Parameterextraktion bei Halbleiterbauelementen: Simulation mit PSPICE

142 Pages·2012·5.23 MB·German

by  Peter Baumann (auth.)

Parameterextraktion bei
Halbleiterbauelementen
Peter Baumann
Parameterextraktion bei
Halbleiterbauelementen
Simulation mit PSPICE
Mit 153 Abbildungen und 49 Tabellen
Prof. Dr.-Ing. Peter Baumann
Hochschule Bremen
Deutschland
ISBN 978-3-8348-2494-3 ISBN 978-3-8348-2495-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-8348-2495-0
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Vorwort
Das weltweit verbreitete Programm OrCAD-PSPICE zur Simulation elektrischer Schaltungen
enthält in den DEMO-Versionen einige kommerzielle Halbleiterbauelemente mit einem für
viele Anwendungen ausreichenden Modellinhalt.
Das Anliegen dieses Buches besteht darin, Analyseverfahren vorzustellen, mit denen die ein-
gegebenen Daten der statischen und dynamischen SPICE-Modellparameter verschiedener Dio-
den, Transistoren, Operationsverstärker und Optokoppler aus der Bauelemente-Bibliothek des
Halbleiterherstellers ermittelt werden können. Für die vorgegebenen, vereinfachten Modelle
von Dioden, Bipolar- und Feldeffekttransistoren stellen die hier angewandten Methoden der
Parameterextraktion mittels SPICE-Analysen eine Rückgewinnung der zuvor eingegebenen
Modellparameter dar. Die Parameterermittlung ist demzufolge überprüfbar. Damit werden
Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Modellparameter vergleichbarer Bauelemente über eigene
Messungen oder aus Datenblattangaben gewonnen werden können.
Bei den aktiven Bauelementen kommt dabei den Auswerteverfahren mit der maximalen stabi-
len Leistungsverstärkung eine besondere Bedeutung zu. Aus der Frequenzabhängigkeit dieser
(auch günstig messbaren) Kenngröße lassen sich speziell die Kapazitäten von Bipolar- und
Feldeffekttransistoren ermitteln.
Die Möglichkeiten des Programms MODEL EDITOR der DEMO-Version zur Parameter-
extraktion von Dioden-Parametern werden darüber hinaus auch zur Ermittlung einiger Modell-
parameter von Bipolar- und Feldeffekttransistoren genutzt. Das betrifft beispielsweise die Ex-
traktion des Sättigungsstromes, des Emissionskoeffizienten und des Knickstromes aus der
Durchlasskennlinie bei U = 0 des Bipolartransistors sowie der Modellparameter zu den Ka-
CB
pazitäten von bipolaren und unipolaren Transistoren.
Für ausgewählte Operationsverstärker werden aus den Makromodellen des Herstellers Gleich-
strom- und Kleinsignal-HF-Modelle unter Einbezug spannungsgesteuerter Spannungsquellen
abgeleitet. Bei diesen Modellen lassen sich die Betriebsspannungen innerhalb der zulässigen
Werte in beliebiger Höhe anlegen.
Für den Optokoppler werden Analysen an einem Modell vorgenommen bei dem die optische
Signalübertragung mit einer nicht linearen spannungsgesteuerten Spannungsquelle nachgebil-
det wird.
Herrn Dipl.-Ing. Johannes Aertz von der Hochschule Bremen danke ich für die Unterstützung
bei der Umsetzung des Manuskripts. Ferner danke ich Herrn Cheflektor, Dipl.-Ing. Reinhard
Dapper vom Springer Vieweg Verlag für seine Unterstützung und Frau Angela Fromm von der
Firma Fromm MediaDesign für die umfangreichen Arbeiten zur Überprüfung und Anpassung
der Daten an die Verlagsstandards für wissenschaftliche Publikationen.

Bremen im Juli 2012 Peter Baumann
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Halbleiterdioden .......................................................................................................... 1
1.1 Dioden-Modell ....................................................................................................... 1
1.2 Statische Modellparameter der Schaltdiode 1N 4148 ............................................ 3
1.2.1 Simulation der Durchlasskennlinie ............................................................. 3
1.2.2 Parameterextraktion über MODEL EDITOR ............................................. 4
1.2.3 Auswertung mit Gleichungen ..................................................................... 5
1.3 Transitzeit der Schaltdiode 1N 4148 ...................................................................... 6
1.3.1 Simulationsschaltung .................................................................................. 6
1.3.2 Extraktion der Transitzeit aus der Sperrerholungszeit ................................ 7
1.4 Modellparameter der Kapazitätsdiode ................................................................... 8
1.4.1 Kapazitätskennlinie ..................................................................................... 8
1.4.2 Parameterextraktion über MODEL EDITOR ............................................. 8
1.4.3 Rechnerische Auswertung .......................................................................... 9
1.4.4 Grafisches Ermittlungsverfahren ................................................................ 10
1.4.5 Simulation der Kapazitätskennlinie ............................................................ 11
1.5 Modellparameter der Z-Diode 1N 750 ................................................................... 12
1.5.1 Z-Kennlinie und differentieller Z-Widerstand ............................................ 12
1.5.2 Extraktion von BV und I .......................................................................... 13
BV
2 Bipolartransistoren ...................................................................................................... 14
2.1 Großsignalmodell ................................................................................................... 14
2.2 Extraktion statischer Modellparameter .................................................................. 17
2.2.1 Kennlinien bei U = 0 ............................................................................... 17
CB
2.2.2 Parameterextraktion von N , I , N und I ................................................. 19
F S E SE
2.2.3 Abschätzung von B und I ....................................................................... 19
F KF
2.2.4 Ermittlung der EARLY-Spannung V ....................................................... 21
AF
2.2.5 Ermittlung des Kollektorbahnwiderstandes R ........................................... 22
C
2.3 Extraktion dynamischer Modellparameter ............................................................. 24
2.3.1 Kapazitätsparameter ................................................................................... 24
2.3.2 Kleinsignalmodell ....................................................................................... 26
2.3.3 Maximale stabile Leistungsverstärkung ..................................................... 27
2.3.4 Extraktion von C , R und T über die Leistungsverstärkungen ............... 29
JC B F
2.3.5 Modellparameter zur Transitfrequenz ......................................................... 35
3 Sperrschicht-Feldeffekttransistoren .......................................................................... 39
3.1 Großsignalmodell ................................................................................................... 39
3.2 Extraktion von Modellparametern aus Kennlinien ................................................ 41
3.2.1 Ermittlung von Schwellspannung und Transkonduktanz ........................... 41
3.2.2 Ermittlung der Bahnwiderstände ................................................................ 43
3.3 Kleinsignalmodell .................................................................................................. 44
VIII Inhaltsverzeichnis
3.4 Maximale stabile Leistungsverstärkung ................................................................. 45
3.4.1 Berechnung ................................................................................................. 45
3.4.2 Simulationsschaltungen zur Leistungsverstärkung ..................................... 46
3.4.3 Extraktion von Modellparametern .............................................................. 48
3.5 Ermittlung des Funkelrauschkoeffizienten ............................................................. 50
4 MOS-Feldeffekttransistoren ....................................................................................... 55
4.1 Großsignalmodell ................................................................................................... 55
4.2 Extraktion von Modellparametern aus Kennlinien ................................................. 57
4.3 Kleinsignalmodelle von MOSFET ......................................................................... 61
4.4 Maximale stabile Leistungsverstärkung ................................................................. 62
4.4.1 Berechnung für U = 0 .............................................................................. 62
BS
4.4.2 Simulationsschaltungen zur Leistungsverstärkung ..................................... 62
4.4.3 Extraktion von Modellparametern über v ................................................. 67
ps
4.4.3.1 Parameter des NMOSFET ............................................................. 67
4.4.3.2 Parameter des PMOSFET ............................................................. 69
5 Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor .......................................................................... 71
5.1 Modellparameter des Leistungs-MOSFET IRF 150 .............................................. 71
5.2 Extraktion der Modellparameter ............................................................................ 71
5.2.1 Statische Modellparameter .......................................................................... 71
5.2.2 Vierpol-Kapazitäten .................................................................................... 73
5.2.3 Maximale stabile Leistungsverstärkung ...................................................... 76
5.2.3.1 Simulationsschaltungen zu v ....................................................... 76
ps
5.2.3.2 Ermittlung von Modellparametern über die Leistungsverstärkung 77
6 Operationsverstärker .................................................................................................. 81
6.1 Aufbau und Hauptkenngrößen ............................................................................... 81
6.2 Gleichstrom-Modelle ............................................................................................. 83
6.2.1 Analysen zu den Makromodellen ............................................................... 83
6.2.1.1 Übertragungskennlinie .................................................................. 83
6.2.1.2 Eingangs- und Betriebsruheströme ................................................ 83
6.2.1.3 Übertragungsfunktion .................................................................... 84
6.2.1.4 Gleichtaktkenngrößen ................................................................... 84
6.2.2 Erzeugung der linearen Gleichstrom-Modelle ............................................ 88
6.2.2.1 Einfache Gleichstrom-Modelle ..................................................... 88
6.2.2.2 Erweitertes Gleichstrom-Modell ................................................... 91
6.3 Kleinsignal-HF-Modelle ........................................................................................ 94
6.3.1 Frequenzanalysen am Makromodell ........................................................... 94
6.3.1.1 Frequenzgang der Differenzverstärkung ....................................... 94
6.3.1.2 Frequenzgang der Gleichtaktunterdrückung ................................. 96
6.3.2 Erzeugung der HF-Modelle ........................................................................ 97
6.3.2.1 HF-Modell für den Differenzbetrieb ............................................. 97
6.3.2.2 HF-Modell für den Gleichtaktbetrieb ............................................ 98
Inhaltsverzeichnis IX
7 Optokoppler ................................................................................................................. 101
7.1 Prinzipschaltung und elektrische Kenngrößen ....................................................... 101
7.2 Parameterextraktion zur LED ................................................................................ 102
7.2.1 Extraktion von Parametern aus Strom-Spannungs-Kennlinien ................... 102
7.2.1.1 Durchlasskennlinie ........................................................................ 102
7.2.1.2 Sperrkennlinie ............................................................................... 103
7.2.2 Extraktion von Parametern aus der Kapaziätskennlinie .............................. 104
7.2.3 Extraktion der Transitzeit aus der Sperrerholungszeit ................................ 105
7.3 Parameterextraktion zum Fototransistor ................................................................ 106
7.3.1 Extraktion von Parametern aus Strom- Spannungs-Kennlinien .................. 106
7.3.2 Extraktion der Early-Spannung aus dem Ausgangskennlinienfeld ............. 110
7.3.3 Extraktion von Parametern aus Kennlinien für den Inversbetrieb .............. 111
7.3.4 Extraktion von Modellparameter aus den Kapazitätskennlinien ................. 114
7.3.5 Extraktion von Modellparametern aus der Leistungsverstärkung v ......... 115
ps
7.3.5.1 Transitzeit in der Vorwärtsrichtung .............................................. 115
7.3.5.2 Transitzeit in der Rückwärtsrichtung ............................................ 116
7.3.6 Auswertung der Transitzeiten über die Transitfrequenz ............................. 118
7.4 Parameterextraktion zum Optokoppler .................................................................. 119
7.4.1 Analyse des Stromübertragungsfaktors ...................................................... 119
7.4.2 Gleichstrom-Modell des Optokopplers ....................................................... 121
7.4.3 Statische Kennlinien ................................................................................... 125
7.4.4 NF-Signal-Übertragung .............................................................................. 127
7.4.5 Frequenzabhängigkeit des Stromübertragungsfaktors ................................ 128
7.4.6 Temperaturabhängigkeit des Optokopplers ................................................ 131
Literaturverzeichnis ............................................................................................................. 133
Sachwortverzeichnis ............................................................................................................ 134
1
1 Halbleiterdioden
1.1 Dioden-Modell
Zum Dioden-Modell nach Bild 1.1 gehören die folgenden Elemente:
(cid:120) das Dioden-Schaltsymbol zur Kennzeichnung der inneren Diode D
i
(cid:120) der Serienwiderstand R als Summe der p- und n- Bahnwiderstände
S
(cid:120) die bei Sperrpolung bestimmende Sperrschichtkapazität C
j
(cid:120) die bei Durchlasspolung vorherrschend wirksame Diffusionskapazität C
d

Die Spannung U liegt über der Sperrschicht, während U die angelegte Durchlassspannung ist.
F

ANODE (+)
IF RS
UF
Cj Cd Di U
(-)
KATHODE
Bild 1.1 pn-Übergang und dynamisches Großsignal-Dioden-Modell
Es gelten die Zusammenhänge nach [1] bis [3]:

Durchlassstrom
(cid:3270)
(cid:1835)(cid:3007) (cid:3406) (cid:1835)(cid:3020) (cid:942)(cid:1857)(cid:3263)(cid:942)(cid:3270)(cid:3269)(cid:3)(cid:3)(cid:482)(cid:3)(cid:3)(cid:1847) (cid:3404) (cid:1847)(cid:3007) (cid:3398)(cid:1835)(cid:3007) (cid:942)(cid:1844)(cid:3020)(cid:3) (1.1)(cid:3)
Sperrstrom
(cid:3014)
(cid:1835) (cid:3406) (cid:1835) (cid:3397)(cid:1835) (cid:942)(cid:3436)(cid:883)(cid:3397)(cid:3022)(cid:3267)(cid:3440) (cid:482)(cid:3)(cid:3)(cid:1847) (cid:3404) (cid:3398)(cid:1847)(cid:3) (1.2)(cid:3)
(cid:3019) (cid:3020) (cid:3020)(cid:3019) (cid:3019)
(cid:3023)(cid:3259)
P. Baumann, Parameterextraktion bei Halbleiterbauelementen, DOI 10.1007/978-3-8348-2495-0_1,
© Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden 2012
2 1 Halbleiterdioden
Durchbruchstrom
(cid:3270)(cid:3267)(cid:3127)(cid:3251)(cid:3271) (cid:3038)(cid:942)(cid:3021)
(cid:1835)(cid:3003)(cid:3019) (cid:3404) (cid:1835)(cid:3003)(cid:3023) (cid:942)(cid:1857)(cid:3263)(cid:3251)(cid:3271)(cid:942)(cid:3270)(cid:3269)(cid:482)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:3)(cid:1847)(cid:3021) (cid:3404) (cid:3) (1.3)(cid:3)
(cid:3032)
Diffusionskapazität
(cid:1829) (cid:3404) (cid:3021)(cid:3269)(cid:942)(cid:3010)(cid:3255)(cid:3) (1.4)(cid:3)
(cid:3031)
(cid:3015)(cid:942)(cid:3022)(cid:3269)
(cid:22)(cid:146)(cid:135)(cid:148)(cid:148)(cid:149)(cid:133)(cid:138)(cid:139)(cid:133)(cid:138)(cid:150)(cid:141)(cid:131)(cid:146)(cid:131)(cid:156)(cid:139)(cid:150)(cid:161)(cid:150)(cid:3)(cid:132)(cid:135)(cid:139)(cid:3)(cid:24)(cid:3)(cid:3409)(cid:3)(cid:9)(cid:942)(cid:25)(cid:3)
(cid:6) (cid:13)
(cid:3)(cid:1829) (cid:3404) (cid:3004)(cid:3259)(cid:3264) (cid:3) (1.5)(cid:3)
(cid:3037) (cid:3262)
(cid:3436)(cid:2869)(cid:2878)(cid:3)(cid:3270)(cid:3267)(cid:3440)
(cid:3271)(cid:3259)
(cid:22)(cid:146)(cid:135)(cid:148)(cid:148)(cid:149)(cid:133)(cid:138)(cid:139)(cid:133)(cid:138)(cid:150)(cid:141)(cid:131)(cid:146)(cid:131)(cid:156)(cid:139)(cid:150)(cid:161)(cid:150)(cid:3)(cid:132)(cid:135)(cid:139)(cid:3)(cid:24)(cid:3)(cid:3408)(cid:3)(cid:9)(cid:942)(cid:25)
(cid:133) (cid:13)(cid:3)
(cid:1829) (cid:3404) (cid:1829) (cid:942)(cid:4666)(cid:883)(cid:3398)(cid:1832) (cid:4667)(cid:2879)(cid:4666)(cid:2869)(cid:2878)(cid:3014)(cid:4667) (cid:942)(cid:3428)(cid:883)(cid:3398)(cid:1832) (cid:942)(cid:4666)(cid:883)(cid:3397)(cid:1839)(cid:4667)(cid:3397)(cid:1839)(cid:942) (cid:3022)(cid:3432)(cid:3) (1.6)(cid:3)
(cid:3037) (cid:3011)(cid:3016) (cid:3004) (cid:3004)
(cid:3023)(cid:3259)
Sperrerholungszeit
(cid:1872) (cid:3404) (cid:1846) (cid:942)(cid:1864)(cid:1866)(cid:4672)(cid:883)(cid:3397)(cid:3010)(cid:3255)(cid:4673)(cid:3) (1.7)(cid:3)
(cid:3045)(cid:3045) (cid:3021)
(cid:3010)(cid:3267)
Eine Aufstellung der verwendeten SPICE-Modellparameter für die Schaltdiode 1N 4148, für
die Kapazitätsdiode MV 2201 sowie für die Z-Diode 1N 750 zeigt die Tabelle 1.1.
Tabelle 1.1 SPICE-Modellparameter einer Schalt- und einer Kapazitätsdiode nach [1]
SPICE- SPICE-Modellparameter 1N4 148 MV 2201 1N 750
Symbol
IS/A Sättigungsstrom 2.682n 1.365p 0.8805f
N Emissionskoeffizient 1.836 1 1
RS/(cid:159) Serienwiderstand 0.5664 1 0.25
IKF/A Knickflussstrom 44.17m 0 0

ISR/A Rekombinations- 1.565n 16.02p 1859n
Sättigungsstrom
BV/V Durchbruchspannung 100 25 4.7
IBV/A Strom bei BV 100u 10u 20.245m
TT/s Transitzeit 11.54n - -
CJ0/F Sperrschichtkapazität bei U = 0 4p 14.93p -
VJ/V Diffusionsspannung 0.5 V 0.75 -
M Exponent zu I und C 0.3333 0.4261 -
R j
1.2 Statische Modellparameter der Schaltdiode 1N 4148 3
Die Schreibweise und die verwendeten Maßstabsfaktoren entsprechen den Festlegungen von
SPICE.
Der Modellparameter N = 10 (1 ... 50) gehört zur Durchbruchspannung BV. Der Faktor F =
BV C
0,5 ist einzuführen, um die bei U = V auftretende Polstelle in Gleichung (1.5) zu vermeiden.
J
Mit U wird die Sperrspannung bezeichnet, die Größe V entspricht der Diffusionsspannung U
R J D
und U ist die Temperaturspannung mit der Boltzmann-Konstante k = 1,38 · 10–23 Ws/K und
T
der Elementarladung e = 1,6 · 10–19 As. Die Sperrerholungszeit t ist mit der Transitzeit T
rr T
verknüpft.
1.2 Statische Modellparameter der Schaltdiode 1N 4148
1.2.1 Simulation der Durchlasskennlinie
Die Durchlasskennlinie I = f(U ) wird von den Modellparametern I , N, R und I bestimmt.
F F S S KF
Diese Kennlinie wird nachfolgend mit der auf der linken Seite des Bildes 1.2 angeordneten
Schaltung analysiert.
Analyse: DC Sweep, Voltage Source, Name: UF, Start Value: 0, End Value: 1.1, Increment:
1m. Die Kennlinie erscheint über Trace, Add Trace: I(D1), Axis Settings, Y-Axis, User de-
fined: 1pA, Log.

UF
D1 IF D2
0Vdc D1N4148 300mAdc D1N4148
0 0 0 0

Bild 1.2 Schaltungen zur Simulation der Durchlasskennlinie der Schaltdiode
AUSWERTUNG
(cid:120) Das Simulationsergebnis nach Bild 1.3 erfüllt im Bereich U = 0,4 V bis 0,6 V die
F
Gleichung (1.1). Die Extrapolation der in diesem Abschnitt gegebenen Geraden lgI =
F
f(U ) auf U = 0 liefert den Wert des Sättigungsstromes I = 2.68 nA. Die Neigung
F F S
der Geraden wird durch den Emissionskoeffizienten N bestimmt, wobei N die Werte
zwischen 1 und 2 annimmt.
(cid:120) Für U > 0,6 V tritt zunehmend eine Abweichung vom exponentiellen Kennlinienver-
F
lauf ein. Diese Abweichung kommt dadurch zustande, dass sich Einflüsse des Serien-
widerstandes R (Spannungsabfälle an den Bahnwiderständen) mit denen des Knick-
S
stromes I (Hochstrominjektion) überlagern. Ein getrennter Nachweis von R und I
KF S KF
erfordert spezielle Rechenprogramme mit einer Kennlinienanpassung durch Iterati-
onsverfahren [3]. Diese Aufgabe wird vom Programm MODEL EDITOR erfüllt.