PSpice-Parameter Dioden und Transistoren

PSpice-Parameter
Dioden und Transistoren
Richard Schorpp
Version 1.0
PSpice-Parameter2.doc
-1-
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
1
R.Schorpp
INHALTVERZEICHNIS
1 Inhaltverzeichnis................................................................................................................2
1.1 Versionsverwaltung.......................................................................................................3
2 Einführung.......................................................................................................................... 4
3 Dioden................................................................................................................................. 5
3.1 Beispiele........................................................................................................................ 5
3.2 IEC-Symbole.................................................................................................................6
3.3 Modell............................................................................................................................ 6
3.3.1 Schema.................................................................................................................. 6
3.3.2 Gleichungen........................................................................................................... 6
3.3.3 Skript des Modells..................................................................................................6
3.4 Vorwärtskennlinie log(Id)=f(Vd).....................................................................................7
3.5 Rückwärtskennlinie log(Id)=f(Vd)...................................................................................7
3.5.1 Schottky-Diode 1N5819..........................................................................................7
3.5.2 Zener-Diode MA1051.............................................................................................7
3.6 Kapazität....................................................................................................................... 8
3.7 Speicherzeit................................................................................................................... 8
3.8 Temperatureffekte.........................................................................................................9
3.8.1 Vorwärtsspanung....................................................................................................9
3.8.2 Sperrstrom............................................................................................................ 10
4 Bipolar-Transistoren (BJT)..............................................................................................11
4.1 Beispiele...................................................................................................................... 11
4.2 IEC-Symbole............................................................................................................... 12
4.3 Modell.......................................................................................................................... 12
4.3.1 Schema................................................................................................................ 12
4.3.2 Gleichungen......................................................................................................... 12
4.3.3 Skript des Modells................................................................................................12
4.4 Ic= f(Vce, Ib)................................................................................................................ 13
4.4.1 Einfluss von Bf......................................................................................................13
4.4.2 Einfluss von Rc.....................................................................................................14
4.4.3 Einfluss der Early-Spannung Vaf..........................................................................14
4.5 Ic=f(Ib)......................................................................................................................... 14
4.6 Log(Ic)=f(Vbe)............................................................................................................. 15
4.7 Ib=f(Vbe)..................................................................................................................... 15
4.8 log(Ic)=f(Vbe) und log(Ib)=f(Vbe).................................................................................15
4.9 Bf=f(Vbe)..................................................................................................................... 16
4.10 Einfluss der PSpice-Parameter auf die h-Parameter.................................................16
4.11 Zeitliche Effekte.........................................................................................................17
4.12 Frequenzabhängige Effekte......................................................................................18
4.12.1 Stromverstärkung Ic/Ib........................................................................................18
4.13 Temperatureffekte.....................................................................................................19
4.13.1 Reaktionszeit......................................................................................................19
4.13.2 Log(Ic)=f(Vbe) und Isc........................................................................................19
4.13.3 Stromverstärkung Ic=f(Ib)...................................................................................20
4.13.4 Ib=f(Vbe)............................................................................................................. 20
5 Feldeffekt-Transistoren...................................................................................................21
5.1 Klassifikation............................................................................................................... 21
5.1.1 J-FET:................................................................................................................... 21
5.1.2 Verarmungstyp=Deplation....................................................................................21
5.1.3 Anreicherungstyp = Enhancement:.......................................................................21
6 J-FET................................................................................................................................. 22
6.1 Beispiele...................................................................................................................... 22
6.2 IEC-Symbole............................................................................................................... 22
6.3 Modell.......................................................................................................................... 23
PSpice-Parameter2.doc
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20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
R.Schorpp
6.3.1 Schema................................................................................................................ 23
6.3.2 Gleichungen......................................................................................................... 23
6.3.3 Skript des Modells................................................................................................23
6.4 Id=f(Vgs)...................................................................................................................... 24
6.5 Id=f(Vds)...................................................................................................................... 24
6.5.1 Einfluss von Vgs...................................................................................................24
6.5.2 Einfluss von Lambda............................................................................................24
6.5.3 Einfluss von Beta..................................................................................................25
6.5.4 Einfluss von Vto....................................................................................................25
6.6 Frequenzabhängige Effekte........................................................................................26
6.7 Temperatureffekte.......................................................................................................27
6.7.1 Id=f(Vgs)............................................................................................................... 27
7 MOS-Fet............................................................................................................................ 28
7.1 Beispiele...................................................................................................................... 28
7.2 IEC-Symbole............................................................................................................... 28
7.3 Level3-Modell.............................................................................................................. 29
7.3.1 Schema................................................................................................................ 29
7.3.2 Gleichungen......................................................................................................... 29
7.3.3 Skript des Modells................................................................................................29
7.4 I=f(Vds,Vgs)................................................................................................................ 30
7.4.1 Einfluss von Vto....................................................................................................30
7.4.2 Einfluss von Kp.....................................................................................................30
7.5 I=f(Vgs)........................................................................................................................ 31
7.5.1 Quadratische Abhängigkeit...................................................................................31
7.5.2 Einfluss von Vto....................................................................................................31
7.5.3 Einfluss von Kp.....................................................................................................31
7.6 Zeitliche Effekte........................................................................................................... 32
7.6.1 Messschaltung......................................................................................................32
7.6.2 Ausschaltzeit........................................................................................................ 32
7.6.3 Einschaltzeit......................................................................................................... 32
7.7 Frequenzabhängige Effekte........................................................................................34
7.7.1 Einfluss von Cgdo.................................................................................................34
7.8 Temperatureffekte.......................................................................................................35
1.1
Versionsverwaltung
Version
1.0
Datum
08.08.01
Aenderungen
Ursprung
PSpice-Parameter2.doc
-3-
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
2
R.Schorpp
EINFÜHRUNG
Dieses Dokument ist eine Zusammenfassung der häufig gebrauchten PSpice-Modelle für
aktive Komponenten.
Da die Simulation nur so gut wie die benutzten Modelle sein kann, ist es wichtig, diese
Modelle zu verstehen und die entsprechenden Parameter anpassen zu können.
Zudem ist immer zu achten, dass die Parameter für eine bestimmte Simulation auch
eingestellt sind, wie zum Beispiel:
Toleranz bei der Montecarlo-Analyse
Temperaturkoeffiziente bei der Temperatur-Analyse
Rausch-Parameter bei der Rausch-Analyse
Um die Wirkung der einzelnen Parameter zu veranschaulichen, wurden sie jeweils verändert
und die entsprechenden Kennlinien erzeugt.
Die folgenden Modelle sind aus dem OrCAD-Dokument "pspref.pdf" und die Theorie dazu
aus folgendem Buch entnommen:
Semiconductor Device Modeling with SPICE
Giuseppe Massobrio, Paolo Antognetti
McGrawHill
ISBN 0-07-002469-3
PSpice-Parameter2.doc
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20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
3
R.Schorpp
DIODEN
3.1 Beispiele
PSpiceParam. Bedeutung
Is
N
Rs
Ikf
Xti
Eg
Cjo
M
Vj
Fc
Bv
Ibv
Nbv
Ibvl
Nbvl
Tbv1
Tt
Isr
Nr
Klein Gleichrichter Schottky Schottky Lawinnen
Zener
Zener
Signal
1A
10A
1A
3.5A
5W
0.5W Varicap
PIN
Diodentyp 1N4148
1N4001
MBR1045 1N5819 BYV28-200 MLL4733 MA1051 BB429 BAR64
Rückwärtssättigungsstrom [A] 2.68n
14.11n
168n
2.835u
8.86n
1.2f
22.53n
2.9f
880p
Emissionskoeffizient
1.836
1.984
1
1
1.31
1
2.327
1.046
1.305
Seriewiderstand [Ohm]
47.12m
47.3m
1.078
31.93m 113m
0.9
566m
33.89m
8m
Vorwärtssättigungsknie[A]
323m
29m
0
0.65
inf
44.17m
94.8
1.121
Temperaturexponent für Is
3
3
0
0
3
3
3
4
Sperrschichtenergie [eV]
1.11
1.11
1.11
1.11
1.11
1.11
1.11
1.16
Kapazität [F]
4p
25.89p
889p
302.5p
215p
160p
110p
0.33p
56p
Dotierungsgrad
0.333
0.44
0.464
0.72
0.378
0.5484
0.333
1.267
0.2
p-n-Potential [V]
0.75
0.471
0.8
0.5
0.3245
0.75
0.75
0.75
3.926
Kapazitätskoeffizient
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
Durchbruchspannung [V]
inf
inf
234.2
40.6
70
100
75
5.1
5.184
Strom bei Bv [A]
100u
10u
100p
100p
2.588
0.3n
0.1n
0.7
0.13
Idealitätsfaktor für Ibv
1
1
1
1
1
1
1
0.74
Strom für Niederspannung
0
0
0
0
0
0
0
4.8m
Idealitätsfaktor für Ibvl
1
1
1
1
1
1
1
6.74
Temperaturkoeffizient für Bv
0
0
0
0
0
0
0
176.5u
Verzögerungszeit [s]
11.54n
0
5n
120n
1.25u
5.7u
0
0
35n
Rekombinationsstrom [A]
0
0
250p
1.297u
0
10.37u
17u
15.5n
Emissionskoeffizient für Isr
2
2
2
2
2.6
2
2
2
PSpice-Parameter2.doc
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PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
3.2
IEC-Symbole
DIODE SCHOTTKY
DIODE
3.3
R.Schorpp
DIODE BREAKDOWN
DIODE ZENER
DIODE VARACTOR
DIODE TUNNEL
LED
PHOTO-D
Modell
3.3.1
Schema
Anode
Rs
Vd
Id
Cd
Kathode
3.3.2 Gleichungen
Id=Ifwd-Irev
Ifwd=Inrm*Kinj+Irec*Kgen
Inrm=Is(exp(Vd/N/Vt)-1)
Kinj=(Ikf/(Ikf+Inrm))0.5
Irec=Isr(exp(Vd/Nr/Vt)-1)
Kgen=((1-Vd/Vj)2+0.005)^M/2
Irev=IrevH-IrevL
IrevH=Ibv*exp((Vd+Bv)*Nbv*Vt)
IrevL=Ibvl*exp((Vd+Bv)*Nbvl*Vt)
Vt=kT/q
k = Bolzmannsche Konstante
T = absolute Temperatur
q = Elektronenladung
3.3.3 Skript des Modells
Beispiel:
.model MA1051 D(Is=22.53n N=2.327 Rs=31.93m Ikf=.6476 Xti=3 Eg=1.11 Cjo=110p
+
M=.3333 Vj=.75 Fc=.5 Isr=1.297u Nr=2 Bv=5.184 Ibv=.1294 Tt=5n)
PSpice-Parameter2.doc
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20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
3.4
R.Schorpp
Vorwärtskennlinie log(Id)=f(Vd)
Schottky-Diode 1N5819
Beeinflusst durch:
Is, Ikf, Isr, Rs, N (=n)
3.5
3.5.1
Rückwärtskennlinie log(Id)=f(Vd)
Schottky-Diode 1N5819
Beeinflusst durch:
Is, Isr
3.5.2
Zener-Diode MA1051
PSpice-Parameter2.doc
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20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
R.Schorpp
Beeinflusst durch:
Is, Isr, Bv, Ibv
3.6
Kapazität
Die Varicap-Diode muss rückwärts polarisiert sein.
Messschaltung für BB439:
L1
C1
100mH
100n
V2
D1
10V
V1
0Vdc
BB439/SIE 1mV
TRAN =
0
Cd=f(V2) wenn V2=0.1...30V
Beeinflusst durch:
Cjo, M, Vj
3.7
Speicherzeit
Messschaltung nach Datenblatt der Diode 1N914:
R1
C1
0.2u
V1 = 0
V2 = -2V
TD = 0
TR = 0.1n
TF = 0.1n
PW = 20n
PER = 40n
D1
V1
50
D1N914
R2
10k
R3
2.5k
C2
R4
50
0.1u
V2
25.8V
0
PSpice-Parameter2.doc
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20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
R.Schorpp
Zeitdiagramm: Strom in R4
Beeinflusst durch: Tt
3.8
Temperatureffekte
Temperaturabhängig sind folgende Parameter:
Is, Isr, Ikf, Bv, Rs, Vj, Cjo
3.8.1 Vorwärtsspanung
Ud=Ud(T=To)+c2(T-To)
Wobei c2=-(1.5...2.7)mV/K
Id=f(Vd) für verschiedene Temperaturen:
PSpice-Parameter2.doc
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PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
R.Schorpp
3.8.2 Sperrstrom
Is=Is(T=To)ec1(T-To)
Wobei c1=0.06/K
Der Sperrstrom verdoppelt sich alle 10°K beim Silicium
PSpice-Parameter2.doc
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PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
4
4.1
BIPOLAR-TRANSISTOREN (BJT)
Beispiele
Klein
-signal
npn
Transistortyp BC108A
Sättigungsstrom [A]
7.05f
Vorwärtsemissionskoeffizient
für Is
1
Rückwärtsemissionskoeffizie
nt für Is
1
Temperaturexponent für Is
3
Sperrschichtenergie [eV]
1.11
PSpiceParam. Bedeutung
Is
Nf
Nr
Xti
Eg
Vaf
Var
Bf
Ise
Ne
Ikf
Nk
Xtb
Br
Isc
Nc
Ikr
Rb
Rbm
Irb
Re
Rc
Cjc
Mjc
Vjc
Xcjc
Fc
Cje
Mje
Vje
Cjs
Vjs
Mjs
Tr
Tf
Ptf
Itf
Xtf
Vtf
L
R.Schorpp
Vorwärts Early-Spannung [V]
Rückwärts Early-Spannung
[V]
max. Vorwärts-Beta
BE-Leckstrom [A]
Emissionskoeffitient für Ise
Kniestrom für Bf [A]
Emissionskoeffizient für
Vorwärtsstrom
Temperaturkoeffizient für Bf
und Br
max. Rückwärts-Beta
BC-Leckstrom [A]
Emissionskoeffitient für Isc
Kniestrom für Br [A]
Basiswiderstand [Ohm]
Min. Basiswiderstand [Ohm]
Stromabhängigkeit von Rb
[A]
Emitterwiderstand [Ohm]
Collectorwiderstand [Ohm]
BC-Kapazität bei 0V [F]
BC-Kapazitätskoeffizient
BC-Spannung [V]
Anteil Cjc verbunden mit Rb
Kapazitätsverminderung bei
Spannung
BE-Kapazität bei 0V [F]
BE-Kapazitätskoeffizient
BE-Spannung [V]
Junction-Substrate Kapazität
[F]
JS-Spannung [V]
JS-Kapazitätskoeffizient
Rückwärtsverzögerungszeit
[s]
Vorwärtsverzögerungszeit [s]
Phase bei Tf [°]
Ic-Verzögerung [A]
Koeffizient für Itf
Abhängigkeit der
Verzögerung mit Vbc [V]
Anschlussinduktivität [H] pro
Anschluss
PSpice-Parameter2.doc
Kleinsignal
Schalter Schalter Schalter Leistung Leistung HF
pnp
npn
npn
pnp
npn
pnp
npn
BC178A BSV52 2N2219 2N2905 BDX77 BDX78 BFS17
336.7f
0.49f
1.222f 14.34f 0.650f 487.2f 1554f
1
0.99
1
1
1
1
0.993
1
3
1.11
0.974
3
1.11
1
3
1.11
1
3
1.11
1
3
1.11
1
3
1.11
1.005
3
1.11
116.3
44.61
35.3
74.03
115.7
100
100
90
inf
375.5
7.05f
1.281
4.589
inf
187
336.8f
1.459
0.2059
29.6
82.01
38.95f
1.632
0.196
inf
255.9
14.34f
1.307
0.2847
inf
231.7
54.81f
1.829
1.079
inf
14.34k
391.7p
1.908
0.3088
inf
257.6
14.36p
1.662
1.865
6
93
10f
1.8
0.055
0.5
0.508
0.5
0.5
0.6439
0.6053
0.5
1.5
2.611
121.7p
1.865
5.313
0
0
1.5
4.068
1121p
1.953
10.05
0
0
0
0.1731
1.85n
2.01
0.1
0.5
0
1.5
6.092
0
2
0
10
0
1.5
3.563
0
2
0
10
0
1.5
222.1
750.1f
1.777
1.062
0
0
1.5
1.749
48.91p
1.594
0.2185
0
0
0
25
4.5f
1.2
0.01
7
0.5
inf
0
1.464
5.38p
0.329
0.6218
1
inf
0
1.86
11p
0.2223
0.5
1
1u
0.612
1.527
1.6p
0.1711
0.198
0.4
inf
0
1
7.3p
0.3416
0.75
1
inf
0
0.715
14.76p
0.5383
0.75
1
inf
inf
0
0
63.1m 54.28m
485.8p 340p
0.333
0.333
0.5
0.5
1
1
0.5m
0.5
2
1.54p
0.25
0.559
1
0.5
11.5p
0.2717
0.5
0.5
33p
0.333
0.5
0.9399
3.4p
0.344
0.735
0.5
22p
0.377
0.75
0.5
19.8p
0.3357
0.75
0.5
1.457n
0.333
0.5
0.5
1.02n
0.333
0.5
0.5
1.18p
0.4
1,12
0
0.75
0
0
0.75
0
0
0.75
0.333
0
0.75
0
0
0.75
0
0
0.75
0
0
0.75
0
0
0.75
0
10n
10n
60n
46.9n
111.3n
1u
1u
24n
451p
0
6.194
17.43
845.5p
0
1.701
19.04
211p
0
1.534
127
411p
0
0.6
3
603.7p
0
0.65
1.7
13.87n
0
5.655k
7.064
11.41n
0
85.35
9.975
50p
0
2.3
100
10
10
2.3
1.7
5
10
10
inf
1.2n
- 11 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
4.2
IEC-Symbole
NPN
4.3
R.Schorpp
PNP
Modell
4.3.1
Schema
Kollektor
Rc
Cbc
Ibc2
1n
Cjs
Ibc1/Br
Rb
Basis
(Ibe1-Ibc1)/Kqb
Cbe
Ibe2
Ibe1/Bf
Re
Emitter
4.3.2 Gleichungen
Ib=Ibe1/Bf+ibe2+ibc1/Br+Ibc2
Ibe1=Is(exp(Vbe/Nf/Vt)-1)
Ibe2=Ise(exp(Vbe/Ne/Vt)-1)
Ibc1=Is(exp(Vbc/Nr/Vt)-1)
Ibc2=Isc(exp(Vbc/Nr/Vt)-1)
Ic=Ibe1/Kqb-Ibc1/Kqb-Ibc1/Br-Ibc2
Kqb=Kq1(1+(1+4Kq2)^Nk)/2
Kq1=1/(1-Vbc/Vaf-Vbc/Var)
Kq2=Ibe1/Ikf+Ibc1/Ikr
Vt=kT/q
k = Bolzmannsche Konstante
T = absolute Temperatur
q = Elektronenladung
4.3.3 Skript des Modells
Beispiel:
.MODEL
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
BFW92 NPN
IS = 2.26749E-016
BF = 4.27829E+001
NF = 9.98081E-001
VAF = 3.09206E+001
IKF = 2.80682E+000
ISE = 1.25812E-011
NE = 2.69052E+000
BR = 1.50821E+001
NR = 9.89755E-001
VAR = 1.31800E+001
PSpice-Parameter2.doc
- 12 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
4.4
4.4.1
R.Schorpp
IKR = 3.83070E-001
ISC = 6.22829E-016
NC = 1.08818E+000
RB = 1.00000E+001
IRB = 1.00000E-006
RBM = 1.00000E+001
RE = 3.00000E-001
RC = 2.76000E+000
EG = 1.11000E+000
XTI = 3.00000E+000
CJE = 8.93473E-013
VJE = 6.00000E-001
MJE = 2.81933E-001
TF = 1.03700E-010
XTF = 8.59092E+001
VTF = 4.16619E-002
ITF = 9.82771E-002
PTF = -1.0000E+001
CJC = 1.08829E-012
VJC = 4.07523E-001
Ic= f(Vce, Ib)
Einfluss von Bf
PSpice-Parameter2.doc
- 13 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
4.4.2
Einfluss von Rc
4.4.3
Einfluss der Early-Spannung Vaf
4.5
R.Schorpp
Ic=f(Ib)
Beinflusst durch: Bf
PSpice-Parameter2.doc
- 14 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
4.6
R.Schorpp
Log(Ic)=f(Vbe)
Beinflusst durch: Isc
4.7
Ib=f(Vbe)
Beinflusst durch: Is, Bf
4.8
log(Ic)=f(Vbe) und log(Ib)=f(Vbe)
Ic
Ib
log(Ib)=f(Vbe):
Beinflusst durch: Is
log(Ic)=f(Vbe):
Beinflusst durch: Bf, Ikf
Log(Bf) = log(Ic)-log(Ib)
PSpice-Parameter2.doc
- 15 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
4.9
R.Schorpp
Bf=f(Vbe)
Beinflusst durch: Is, Bf, Ikf
4.10 Einfluss der PSpice-Parameter auf die h-Parameter
Beispiel für einen Transistor in Emitterschaltung
Ic
hfe=h21=Bf
hoe=h22=f(Vaf)
Vce
Ib
hie=h11=f(Is, Bf)
Vbe
hre=h12≈0
Amerikanische Bezeichnungen:
Ib
Ic
hie
Ube
hre*Uce hfe*Ib
Uce
1/hoe
Ube=hie*Ib+hre*Uce
Ic=hfe*Ib+hoe*Uce
Europäische Bezeichnungen:
I1
I2
h11
U1
h12*U2
h21*I1
1/h22
U2
U1=h11*I1+h12*U2
I2=h21*I1+h22*U2
PSpice-Parameter2.doc
- 16 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
R.Schorpp
4.11 Zeitliche Effekte
Messschaltung:
R4
1k
R5
V1 = -5V
V2 = 10
TD = 0
TR = 0.1ns
TF = 0.1ns
PW = 50ns
PER = 400ns
V3
1k
Q1
V1
10V
BC108A
0
Diese Zeiten sind von folgenden Parametern abhängig:
Re
Rb
Rc
sowie
Cbc=Xcjc*Cjbc+Ctbc
Ctbc=f(Tr)
Cjbc=f(Cjc, Fc, Vjc, Mjc)
Cbe=Cjbe+Ctbe
Ctbe=f(Tf,Xtf, Itf, Vtf)
Cjbe=f(Cje, Fc, Vje, Mje)
Cjs=f(Cjs, Vjs, Mjs)
PSpice-Parameter2.doc
- 17 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
R.Schorpp
4.12 Frequenzabhängige Effekte
4.12.1 Stromverstärkung Ic/Ib
Messschaltung:
R10
1k
V3
Q1
R6
100k
10V
BC108A
C10
100u
0Vdc
1mV
TRAN =
R12
V6
100
C9
V5
100u
7V
0
h21 in dB:
fT ist von Bf sowie allen Parametern abhängig, welche die Zeitabhängigkeit bestimmen.
(siehe 4.10)
fT ist zudem vom Kollektorstrom abhängig
Da die Spannung V5 den Strom diktiert, ist diese Abhängigkeit auf dem nächsten Bild zu
sehen.
PSpice-Parameter2.doc
- 18 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
R.Schorpp
4.13 Temperatureffekte
Temperaturabhängig sind folgende Parameter:
Is, Ise, Isc, Iss, Bf, Br, Re, Rb, Rbm, Rc, Vje, Vjc, Vjs, Cje, Cjc, Cjs
4.13.1 Reaktionszeit
4.13.2 Log(Ic)=f(Vbe) und Isc
Für den gleichen Vbe:
Höhere Temperaturen ergeben einen grösseren Kollektor-Strom, welcher einen höheren
Verlust verursacht und die Temperatur erhöht. Das heisst der Bipolar-Transistor hat die
Tendenz zum thermischen Ueberlauf. (siehe auch 6.7.1und 7.8)
PSpice-Parameter2.doc
- 19 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
R.Schorpp
4.13.3 Stromverstärkung Ic=f(Ib)
4.13.4 Ib=f(Vbe)
PSpice-Parameter2.doc
- 20 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
5
5.1
R.Schorpp
FELDEFFEKT-TRANSISTOREN
Klassifikation
Id=f(Vgs)
5.1.1 J-FET:
• Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor = Junktion Field Effect Transistor = J-Fet
N-Kanal:
Up<0 (Pinch-Off-Spannung = Ugs für Sperrung)
Vds>0
Id>0
P-Kanal:
Up>0 (Pinch-Off-Spannung = Ugs für Sperrung)
Vds<0
Id<0
5.1.2 Verarmungstyp=Deplation
• Metal Oxyde Semiconductor Fet = MOS-Fet mit diffundiertem Kanal
N-Kanal:
Up<0 (Pinch-Off-Spannung = Ugs für Sperrung)
Vds>0
Id>0
P-Kanal:
Up>0 (Pinch-Off-Spannung = Ugs für Sperrung)
Vds<0
Id<0
5.1.3 Anreicherungstyp = Enhancement:
• Metal Oxyde Semiconductor Fet = MOS-Fet mit induziertem Kanal
N-Kanal:
Up>0 (Pinch-Off-Spannung = Ugs für Sperrung)
Vds>0
Id>0
P-Kanal:
Up<0 (Pinch-Off-Spannung = Ugs für Sperrung)
Vds<0
Id<0
PSpice-Parameter2.doc
- 21 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
6
6.1
J-FET
Beispiele
PSpiceParameter Bedeutung
Beta
Transkonduktanz-Koeffizient
[A/V2]
Betatce
Temperaturkoeffizient für
Beta [%/°C]
Rd
Drainwiderstand [Ohm]
Rs
Sourcewiderastand [Ohm]
Lambda
Kanallängemodulation [V-1]
Vto
Schwellenspannung [V]
Vtotc
Temperaturkoeffizient für Vto
Is
Gate-Sättigungsstrom [A]
Isr
Gate-Rekombinationsstrom
[A]
N
Gate-Emissionskoeffizient
Nr
Emissionskoeffizient für Isr
Xti
Temperaturkoeffizient für Isr
Alpha
Ionisationskoeffizient [V-1]
Vk
Knie der
Ionisationsspannung [V]
Cgd
GD-Kapazität [F]
M
Dotierungsgrad
Pb
Gate-Potential [V]
Fc
Kapazitätskoeffizient
Cgs
GS-Kapazität [F]
Kf
Rauschenkoeffizient
Af
Rauschenexponent
6.2
R.Schorpp
N-Kanal
BF245A
1.754m
N-Kanal
BF256B
1.5m
P-Kanal
J2N5461
1.699m
-0.5
-0.5
-0.5
1
1
2.667m
-1.409
-2.5m
33.57f
322.4f
1
1
4.2m
-2.3
-2.5m
33.57f
322.4f
1
1
23m
-1.883
-2.5m
222.4f
2.177p
1
2
3
311.7u
243.6
1
2
3
311.7u
243.6
1
2
3
29.8u
400.1
3.35p
.3622
1
.5
3.736p
13.56E-18
1
2.132p
.3622
1
.5
2.104p
23.06E-18
1
2.34p
.4822
1
.5
2.92p
1.055f
1
IEC-Symbole
FET N
FET P
PSpice-Parameter2.doc
- 22 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
6.3
R.Schorpp
Modell
6.3.1
Schema
Drain
Rd
Cgd
Gate
Id
Cgs
Rs
Source
6.3.2 Gleichungen
Ig=Igs+Igd
Igs=In+IrKg
Igd=In+Ir*Kg+Ii
In=Is(exp(Vgs/N/Vt)-1)
Ir=Isr(exp(Vgs/Nr/Vt)-1)
Vt=kT/q
k = Bolzmannsche Konstante
T = absolute Temperatur
q = Elektronenladung
Kg=((1-Vgs/Pb)2+0.005)^M/2
Ii=Idrain*Alpha*vdif*exp(-Vk/vdif)
vdif=Vds-(Vgs-Vto)
Id=Idrain-Igd
Is=-Idrain-Igs
Im linearen Bereich:
Idrain=Beta*(1+Lambda*Vds)*Vds*(2(Vgs-Vto)-Vds)
In Sättigung:
Idrain= Beta*(1+Lambda*Vds)(Vgs-Vto)2
6.3.3 Skript des Modells
.model BF245A NJF(Beta=1.754m Betatce=-.5 Rd=1 Rs=1 Lambda=2.667m Vto=-1.409
+
Vtotc=-2.5m Is=33.57f Isr=322.4f N=1 Nr=2 Xti=3 Alpha=311.7u
+
Vk=243.6 Cgd=3.35p M=.3622 Pb=1 Fc=.5 Cgs=3.736p Kf=13.56E-18
+
Af=1)
PSpice-Parameter2.doc
- 23 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
6.4
R.Schorpp
Id=f(Vgs)
√Id=f(Vgs)
Beinflusst durch: Vto, Beta, Is
6.5
Id=f(Vds)
6.5.1
Einfluss von Vgs
6.5.2
Einfluss von Lambda
PSpice-Parameter2.doc
- 24 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
6.5.3
Einfluss von Beta
6.5.4
Einfluss von Vto
PSpice-Parameter2.doc
- 25 -
R.Schorpp
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
6.6
R.Schorpp
Frequenzabhängige Effekte
Messschaltung:
R1
100k
Aus
V1
J1
15V
BF245A
0Vdc
1mV
TRAN =
V3
R2
10k
C2
100u
0
Spannungsverstärkung:
Cgd=f(Vgd)
PSpice-Parameter2.doc
- 26 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
6.7
R.Schorpp
Temperatureffekte
Temperaturabhängig sind folgende Parameter:
Vto, Beta, Isr, Pb, Cgs, Cgd
6.7.1 Id=f(Vgs)
√Id=f(Vgs)
Für die gleiche Spannung Vgs > 0.6V:
Höhere Temperaturen ergeben einen kleineren Drain-Strom, welcher einen reduzierten
Verlust und kleinere Temperaturen verursacht. Das heisst: es gibt eine Selbststabilisierung.
PSpice-Parameter2.doc
- 27 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
7
7.1
R.Schorpp
MOS-FET
Beispiele
Generelle Parameter:
Level
Komplexitätsgrad des Modells
Gamma Substrate-Schwellenparameter [V1/2]
Delta
Effekt der Kanalbreite auf die
Schwellenspannung
Eta
Rückwärtseinfluss
Theta
Beweglichkeitsmodulation [V-1]
Kappa
Faktor zur Feldsättigung
Vmax
maximaler Driftgeschwindigkeit [m/s]
Xj
Junktionstiefe [m]
3
0
0
0
0
0.2
0
0
Spezifische Parameter:
PSpiceParam. Bedeutung
Tox
Oxyde-Gatedicke [um]
Uo
Verschlechterung der spannungslosen
Feldbeweglichkeit [V-1]
Phi
Flächenumkehrpotential [V]
Rs
Source-Widerstand [Ohm]
Kp
Transkonduktanzkoeffizient [A/V2]
W
Kanalbreite [m]
L
Kanallänge [m]
Vto
Spannungslose Schwellspannung [V]
Rd
Drain-Widerstand [Ohm]
Rds
DS-Widerstand [Ohm]
Cbd
BD-Kapazität [F]
Pb
Pn-Substratepotential [V]
Mj
Pn-Substratedotierungsgrad
Fc
Pn-Substratekapazitätskoeffizient
Cgso
GS-Kapazität/Kanalbreite [F/m]
Cgdo
GD-Kapazität/Kanalbreite [F/m]
Rg
Gate-Widerstand [Ohm]
Is
Pn-Substratesättigungsstrom [A]
N
Emissionskoeffizient für Is
Tt
Pn-Substrate Verzögerungszeit [s]
7.2
IRFZ32
Power
NMOS
100n
600
IRF9Z32
Power
PMOS
100n
300
IRF610
Signal
NMOS
100n
600
IRF9610
Signal
PMOS
100n
300
.6
6.87m
20.58u
.33
2u
3.776
22.07m
222.2K
2.158n
.8
.5
.5
3.961n
1.155n
.7509
4.137p
1
190n
.6
99.16m
10.36u
.79
2u
-3.587
34.49m
222.2K
2.385n
.8
.5
.5
714p
722.9p
20.91
93.43f
2
102n
.6
.5804
20.77u
.45
2u
3.886
.5781
888.9K
220.5p
.8
.5
.5
517.7p
61.68p
.2597
1.647p
1
295n
.6
.721
10.37u
.64
2u
-3.814
1.524
888.9K
222.3p
.8
.5
.5
1.517n
30.29p
2.4
0.886f
4
1100n
IEC-Symbole
Depletion IG-FET N
PSpice-Parameter2.doc
Depletion IG-FET P
Enhancment IG-FET N
- 28 -
Enhancement IG-FET P
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
7.3
R.Schorpp
Level3-Modell
7.3.1
Schema
Drain
Rd
Cgb
Cgd
Cbd
Rg
Rb
Gate
Idrain
Cgs
Bulk
(Substrate)
Cbs
Rs
Source
Meistens ist der Bulk (Substrate) nicht zugänglich und mit dem Source intern verbunden.
7.3.2 Gleichungen
Ig=0
Ib=Ibe+Ibd
Ibe=Iss(exp(Vbs/N/Vt)-1)
Ibd=Ids(exp(Vbd/N/Vt)-1)
Iss=Is
Ids=Is
Vt=kT/q
k = Bolzmannsche Konstante
T = absolute Temperatur
q = Elektronenladung
Id=Idrain-Ibd
Is=Idrain-Ibs
Idrain=f(Gamma, Phi, Eta, Vto...)
7.3.3 Skript des Modells
.model IRF130
NMOS(Level=3 Gamma=0 Delta=0 Eta=0 Theta=0 Kappa=0.2
Vmax=0 Xj=0
+
Tox=100n Uo=600 Phi=.6 Rs=74.91m Kp=20.8u W=.9 L=2u Vto=3.412
+
Rd=26.95m Rds=444.4K Cbd=1.115n Pb=.8 Mj=.5 Fc=.5 Cgso=679.6p
+
Cgdo=197.4p Rg=5.286 Is=2.522p N=1 Tt=125n)
PSpice-Parameter2.doc
- 29 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
7.4
R.Schorpp
I=f(Vds,Vgs)
7.4.1
Einfluss von Vto
7.4.2
Einfluss von Kp
PSpice-Parameter2.doc
- 30 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
7.5
R.Schorpp
I=f(Vgs)
7.5.1 Quadratische Abhängigkeit
√Id=f(Vgs) für den NMOS IRFZ32
7.5.2
Einfluss von Vto
7.5.3
Einfluss von Kp
PSpice-Parameter2.doc
- 31 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
7.6
R.Schorpp
Zeitliche Effekte
Vor allem abhängig von Cbd und Cgdo und Cgso.
7.6.1
Messschaltung
R2
100k
V1
M1
V1 = 0
V2 = 5V
TD = 0
TR = .01ns
TF = .01ns
PW = 400us
PER = 800us
V2
10V
IRF610
0
7.6.2
Ausschaltzeit
Beinflusst durch: Cgdo
7.6.3
Einschaltzeit
7.6.3.1 Einfluss von Cgdo
PSpice-Parameter2.doc
- 32 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
R.Schorpp
7.6.3.2 Einfluss von Cgso
7.6.3.3 Einfluss von Vto
PSpice-Parameter2.doc
- 33 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
7.7
R.Schorpp
Frequenzabhängige Effekte
Messschaltung:
R1
{r}
V1
M1
4V
1mV
TRAN =
V2
10V
IRF610
R2
1k
C1
100u
0
Geeignet als NF-Verstärker. Rauscht mehr als J-Fet.
7.7.1
Einfluss von Cgdo
PSpice-Parameter2.doc
- 34 -
20.01.13
PSpice-Parameter: Dioden und Transistoren
7.8
R.Schorpp
Temperatureffekte
Folgende Parameter sind temperaturabhängig:
Is, Pb, Phi, Cbd, Cbs, Kp, Uo,
Für die gleiche Spannung Vgs > 4.2V:
Höhere Temperaturen ergeben einen kleineren Drain-Strom, welcher einen reduzierten
Verlust und kleinere Temperaturen verursacht. Das heisst: es gibt eine Selbststabilisierung.
PSpice-Parameter2.doc
- 35 -
20.01.13