Stałoprądowy model Shichman’a-Hodges’a tranzystora MOS w programie SPICE cd.

3. OCENA DOKŁADNOŚCI MODELU S-H

W celu oceny dokładności rozpatrywanego modelu [1-3, 7, 8] porównano charakterystyki obliczone przy pomocy modelu S-H z katalogowymi oraz zmierzonymi charakterystykami rzeczywistego tranzystora MOS. Do badań wybrano tranzystor IRF 840 firmy International Rectifier [9].

Wartości wybranych parametrów statycznych modelu tranzystora MOS na poziomie LEVEL=1 przyjęto jak w makromodelu firmowym [9] tranzystora IRF840, którego głównym elementem jest tranzystor na poziomie LEVEL=1, następująco: długość kanału l=10-4m, szerokość kanału w=10-4m, napięcie progowe VTO=3,8925V, współczynnik modulacji długości kanału LAMBDA=0,00279V-1, parametr transkon-duktancji KP=6,49028A/V^2, rezystancja bocznikująca kanał RDS=2M OM, szeregowe rezystancje obszarów źródła, bramki, drenu, podłoża odpowiednio RS=0,0178672 OM, RG=3,45326OM, RD=0,810848OM, RB=0. Natomiast wartość prądu nasycenia dla złączy izolujących IS=6,5104nA przyjęto jak dla diody podłożowej, włączonej między źródłem a drenem tranzystora w makromodelu firmowym. Do obliczeń tranzystora MOS mocy w modelu S-H podłoże zwarto ze źródłem. Reprezentację obwodową modelu S-H tranzystora MOS mocy pokazano na rys. 2.

Na rys. 3 porównano wyniki pomiarów (dane katalogowe) [9] z wynikami obliczeń charakterystyk wyjściowych w temperaturze otoczenia 25 st. C, natomiast na rys. 4 w temperaturze otoczenia 150 st. C. Linią ciągłą zaznaczono wyniki obliczeń uzyskanych w obwodzie z rys. 2, natomiast w postaci punktów połączonych linią przerywaną zaznaczono przebieg charakterystyk katalogowych.

Z wykresów przedstawionych na rys. 3 i 4 widać, że model S–H charakteryzujący się nieskomplikowaną budową, stosunkowo dobrze modeluje charakterystyki wyjściowe w zakresie niskich temperatur otoczenia (rys. 3). Istotne różnice występują w zakresie wyższych temperatur, co pokazano na rys. 4.

Z kolei na rys. 5 porównano obliczone (linia ciągła) i katalogowe (punkty i linia przerywana) charakterystyki przejściowe. W postaci trójkątów zaznaczono charakterystykę przejściową w temperaturze otoczenia Ta=25 st.C, natomiast kwadratami zaznaczono przebieg w Ta=150 st. C.

Jak widać z rys. 5, również w tym przypadku uzyskano dobrą zgodność charakterystyk katalogowych i obliczonych tylko w niskiej temperaturze otoczenia oraz dla mniejszych wartości uGS. W zakresie wyższych temperatur otoczenia (Ta=150 st. C) występują dużo większe różnice w przebiegu charakterystyk obliczonych i zmierzonych.











W wyniku zwarcia podłoża ze źródłem napięcie podłoże-źródło Vbs=0. Wobec czego wzór (5) opisujący wartość napięcia progowego upraszcza się do postaci:


gdzie VTO jest parametrem modelu.

Zatem zgodnie z dokumentacją programu SPICE [8], a także z opisem zawartym np. w pracach [1-3, 7] i jak wynika ze wzoru (8) napięcie progowe nie zależy od temperatury. Okazuje się jednak, co zauważono i opisano w pracy [4], że obliczona przy pomocy modelu wbudowanego (LEVEL=1) wartość napięcia progowego maleje wraz ze wzrostem temperatury. Wpływ temperatury na wartość napięcia progowego pokazano na rys. 6

Jak widać, wraz ze wzrostem temperatury napięcie progowe określone dla i=const! maleje z szybkością około 1mV/K. Jak pokazano w pracy [4], temperaturową zależność napięcia progowego można opisać wzorem:


gdzie NA(T) jest liczbą atomów domieszki w jednostce objętości materiału podłoża, NSS – powierzchniową gęstością stanów, natomiast parametr TPG zależy od typu bramki tranzystora.

Na rys. 7 przedstawiono przebieg obliczonych charakterystyk wyjściowych tranzystora IRF840 przy uGS=0 w dwóch wybranych temperaturach otoczenia: 25 st. C oraz 125 st. C.

W postaci punktów naniesiono dane katalogowe tranzystora IRF840. Punkt A reprezentuje wartość prądu drenu IDSS=25µA przy uGS=0V, uDS=500V w temperaturze otoczenia 25 st. C, natomiast punkt B reprezentuje wartość prądu drenu IDSS=250nA przy uGS=0V, uDS=400V w temperaturze otoczenia 125 st. C. Na rys. 7 widać, że katalogowe wartości prądu drenu (punkty) znacznie różnią się od wartości obliczonych-odczytanych w odpowiednich punktach przebiegów prądu drenu w funkcji napięcia dren-źródło. Stała wartość nachylenia obliczonych



charakterystyk z rys. 7 świadczy o bardzo silnym wpływie rezystancji bocznikującej kanał (parametr modelu RDS=2M OM).

Zauważono nieprawidłowy dobór parametru IS w makromodelu firmowym tranzystora IRF840, tzn. wartość tego parametru jest zbyt duża. Katalogowa wartość prądu drenu przy uDS=400V w temperaturze otoczenia 125 st. C wynosi ID=250nA, natomiast wartość obliczona jest około 5 razy większa.

Jak wynika ze wzoru (6) rozważany model uwzględnia tylko prąd nasycenia diody podłożowej włączonej między podłoże a dren, natomiast nie uwzględnia składnika prądu generacyjnego tej diody. Z danych katalogowych [9] odczytano wartość napięcia przebicia U(BR)DSS = 500V. Natomiast z charakterystyk wyjściowych obliczonych dla dużych wartości napięcia dren-źródło, pokazanych na rys. 7 wynika, że model S-H zjawiska przebicia nie uwzględnia.