Descrierea dispozitivelor semiconductoare

DESCRIEREA DISPOZITIVELOR SEMICONDUCTOARE

Obiective

Dupa parcurgerea acestui curs, cititorul va fi capabil:

sa arate care sunt dispozitivele semiconductoare descrise in Spice;

sa prezinte declaratiile pentru dispozitivele semiconductoare;

sa prezinte principalii parametri de model pentru dispozitivele semiconductoare;

Introducere

Spre deosebire de elementele de circuit prezentate in cursul anterior, dispozitivele semiconductoare sunt descrise de relatii constitutive complexe, caracterizate de un numar mare de parametri. Acesti parametri sunt specificati printr-o declaratie .MODEL.

In SPICE 2 sunt disponibile patru modele diferite de dispozitive semiconductoare:

Diode - numele dispozitivului incepe cu D;

Tranzistoare bipolare (TB) - Q;

Tranzistoare cu efect de camp cu grila-jonctiune (TECJ) - J;

Tranzistoare cu efect de camp metal-oxid-semiconductor (TECMOS) - M.

In plus fata de aceste elemente, in SPICE 3 si PSpice mai exista:

Tranzistoare cu efect de camp metal-semiconductor (TECMES) - Z (in SPICE 3) respectiv B (in PSpice).

Declaratia de element pentru orice dispozitiv semiconductor are urmatorul format general:

DISP_nume nod nod2 <nod3 . > MODEL_nume

Numele dispozitivului, DISP_nume incepe cu una din cele 4 (SPICE 2) sau 5 caractere (SPICE 3, PSpice): D, Q, J, M, sau Z (B) si mai poate contine pana la 7 caractere.

Urmeaza 2 pana la 4 noduri care specifica locurile in care se conecteaza dispozitivul.

MODEL_nume reprezinta numele declaratiei de model care contine valorile parametrilor.

IMPORTANT: la acelasi model se pot referi unul sau mai multe dispozitive semiconductoare.

De exemplu, daca intr-un circuit se utilizeaza 3 tranzistoare bipolare identice, atunci toate cele 3 tranzistoare vor avea acelasi MODEL_nume si este suficienta o singura declaratie de model pentru prezentarea parametrilor.

Formatul general al unei declaratii de model asociata unui dispozitiv semiconductor este urmatorul:

.MODEL MODEL_nume MODEL_tip <PARAM1=valoare1 <PARAM2=valoare2 . >>

Unde MODEL_nume este cel utilizat in declaratia de element (cel mult 8 caractere in SPICE 2 iar in SPICE 3 - o lungime arbitrara).

MODEL_tip poate fi unul din urmatoarele:

D model de dioda;

NPN model de TB npn;

PNP model de TB pnp;

NJF model de TECJ cu canal n;

PJF model de TECJ cu canal p;

NMOS model de TECMOS cu canal n;

PMOS model de TECMOS cu canal p.

In Spice sunt definite 4 seturi de nume de parametri de dispozitiv semiconductor:

Pentru diode;

Pentru TB (seturile de parametri pentru TB pnp si npn sunt identice);

Pentru TECJ(seturile de parametri pentru TECJ cu canal n si p sunt identice);

Pentru TECMOS (seturile de parametri pentru TECMOS cu canal n si p sunt identice).

In declaratia de model trebuie sa apara numai acele nume de parametri de model de dispozitiv carora le sunt atribuite valori diferite de valorile implicite existente in program.

Diode

Formatul general al unei declaratii de dioda este:

Dnume n+ n- MODEL_nume

Litera D identifica o dioda si poate fi urmata de 7 (SPICE 2) sau mai multe caractere;

n+ este nodul pozitiv (anodul);

n- este nodul negativ (catodul);

MODEL_nume reprezinta numele modelului.

Simbolul de circuit al unei diode si implementarea sa Spice ca jonctiune pn sunt prezentate in fig. 3.1.

Fig. 3.1. Elementul de circuit DIODA

Relatia constitutiva a unei diode in c.c. este descrisa de o functie exponentiala:

    (3.1)

Unde IS este curentul de saturatie, N - coeficientul de emisie (sau de neidealitate), T - temperatura exprimata in K, q sarcina electronului () si k constanta lui Boltzmann (). Marimea se numeste tensiune termica si are valoarea de aproximativ 26mV la 300K (27 C).

Caracteristica I-V a diodei, descrisa de expresia (3.1) se prezinta in fig. 3.2. S-a pus in evidenta curentul de saturatie IS. Pentru a modela curentul de strapungere IBV care apare atunci cand dioda este polarizata invers trebuie specificat parametrul BV (Breakdown Voltage - tensiune de strapungere).

Variatia in timp a curentului prin dioda este controlata de cele doua tipuri de sarcini stocate in jonctiunea pn: sarcina de difuzie (notata Q_D pe fig. 3.1) datorata purtatorilor minoritari din regiunile neutre ale jonctiunii si sarcina din regiunea de sarcina spatiala (notata Q_J pe fig. 3.1).

Sarcina de difuzie se scrie:

    (3.2)

unde TT reprezinta timpul mediu de tranzit al purtatorilor minoritari prin regiunea subtire a jonctiunii diodei.

Sarcina Q_J din regiunea de sarcina spatiala a jonctiunii pn este stocata in capacitatea C_J dependenta de ternsiune:

    (3.3)

    (3.4)

Unde CJO reprezinta capacitatea la polarizare nula, VJ - diferenta interna de potential iar M - coeficientul de "gradare".

Fig. 3.2. Caracteristica I-V a unei diode

Pentru analiza de semnal mic dioda este modelata in punctul static de functionare printr-o conductanta g_d si doua capacitati C_D si C_J corespunzatoare celor doua sarcini:

    (3.5)

(3.6)

Pentru a specifica modelul de prim ordin al diodei mai trebuie folositi 2 parametri: rezistenta serie parazita RS (valoare implicita = 0W) si latimea benzii interzise a semiconductorului EG (1.11eV la Si, 0,69V la dioda Shottky (contact aluminiu-siliciu), 0,67V la Ge).

Parametrii modelului de dioda se prezinta in tabelul 3.1.

Tabelul 3.1 - parametrii modelului de dioda

Exemplul 3.1. Descrierea Spice a unei diode este:

D1 0 2 DMOD

.model    DMOD D

Conform descrierii, dioda DMOD este conectata cu anodul la masa (nodul 0) si catodul la nodul 2. Modelul utilizeaza numai parametrii impliciti.

Tranzistoare bipolare

Formatul general al unei declaratii de tranzistor bipolar (TB) este:

Qnume nC nB nE <nS> MODEL_nume

Litera Q identifica un tranzistor bipolar;

nC specifica nodul corespunzator colectorului;

nB specifica nodul corespunzator bazei;

nE specifica nodul corespunzator emitorului;

nS specifica nodul corespunzator substratului;

MODEL_nume este numele modelului care specifica parametrii pentru acest tranzistor.

Se pot folosi doua tipuri de tranzistoare bipolare: NPN si PNP.

Simbolurile de circuit pentru cele doua tipuri de tranzistoare se prezinta in fig. 3.3.

Fig. 3.3. Tranzistoare bipolare npn si pnp

Observatii:

Pe fig. 3.3 se observa ca sensul pozitiv al curentilor se considera cel care intra prin fiecare terminal al tranzistorului.

La tranzistorul npn singurul curent care are sens opus fata de cel real este curentul de emitor. In consecinta el va fi raportat cu semnul minus.

La tranzistorul pnp doar curentul de emitor are sensul pozitiv identic cu cel prin tranzistor. In consecinta I_B si I_C vor fi raportati cu semnul minus.

Modelul de c.c.

Modelul de baza utilizat in SPICE pentru descrierea relatiilor constitutive ale unui tranzistor bipolar este modelul Ebers-Moll (fig. 3.4).

Curentul I_CT descrie efectul de tranzistor care are loc intre cele doua jonctiuni (a emitorului si a colectorului) si se numeste "curent de legatura". I_CT are expresia:

    (3.7)

unde cele doua componente se scriu

    (3.8)

Indicele "F" vine de la "forward" - direct, "R" de la "reverse" - invers, a este factor de amplificare in curent in conexiune baza-comuna, IS este curentul de saturatie al tranzistorului (depinde de aria de sub emitor), NF si NR reprezinta coeficientii de emisie direct, respectiv invers, V_BE si V_BC sunt tensiunile baza-emitor, respectiv baza-colector iar restul parametrilor care apar in relatiile (3.8) sunt identice cu cele de la diode.

Fig. 3.4. Varianta de transport a modelului Ebers-Moll pentru un tranzistor npn, in topologia folosita in SPICE

Modele dinamice

Modelul dinamic de semnal mare al TB, care este un model neliniar SPICE al TB si care include rezistentele parazite serie si sarcinile stocate in tranzistor, se prezinta in fig. 3.5.

Fig. 3.5. Modelul de semnal mare al TB folosit in SPICE

Comportarea dinamica a TB este modelata prin intermediul a 5 sarcini (2 de difuzie si 3 pentru regiunile de sarcina spatiala). Relatiile de definire sunt asemanatoare cu cele de la diode. Astfel, sarcinile de difuzie sunt modelate in analiza tranzitorie de semnal mare prin urmatoarele relatii:

    (3.9)

unde TF si TR sunt, respectiv, timpul de tranzit direct si timpul de tranzit invers prin baza neutra al purtatorilor minoritari injectati.

Sarcinile din regiunile de sarcina spatiala se pot obtine utilizand relatii de tipul relatiei (3.3) prezentata la diode. Cele 3 capacitati de bariera dependente de tensiune sunt descrise de relatiile:

    (3.10)

Fiecare jonctiune este caracterizata prin cel mult 3 parametri: CJx - capacitatea la polarizare nula, VJx - diferenta interna de potential si MJx - coeficientul de "gradare" ("x" se inlocuieste cu E, C sau S indicand, respectiv, jonctiunea emitorului, colectorului sau substratului).

Pe fig. 3.5, sarcina Q_BE include Q_DE si Q_JE, sarcina Q_BC include Q_DC si Q_JC iar Q_CS este modelata prin capacitatea C_CS.

Modelul dinamic de semnal mic al TB, cunoscut si ca modelul p-hibrid, se prezinta in fig. 3.6.

Fig. 3.6. Modelul de semnal mic al TB folosit in SPICE

Elementele modelului de semnal mic se definesc astfel:

    (3.11)

Daca exista si rezistentele parazite, tensiunile V_BE si V_BC se vor inlocui cu tensiuinile V_B'E' si V_B'C'.

Parametrii de model

Forma generala a declaratiei de model pentru TB este:

.MODEL MODEL_nume NPN/PNP(<IS=IS <BF=BF . >>)

In fiecare model trebuie specificat unul din cuvintele cheie NPN sau PNP, pentru a se indica tipul de tranzistor.

Principalii parametri se prezinta in tabelul 3.2.

Tabelul 3.2 -parametrii modelului de TB

Exemplul 3.2: Descrierea SPICE a unui tranzistor este:

Q12 12 10 0 Qmod

.model    Qmod NPN(BF=150 RB=50 CJC=2P)

Se observa ca tranzistorul are colectorul conectat in nodul 12, baza in 10 iar emitorul la masa. Modelul de tranzistor nu face referire decat la factorul de amplificare in curent BF, rezistenta serie a bazei RB si capacitatea jonctiunii baza-colector la polarizare nula, CJC. Pentru restul de prametri se folosesc valorile predefinite.

Tranzistoare cu efect de camp cu grila-jonctiune

Formatul general al unei declaratii de tranzistor cu efect de camp cu grila-jonctiune (TECJ) este:

Jnume nD nG nS MODEL_nume

Litera J identifica un tranzistor cu efect de camp cu grila-jonctiune;

nD specifica nodul corespunzator drenei;

nG specifica nodul corespunzator grilei;

nS specifica nodul corespunzator sursei;

MODEL_nume este numele modelului care specifica parametrii pentru acest tranzistor.

In SPICE pot fi utilizate 2 tipuri de TECJ:

NJF - cu canal n;

PJF - cu canal p.

Simbolurile de circuit pentru cele doua tipuri de TECJ se prezinta in fig. 3.7.

Modelul utilizat in SPICE pentru descrierea relatiilor constitutive ale TECJ este modelul patratic Shichman-Hodges.

Modele dinamice

Comportarea dinamica a TECJ este modelata de sarcinile asociate jonctiunilor grila-sursa, Q_GS si grila-drena, Q_GD. Aceste sarcini sunt inmagazinate in capacitatile de bariera C_GS si C_GD ale caror expresii sunt de forma:

    (3.12)

unde CGS si CGD sunt capacitatile grila-sursa si grila-drena la polarizare nula iar PB - diferenta interna de potential. Aceste capacitati sunt utilizate in analiza de semnal mic.

Fig. 3.7. TECJ cu canal n si cu canal p

Modelul de semnal mare pentru TECJ se prezinta in fig. 3.8 iar cel de semnal mic in fig. 3.9.

Transconductanta g_m si rezistenta drena-sursa r_ds din modelul de semnal mic se definesc astfel:

    (3.13)

In cazul in care R_D si R_S nu sunt nule, trebuie utilizate tensiunile V_GS' si V_D'S'

Parametrii de model

Forma generala a declaratiei de model pentru TECJ este:

.MODEL MODEL_nume NJF/PJF(<VTO=VTO <BETA=BETA . >>)

In fiecare model trebuie specificat unul din cuvintele cheie NJF sau PJF, pentru a se indica tipul de tranzistor.

Principalii parametri se prezinta in tabelul 3.3.

Tabelul 3.3 -parametrii modelului de TECJ

Exemplul 3.3: Descrierea SPICE pentru un TECJ este de forma:

J1 15 4 6 Jmod

.model    Jmod NJF(VTO=-3 RD=20 RS=20)

Se observa ca tranzistorul are drena conectata in nodul 15, grila in 4 iar sursa in nodul 6. Modelul de tranzistor nu face referire decat la tensiunea de prag VTO, rezistenta serie din drena RD si rezistenta serie din sursa RS. Pentru restul de prametri se folosesc valorile predefinite.

Tranzistoare cu efect de camp metal-oxid-semiconductor

Formatul general al unei declaratii de tranzistor cu efect de camp metal-oxid-semiconductor (TECMOS) este:

Mnume nD nG nS nB MODEL_nume <L=L<W=W . >>

Litera M identifica un tranzistor cu efect de camp metal-oxid-semiconductor;

nD specifica nodul corespunzator drenei;

nG specifica nodul corespunzator grilei;

nS specifica nodul corespunzator sursei;

nB specifica nodul corespunzator substratului;

MODEL_nume este numele modelului care specifica parametrii pentru acest tranzistor;

L este lungimea canalului

W latimea canalului

Simbolurile de circuit pentru cele doua tipuri de TECMOS se prezinta in fig. 3.10.

Parametrii de model

Forma generala a declaratiei de model pentru TECMOS este:

.MODEL MODEL_nume NMOS/PMOS(<VTO=VTO <KP=KP . >>)

In fiecare model trebuie specificat unul din cuvintele cheie NMOS sau PMOS, pentru a se indica tipul de tranzistor.

Principalii parametri se prezinta in tabelul 3.4.

Tabelul 3.4 - parametrii modelului de TECMOS

Tabelul 3.4 - continuare

Exemplul 3.4: Descrierea SPICE pentru un TECMOS este de forma:

M1    4 2 0 0 Mmod L=10U W=20U

.model    Mmod NMOS VTO=1.5

In descrierea SPICE a TECMOS drena este conectata in nodul 4, grila in nodul 2 iar sursa si substratul (baza) la masa. Datele geometrice sunt: lungimea canalului 10 microni si latimea canalului 20 microni. Dintre parametri s-a specificat doar tensiunea de prag VTO. Pentru restul de prametri se folosesc valorile predefinite.