[Halex07]

4.16. Модели полевых транзисторов различных типов в ISIS а также немного про IGBT.
Все модели примитивов полевых транзисторов в ISIS можно разделить на три группы (Рис. 106).
• JFET – полевые транзисторы с управляющим PN-переходом.
• MESFET – арсенид-галиевые полевые транзисторы. Обратите внимание, что в другой литературе по SPICE они носят название GASFET, а также на то, что в ISIS присутствует модель PMESFET не существующая в действительности.
• MOSFET – МОП-транзисторы с изолированным затвором, которые представлены двумя разновидностями: с четырьмя выводами (подложка изолирована) и тремя (подложка соединена с истоком).
Рассмотрение параметров различных групп начнем с JFET-транзисторов с управляющим PN-переходом, которые базируются на модели Шихмана-Ходжеса (Рис. 107 ).
Поскольку большинство названий параметров для JFET и MESFET совпадают, а отличаются только значения по умолчанию для моделей MESFET в следующем списке будут выделены зеленым цветом, а JFET – красным.
Параметры характерные только для ISIS:
• Device initially off OFF (-) Начальное состояние модели.
• Initial D-S voltage IC-VDS (-) Начальное напряжение исток-сток.
• IC-VGSInitial G-S voltage IC-VGS (-) Начальное напряжение исток-затвор.
• Area factor AREA (1) Масштабный множитель для мощных транзисторов (на него умножаются BETA, RD, RS CGS, CGD и IS).
• Instance temperature TEMP (27) Текущее значение температуры.
Типичные SPICE параметры моделей JFET или MOSFET:
• Threshold voltage VT0 (-2) Пороговое напряжение [В].
• Transconductance parameter BETA (0.0001) (0.0025) Коэффициент пропорциональности.
• Channel length modulation parameter LAMBDA (0) Параметр модуляции длины канала [1/В].
• Gate junction saturation current IS (1e-014) Ток насыщения перехода затвор-канал [А].
• Drain ohmic resistance RD (0) Объемное сопротивление области стока [Ом].
• Source ohmic resistance RS (0) Объемное сопротивление области истока [Ом].
• Zero bias G-S junction capacitance CGS (0) Емкость перехода затвор-исток при нулевом смещении [Ф].
• Zero bias G-D junction capacitance CGD (0) Емкость перехода затвор-сток при нулевом смещении [Ф].
• Gate junction potential PB (1) Контактная разность потенциалов р-п-перехода затвора [В].
• Forward bias junction fit parameter FC (0.5) Коэффициент нелинейности емкостей переходов при прямом смещении.
• Doping tail parameter B (1) (0.3) Параметр легирования.
• Flicker Noise Coefficient KF (0) Коэффициент, определяющий спектральную плотность фликер-шума.
• Flicker Noise Exponent AF (1) Показатель степени, определяющий зависимость спектральной плотности фликер-шума от тока.
• Parameter measurement temperature TNOM (27) Температура измерений.
Хочу обратить ваше внимание на то, что в стандартном HELP Протеуса по модели JFET допущены ошибки, в частности ошибочно указаны KF и AF равными 27.
Одним из важных параметров полевого транзистора являются выходные характеристики в зависимости от напряжения на затворе. Давайте в качестве примера построим такую зависимость для транзистора 2N4416 – наш аналог КП303. Сама тестовая схема особенностей не имеет и аналогична снятию выходных характеристик биполярного транзистора, только там в цепи базы применялся источник тока, а здесь мы оставляем источник напряжения (Рис. 108 ).
Настройки графика TRANSFER, который я применил для исследования приведены на Рис. 109.
В прилагаемом архиве этот пример расположен в FET/JFET_char.DSN. Там же приведен пример с моделью КП303Д от О. Петракова. Поскольку модель использовалась тем же методом, что и для диодов и биполярных транзисторов я подробно на этом не останавливаюсь.
А нас ждет обширный список параметров для MOSFET моделей транзисторов. Но прежде небольшая преамбула. SPICE3F5 поддерживает до семи уровней различных MOSFET моделей:
1. MOS1 – модель Шихмана-Ходжеса.
2. MOS2 – модель Владимиреску-Лиу (Беркли MOS2).
3. MOS3 – модель Владимиреску-Лиу (Беркли MOS3).
4. BSIM1 – оригинальная модель BSIM.
5. BSIM2 – новая модель BSIM.
6. MOS6 – модель Сакураи и Ньютона.
7. BSIM3 – последняя модель BSIM версии 3.3.
Нужный тип модели может быть задан явно в свойствах, например:

PRIMITIVE=ANALOG, NMOSFET
LEVEL=5

или:

PRIMITIVE=ANALOG, NBSIM2

Обе записи равнозначны и описывают модель как BSIM2 с каналом N-типа. Для P-типа соответственно надо использовать запись PMOSFET или PBSIM2. Два варианта записи применены для сохранения совместимости с предыдущими версиями SPICE. Уровни с 1 по 3 относятся к SPICE2, а уровни с 4 по 6 я вляются стандартными для SPICE3F5. В Протеусе добавлен уровень 7, для совместимости с последними версиями моделей. Будьте внимательны при использовании моделей взятых из PSPICE, поскольку этот пакет поддерживает модели выше уровня 4 и они могут оказаться несовместимыми с ProSPICE Протеуса. Лабцентр рекомендует предварительно визуально (в скрипте модели) проверить – какой уровень она использует.
Протеус всегда моделирует четырехвыводный MOSFET: Drain (D – сток), Gate (G – затвор), Source (S – исток), Bulk Substrate (B – подложка). Если вы моделируете трехвыводный МОП транзистор, то ProSpice автоматически соединит подложку с истоком.
SPICE-модели MOSFET транзисторов сориентированы на то, чтобы в симуляторах использовать их при моделировании интегральных микросхем (ИС). При этом, поскольку в составе ИС они формируются на одном кристалле, часть их свойств, например L, W, AD, и AS будут присвоены по умолчанию в соответствии с параметрами симуляции DEFL, DEFW, DEFAD и DEFAS из вкладки MOSFET меню SYSTEM=›Set Simulator Option, если не описаны отдельно для конкретного компонента в его свойствах (Рис. 110).
Итак, на Рис. 111 приведена нелинейная схема замещения МОП транзистора, а ниже приведены свойства SPICE-моделей для типов MOS1-MOS3 и MOS6.
Параметры выделенные в отдельные строки:
• Length L (DEFL) Длина канала (м);
• Width W (DEFW) Ширина канала (м);
• Initially OFF (-) Начальное состояние при первой итерации;
Параметры из раскрывающегося списка в свойствах примитива MOSFET:
• Drain area AD (DEFAD) Площадь диффузионной области стока (м2);
• Source area AS (DEFAS) Площадь диффузионной области истока (м2);
• Drain perimeter PD (0) Периметр диффузионной области стока (м);
• Source perimeter PS (0) Периметр диффузионной области истока (м);
• Threshold voltage VTO (0) Пороговое напряжение при нулевом смещении подложки (В);
• Transconductance parameter KP (2e-5) Параметр удельной крутизны (А/В2);
• Bulk threshold parameter GAMMA (0) Коэффициент влияния потенциала подложки на пороговое напряжение (В1/2);
• Surface potential PHI (0.6) Поверхностный потенциал сильной инверсии (В);
• Channel length modulation LAMBDA (0) Параметр модуляции длины канала (1/В только MOS1 и MOS2)
• Bulk junction saturation current IS (1e-014) Ток насыщения p-n-перехода сток-подложка (исток-подложка) (А);
• Drain ohmic resistance RD (0) Активное сопротивление стока (Ом);
• Source ohmic resistance RS (0) Активное сопротивление истока (Ом);
• B-D junction capacitance CBD (0) Емкость донной части p-n-перехода сток-подложка при нулевом смещении (Ф);
• B-S junction capacitance CBS (0) Емкость донной части p-n-перехода исток-подложка при нулевом смещении (Ф);
• Bulk junction potential PB (0.8 ) Контактная разность потенциалов донных р-п- переходов подложки (В);
• Gate-source overlap capacitance CGSO (0) Удельная емкость перекрытия затвор-исток (Ф/м);
• Gate-drain overlap capacitance CGDO (0) Удельная емкость перекрытия затвор-сток на длину канала (Ф/м);
• Gate-bulk overlap capacitance CGBO (0) Удельная емкость перекрытия затвор-подложка (Ф/м);
• Flicker noise coefficient KF (0) Коэффициент, определяющий спектральную плотность фликер-шума;
• Flicker noise exponent AF (1) Показатель степени, определяющий зависимость спектральной плотности фликер-шума от тока через переход;
• Sheet resistance RSH (0) Удельное сопротивление диффузионных областей истока и стока (Ом/кв);
• Bottom junction cap per area CJ (0) Удельная емкость (на площадь перехода) донной части p-n-перехода сток(исток)-подложка при нулевом смещении (Ф/м2);
• Bottom grading coefficient MJ (0.5) Коэффициент, учитывающий плавность донной части перехода подложка-сток (исток);
• Side junction cap per area CJSW (0) Удельная емкость боковой поверхности перехода сток (исток)-подложка при нулевом смещении (на длину периметра) (Ф/м);
• Side grading coefficient MJSW (0.33) Коэффициент, учитывающий плавность бокового перехода подложка-сток (исток) (Ф/м);
• Bulk junction saturation current density JS (0) Плотность тока насыщения переходов сток(исток)-подложка (А/м2);
• Oxide thickness TOX (0.1um) Толщина оксида (м);
• Lateral diffusion LD (0) Глубина области боковой диффузии (м);
• Surface mobility UO (600cm2/Vs) Поверхностная подвижность носителей (см2/В/с);
• Substrate doping NSUB (0) Уровень легирования подложки (1/см2);
• Surface state density NSS (0) Плотность медленных поверхностных состояний на границе кремний-подзатворный оксид (1/см2);
Параметры задаваемые вручную в окне Other Properties:
• Drain squares NRD (1) Относительное удельное сопротивление стока;
• Source squares NRS (1) Относительное удельное сопротивление истока;
• Initial D-S voltage ICVDS (-) Начальное напряжение сток-исток (В);
• Initial G-S voltage ICVGS (-) Начальное напряжение затвор-исток (В);
• Initial B-S voltage ICVBS (-) Начальное напряжение подложка-исток (В);
• Parameter measurement temperature TEMP (27) Рабочая температура измерения;
• Model Index LEVEL (1) Уровень модели;
• Critical field for mobility degradation (MOS2 only) UCRIT (10000V/cm) Критическая напряженность поля, при которой подвижность носителей уменьшается в 2 раза (только MOS2) (В/см);
• Critical field exponent in mobility degradation (MOS2 only ) UEXP (0) Экспоненциальный коэффициент снижения подвижности носителей (только MOS2)
• Maximum carrier drift velocity VMAX (0) Максимальная скорость дрейфа носителей (м/с);
• Total channel charge coefficient NEFF (1.0) Эмпирический коэффициент коррекции концентрации примесей в канале;
• Coefficient for forward bias depletion capacitance formula FC (0.5) Коэффициент нелинейности барьерной емкости прямосмещенного перехода подложки.
Параметры BSIM моделей в HELP Протеуса отсутствуют, так как применяются эти модели значительно реже. Их параметры создаются автоматически с помощью прибора для тестирования экспериментальных образцов. Однако, если кого-то интересуют данные модели, то параметры BSIM1 приведены в статье О. Петракова ж. «Схемотехника» №7 2001 и его же книге, упомянутой раньше.
Наиболее «шустрыми» для симуляции считаются модели уровня 1 и 3, при этом модель уровня 1 дает более грубые вычисления, модель уровня 4 применяется для мощных МОП транзисторов.
Ну и в заключении хотелось бы чуть-чуть остановиться на IGBT моделях транзисторов. Как такового примитива IGBT в ProSPICE нет, но SPICE модели в библиотеках присутствуют. Ну и раз есть, то мы и давай пихать их куда попало, тем более что в свойствах ничего такого не указано. Но вот беда – кнопочка там справа есть и обозначена как Device Notes (замечания по компоненту). Картинку не привожу, поскольку у меня на экране текст в замечаниях заползает за окно. Я его полностью «выковырял» и привожу ниже:

If the simulation aborts with "timestep too small" then set:
RELTOL=0.005 (up to 0.01)
ITL4=300 (up to 500)
ITL1=300
and in extreme cases (in order of importance):
GMIN=1e-09
ABSTOL=1e-08
VNTOL=1e-05 (up to 1e-03) only if required
TMAX=10 to 100ns

Для непосвященных в существование других языков кроме русского поясню значения фраз выделенных красным:
Если симуляция прерывается с сообщением «timestep too small» установите: (… далее перечисляются параметры симуляции которые необходимо изменить)
и в крайних случаях (в порядке важности): (опять перечисляются параметры симуляции а для VNTOL поднятие до 1e-03) только если потребуется.
Никаких ассоциаций в связи с этим замечанием не возникает? Тем более, если учесть, что IGBT это и полевой и биполярный транзисторы, а в ряде случаев и защитный диод и «все в одном флаконе». Так что перефразируем Ильфа и Петрова – «грузить IGBT бочками» в своих проектах нам не удастся и «братья Карамазовы» тут не помогут. Но это не значит, что IGBT уж совсем не симулируются. В доказательство приведу пример IGBT_MOSFET.DSN. В нем я выложил в графиках выходные характеристики для парочки тех и других транзисторов, ну а про реалтайм для IGBT, да еще нескольких в проекте видимо придется пока забыть до появления каких-нибудь супер-пупер процессоров или многоядерной версии Протеуса с распределенными вычислениями.
Справедливости ради надо отметить, что первую же модель в библиотеке IGBT - IRG4BC10KD мне не удалось просимулировать даже с помощью графиков, видно что-то «в консерватории не так», ну а остальные вроде ничего – живые.
Ну давайте закончим этот громоздкий материал по полевым транзисторам и наконец вернемся к заброшенной нами еще в начале этого раздела модели ОУ.
Рисунки 106, 107, 108.
Рисунки 109, 110, 111.