Guide complet de modélisation des dispositifs semi-conducteurs dans SPICE

Le programme de simulation électronique SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) fournit des éléments de circuit et des modèles pour les semi-conducteurs. Les noms d'éléments SPICE commençant par d, q, j ou m correspondent respectivement aux éléments diode, BJT, JFET et MOSFET. Ces éléments sont accompagnés de « modèles » correspondants. Ces modèles ont de longues listes de paramètres décrivant le dispositif. Bien que nous ne les listions pas ici, cette section fournit une brève liste de modèles SPICE simples pour semi-conducteurs, juste assez pour démarrer. Pour plus de détails sur les modèles et une liste extensive de paramètres, voir Kuphaldt.[TRK] Cette référence donne aussi des instructions sur l'utilisation de SPICE.

Modèles :

Diode

Diode : L'instruction diode commence par un nom d'élément qui doit commencer par « d » plus caractères optionnels. Exemples : d1, d2, dtest, da, db, d101, etc. Deux numéros de nœuds spécifient la connexion de l'anode et cathode, respectivement, aux autres composants. Les numéros de nœuds sont suivis d'un nom de modèle, se référant à une instruction « .model ».

La ligne d'instruction modèle commence par « .model », suivie du nom de modèle correspondant à une ou plusieurs instructions diode. Vient ensuite un « d » indiquant qu'une diode est modélisée. Le reste est une liste de paramètres optionnels de la forme NomParamètre=ValeurParamètre. Aucun n'est montré dans l'exemple ci-dessous. Pour une liste, voir référence, « diodes ».[TRK]

Forme générale : d[nom] [anode] [cathode] [modèle] .model [nommodèle] d ( [param1=x] [param2=y] ... ) Exemple : d1 1 2 mod1 .model mod1 d

Les modèles pour numéros de pièce diode spécifiques sont souvent fournis par les fabricants. Ces modèles incluent les paramètres. Sinon, les paramètres prennent des « valeurs par défaut », comme dans l'exemple.

Transistor à jonction bipolaire (BJT)

BJT : L'instruction élément BJT commence par un nom qui doit commencer par « q » avec caractères de désignation de symbole de circuit associés, ex: q1, q2, qa, qgood. Les numéros de nœuds BJT (connexions) identifient le câblage du collecteur, base, émetteur respectivement. Un nom de modèle suivant les numéros de nœuds est associé à une instruction modèle.

Forme générale : q[nom] [collecteur] [base] [émetteur] [modèle] .model [nommodèle] [npn ou pnp] ([param1=x] ...) Exemple : q1 2 3 0 mod1 .model mod1 pnp Exemple : q2 7 8 9 q2n090 .model q2n090 npn ( bf=75 )

L'instruction modèle commence par « .model », suivie du nom de modèle, suivie de « npn » ou « pnp ». La liste optionnelle de paramètres suit, et peut continuer sur quelques lignes commençant par le symbole de continuation de ligne « + », plus. Montré ci-dessus est le paramètre β direct (forward) réglé à 75 pour le modèle hypothétique q2n090. Des modèles transistor détaillés sont souvent disponibles des fabricants.

Transistor à effet de champ (FET)

FET : L'instruction élément transistor à effet de champ commence par un nom débutant par « j » pour JFET associé à caractères uniques, ex: j101, j2b, jalpha, etc. Les numéros de nœuds suivent pour les terminaux drain, grille et source, respectivement. Les numéros de nœuds définissent la connectivité aux autres composants. Finalement, un nom de modèle indique le modèle JFET à utiliser.

Forme générale : j[nom] [drain] [grille] [source] [modèle] .model [nommodèle] [njf ou pjf] ( [param1=x] ... ) Exemple : j1 2 3 0 mod1 .model mod1 pjf j3 4 5 0 mod2 .model mod2 njf ( vto=-4.0 )

Le « .model » dans l'instruction modèle JFET est suivi du nom de modèle pour identifier ce modèle aux instructions élément JFET l'utilisant. Suivant le nom de modèle vient soit pjf soit njf pour JFET canal p ou n respectivement. Une longue liste de paramètres JFET peut suivre. Nous montrons seulement comment régler Vp, tension de pincement, à -4,0 V pour un modèle JFET canal n. Sinon, ce paramètre vto prend par défaut -2,5 V ou 2,5V pour dispositifs canal n ou p respectivement.

Transistor à effet de champ metal-oxide (MOSFET)

MOSFET : Le nom d'élément MOSFET doit commencer par « m », et est le premier mot de l'instruction élément. Suivent les quatre numéros de nœuds pour drain, grille, source, et substrat, respectivement. Vient le nom de modèle. Notez que source et substrat sont tous deux connectés au même nœud « 0 » dans l'exemple. Les MOSFET discrets sont encapsulés comme dispositifs trois terminaux, source et substrat étant le même terminal physique. Les MOSFET intégrés sont des dispositifs quatre terminaux ; le substrat est un quatrième terminal. Les MOSFET intégrés peuvent avoir de nombreux dispositifs partageant le même substrat, séparé des sources. Bien que les sources puissent encore être connectées au substrat commun.

Forme générale : m[nom] [drain] [grille] [source] [substrat] [modèle] .model [nommodèle] [nmos ou pmos] ( [param1=x] ... ) Exemple : m1 2 3 0 0 mod1 m5 5 6 0 0 mod4 .model mod1 pmos .model mod4 nmos ( vto=1 )

L'instruction modèle MOSFET commence par « .model » suivie du nom de modèle suivi de « pmos » ou « nmos ». Les paramètres optionnels suivent. La liste des paramètres possibles est longue. Voir Volume 5, « MOSFET » pour détails. [TRK] Les fabricants MOSFET fournissent des modèles détaillés. Sinon, les défauts s'appliquent.

L'information SPICE semi-conducteur minimale est fournie dans cette section. Les modèles montrés ici permettent la simulation de circuits de base. En particulier, ces modèles ne prennent pas en compte le fonctionnement haute vitesse ou haute fréquence. Des simulations sont montrées au Volume 5 Chapitre 7, « Utiliser SPICE ... ».

RÉVISION :

• Les semi-conducteurs peuvent être simulés par ordinateur avec SPICE.
• SPICE fournit des instructions éléments et modèles pour diode, BJT, JFET, et MOSFET.