Parameterextraktion bei

Halbleiterbauelementen

Peter Baumann

Simulation mit PSPICE

2. Auflage

Parameterextraktion bei

Halbleiterbauelementen

PeterBaumann

Parameterextraktion bei

Halbleiterbauelementen

Simulation mit PSPICE

2., erweiterte Auage

PeterBaumann

Hochschule Bremen

Bremen, Deutschland

ISBN 978-3-658-26573-1 ISBN 978-3-658-26574-8 (eBook)

https://doi.org/10.1007/978-3-658-26574-8

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Vorwort

Das weltweit verbreitete Programm OrCAD-PSPICE zur Simulation elektrischer Schal-

tungen 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 eingegebenen Daten der statischen und dynamischen SPICE-Modellparameter ver-

schiedener Dioden, Transistoren, Operationsverstärker und Optokoppler aus der Bauele-

mente-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 Rückge-

winnung der zuvor eingegebenen Modellparameter dar. Die Parameterermittlung ist

demzufolge überprüfbar. Damit werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Modellpara-

meter vergleichbarer Bauelemente über eigene Messungen oder aus Datenblattangaben

gewonnen werden können.

Bei den aktiven Bauelementen kommt dabei den Auswerteverfahren mit der maximalen

stabilen Leistungsverstärkung eine besondere Bedeutung zu. Aus der Frequenzabhängig-

keit 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 Para-

meterextraktion von Dioden-Parametern werden darüber hinaus auch zur Ermittlung eini-

ger Modellparameter von Bipolar- und Feldeffekttransistoren genutzt. Das betrifft bei-

spielsweise die Extraktion des Sättigungsstromes, des Emissionskoefzienten und des

Knickstromes aus der Durchlasskennlinie bei U

= 0 des Bipolartransistors sowie der

Modellparameter zu den Kapazitäten von bipolaren und unipolaren Transistoren.

Für ausgewählte Operationsverstärker werden aus den Makromodellen des Herstellers

Gleichstrom- und Kleinsignal-HF-Modelle unter Einbezug spannungsgesteuerter Span-

nungsquellen abgeleitet. Bei diesen Modellen lassen sich die Betriebsspannungen inner-

halb 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 Spannungs-

quelle nachgebildet wird.

Herrn Dipl.-Ing. Johannes Aertz von der Hochschule Bremen danke ich für die Unter-

stützung bei der Umsetzung des Manuskripts. Ferner danke ich Herrn Cheektor, Dipl.-

Ing. Reinhard Dapper vom Springer Vieweg Verlag für seine Unterstützung und Frau An-

gela Fromm von der Firma Fromm MediaDesign für die umfangreichen Arbeiten zur

Überprüfung und Anpassung der Daten an die Verlagsstandards für wissenschaftliche Pu-

blikationen.

Bremen, Deutschland PeterBaumann

, im Juli 2012

Vorwort

VII

Vorwort zur 2. Auage

Die Schaltungssimulation benötigt elektronische Bauelemente mit leistungsfähigen Mo-

dellen. Ausgehend von der Parameterextraktion für Halbleiterbauelemente aus der DEMO-

Version von OrCAD-PSPICE werden in einem neuen Kapitel dieses Buches auch Senso-

ren in die Schaltungssimulation einbezogen. Dabei werden beispielsweise die Werte eines

elektrischen Widerstandes oder einer Kapazität durch Gleichungen mit Aussagen zu nicht

elektrischen Größen ersetzt. Diese, in geschweifte Klammern gesetzte Gleichungen, wer-

den dem betreffenden Bauelement aufgeprägt. Damit lassen sich Sensorfunktionen zu

Temperatur, Feuchte, Licht, Druck oder Schall in der Schaltung simulieren. Vorgestellt

werden ferner piezoelektrische Schallwandler mit zwei Elektroden für eine externe An-

steuerung und solche mit drei Elektroden für eine Selbstansteuerung. Diese Wandler ge-

ben als Summer ein akustisches Signal ab.

Herrn Dipl.-Ing. Johannes Aertz danke ich herzlich für die inhaltliche und formale

Strukturierung des Manuskripts. Mein besonderer Dank gilt ferner Herrn Cheektor,

Dipl.-Ing Reinhard Dapper sowie Frau Andrea Broßler vom Verlag Springer für ihre För-

derung und Unterstützung.

Bremen, Deutschland PeterBaumann

, im Februar 2019

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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3.1 Simulationsschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4.4 Grasches Ermittlungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.4.5 Simulation der Kapazitätskennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.5 Modellparameter der Z-Diode 1N 750 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.5.1 Z-Kennlinie und differenzieller Z-Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.5.2 Extraktion von BV und I

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 Bipolartransistoren ................................................ 15

2.1 Großsignalmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2 Extraktion statischer Modellparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.1 Kennlinien bei U

= 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2.2 Parameterextraktion von N

, I

, N

und I

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.2.3 Abschätzung von B

und I

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2.4 Ermittlung der EARLY-Spannung V

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.2.5 Ermittlung des Kollektorbahnwiderstandes R

. . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.3 Extraktion dynamischer Modellparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3.1 Kapazitätsparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3.2 Kleinsignalmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3.3 Maximale stabile Leistungsverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3.4 Extraktion von C

, R

und T

über die Leistungsverstärkungen . . . 33

2.3.5 Modellparameter zur Transitfrequenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3 Sperrschicht-Feldeffekttransistoren .................................. 43

3.1 Großsignalmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.2 Extraktion von Modellparametern aus Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.2.1 Ermittlung von Schwellspannung und Transkonduktanz . . . . . . . . . 45

3.2.2 Ermittlung der Bahnwiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.3 Kleinsignalmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.4 Maximale stabile Leistungsverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.4.1 Berechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.4.2 Simulationsschaltungen zur Leistungsverstärkung . . . . . . . . . . . . . . 50

3.4.3 Extraktion von Modellparametern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.5 Ermittlung des Funkelrauschkoefzienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

4 MOS-Feldeffekttransistoren ........................................ 61

4.1 Großsignalmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.2 Extraktion von Modellparametern aus Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3 Kleinsignalmodelle von MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.4 Maximale stabile Leistungsverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.4.1 Berechnung für U

= 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.4.2 Simulationsschaltungen zur Leistungsverstärkung . . . . . . . . . . . . . . 70

4.4.3 Extraktion von Modellparametern über v

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5 Leistungs-MOS-Feldeffekttransistor ................................. 79

5.1 Modellparameter des Leistungs-MOSFET IRF 150 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

5.2 Extraktion der Modellparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

5.2.1 Statische Modellparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

5.2.2 Vierpol-Kapazitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.2.3 Maximale stabile Leistungsverstärkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

6 Operationsverstärker .............................................. 91

6.1 Aufbau und Hauptkenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.2 Gleichstrom-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6.2.1 Analysen zu den Makromodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6.2.2 Erzeugung der linearen Gleichstrom-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

6.3 Kleinsignal-HF-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

6.3.1 Frequenzanalysen am Makromodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

6.3.2 Erzeugung der HF-Modelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

Inhaltsverzeichnis

7 Optokoppler ..................................................... 111

7.1 Prinzipschaltung und elektrische Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

7.2 Parameterextraktion zur LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

7.2.1 Extraktion von Parametern aus Strom-Spannungs-Kennlinien . . . . . 112

7.2.2 Extraktion von Parametern aus der Kapaziätskennlinie . . . . . . . . . . 115

7.2.3 Extraktion der Transitzeit aus der Sperrerholungszeit . . . . . . . . . . . 115

7.3 Parameterextraktion zum Fototransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

7.3.1 Extraktion von Parametern aus Strom- Spannungs-Kennlinien. . . . . 117

7.3.2 Extraktion der Early-Spannung aus dem Ausgangskennlinienfeld . . . 120

7.3.3 Extraktion von Parametern aus Kennlinien für den Inversbetrieb . . . 122

7.3.4 Extraktion von Modellparameter aus den Kapazitätskennlinien . . . . 124

7.3.5 Extraktion von Modellparametern aus der Leistungsverstärkung v

. . . 125

7.3.6 Auswertung der Transitzeiten über die Transitfrequenz . . . . . . . . . . 127

7.4 Parameterextraktion zum Optokoppler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

7.4.1 Analyse des Stromübertragungsfaktors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

7.4.2 Gleichstrom-Modell des Optokopplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

7.4.3 Statische Kennlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

7.4.4 NF-Signal-Übertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

7.4.5 Frequenzabhängigkeit des Stromübertragungsfaktors . . . . . . . . . . . 139

7.4.6 Temperaturabhängigkeit des Optokopplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

8 Sensoren ........................................................ 145

8.1 Temperatursensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

8.1.1 NTC-Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

8.1.2 PTC-Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

8.2 Feuchtesensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

8.2.1 Elektrolytische Feuchtesensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

8.2.2 Kapazitive Feuchtesensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

8.3 Optische Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

8.3.1 Fotowiderstände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

8.3.2 RGB-Farbsensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

8.4 Folien-Kraftsensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

8.4.1 Aufbau und Messschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

8.4.2 Widerstandskennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

8.5 Piezoelektrische Summer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

8.5.1 Summer für externe Ansteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

8.5.2 Summer mit Selbstansteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

8.6 Ultraschallwandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

8.6.1 Kenndaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

8.6.2 Ultraschall-Sender und – Empfänger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

Stichwortverzeichnis ............................................. 185

Inhaltsverzeichnis