.model» в операторе модели ПП следует имя модели, идентифицирующее эту модель для операторов элемента ПП, использующего её. После названия модели нужно указать «pjf» или «njf» для p-канальных или n-канальных полевых транзисторов соответственно. Далее может идти длинный список параметров ПП. Тут мы только показываем, как установить значение для V_{Отсечка} (напряжение отсечки), равное -4,0 В для n-канальной модели. Если этого не сделать, то этот параметр vto по умолчанию равен -2,5 В или 2,5 В для n-канальных или p-канальных устройств соответственно.

Металлооксидный полевой транзистор (MOSFET)

MOSFET, металлооксидный полевой транзистор, МОП-транзистор: Имя компонента MOSFET должно начинаться с буквы «m» и это должно быть первым словом в описании элемента. Потом приведены четыре номера узлов для стока, затвора, истока и подложки соответственно. Далее идёт название модели. Обратите внимание, что источник и подложка подключены к одному и тому же узлу «0» в этом конкретном примере. Отдельные полевые МОП-транзисторы упакованы в виде трёх оконечных устройств, источник и подложка – это один и тот же физический терминал. Интегрированные полевые МОП-транзисторы представляют собой четыре оконечных устройства; подложка – это четвёртый терминал. Интегрированные полевые МОП-транзисторы могут иметь множество устройств, совместно использующих одну и ту же подложку, отделённую от истоков. Хотя истоки всё же могут быть подключены к общей подложке.

Основная форма: m[Имя] [Сток] [Затвор] [Исток] [Подложка] [Модель] .model [ИмяМодели] [NMOS или PMOS] ( [Параметр1=x] . . . ) Пример: m1 2 3 0 0 mod1 m5 5 6 0 0 mod4 .model mod1 pmos .model mod4 nmos ( vto=1 )

Объявление модели MOSFET начинается с «.model», за которым следует название модели, после чего указывается «pmos» или «nmos». Дополнительные параметры модели MOSFET приведены ниже. Список всех возможных параметров весьма длинный (см. подробности в V томе этой книги, посвящённый MOSFET). Зачастую производители MOSFET предоставляют подробные модели со значениями параметров. В противном случае действуют значения по умолчанию.

В этом разделе представлена самая минимальная информация о возможностях SPICE для работы с полупроводниками. Показанные модели позволяют моделировать только базовые схемы. В частности, эти модели не учитывают работу с высокой скоростью или с высокой частотой. Конкретные примеры моделирования приведены в V томе этой книги в 7-й главе «Использование SPICE ...».

Итог

• Полупроводники можно моделировать на компьютере с помощью программы SPICE.
• Программа SPICE предоставляет описания элементов и моделей для диодов, БП, ПП и МОП.