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Modelli dei dispositivi a semiconduttore in SPICE

Giuseppe Massobrio

Modelli dei dispositivi a semiconduttore in SPICE

Edizione a stampa

54,50

Pagine: 320

ISBN: 9788820444006

Edizione: 1a edizione 1986

Codice editore: 740.7

Disponibilità: Esaurito

I programmi CAD di analisi circuitale, primo fra tutti SPICE, sono entrati in un avanzato stadio di maturità; in altri termini, essi sono ormai utilizzati normalmente nei laboratori di sviluppo industriali e di ricerca, in quanto programmi come SPICE sono oggi affidabili e forniscono risposte adeguate ai dati inseriti. Fra tali dati, i più importanti sono senz'altro quelli relativi al modello del transistore.

Nel caso di SPICE il modello del transistore è in generale assai complesso, sia per il transistore MOS, sia per il transistore bipolare (BJT) e richiede, per essere utilizzato nel modo più appropriato, una certa conoscenza fisica sul funzionamento del transistore; conoscenza che tipicamente l'utilizzatore medio dì SPICE, progettista circuitale o più spesso progettista di sistemi integrati, non possiede. Inoltre, in generale, la documentazione relativa al programma di simulazione circuitale non è sempre completa e approfondita.

II libro tratta principio fisico, modello e sua implementazione in SPICE dei dispositivo a semiconduttore simulabili con SPICE, e cioè il diodo (sia pn, sia Schottky), il transistore bipolare a giunzione (BJT, sia normale, sia di potenza), il transistore a giunzione ad effetto di campo (JFET), il condensatore MOS, il transistore MOS. Ad ogni dispositivo è dedicato un capitolo, mentre il primo capitolo del libro è dedicato alla trattazione degli elementi di fisica dei semiconduttori utilizzati nei capitoli successivi. La trattazione viene svolta senza far riferimento al concetto di banda di energia, concetto spesso ostico a chi si avvicina alla fisica dei semiconduttori. Viene invece utilizzato il concetto dì potenziale di contatto.

Inoltre, nei paragrafi dedicati all'implementazione dei modelli in SPICE vengono trattate tutte le possibili applicazioni del modello, quali il fattore AREA, la dipendenza dei parametri del modello dalla temperatura, il modello del rumore, il modello della distorsione, anche in relazione all'analisi di Fourier che SPICE può seguire. La descrizione dei modelli è completa e approfondita, quale non è reperibile in nessun altro testo attualmente in commercio; ciò nonostante essa risulta anche sufficientemente semplice per chi si voglia limitare inizialmente ad uno studio "del prim'ordine" con SPICE.

Nota biografica
Prefazione
Introduzione
1. Elementi di fisica dei semiconduttori
1.1. Concentrazioni dei portatori in equilibrio
a) Semiconduttore intrinseco
b) Semiconduttore estrinseco di tipo n
c) Semiconduttore estrinseco di tipo p
1.2. Concentrazioni dei portatori fuori equilibrio
a) Concetto di livello di iniezione
b) Ritorno all'equilibrio
1.3. Deriva, diffusione, equazioni continuità e della carica spaziale
a) Corrente di deriva
b) Corrente di diffusione
c) Equazioni di continuità e della carica spaziale
Bibliografia
2. Diodo
2.1. Concetto di potenziale di contatto
2.2. Giunzione pn in equilibrio
2.2.1. Potenziale di giunzione
2.2.2. Regione di carica spaziale o di svuotamento
2.3. Giunzione pn fuori equilibrio
2.3.1. Polarizzazione della giunzione pn
a) Polarizzazione diretta
b) Polarizzazione inversa
2.3.2. Condizioni al contorno per i portatori minoritari
2.4. Modello statico
2.4.1. Diodo a base lunga
2.4.2. Diodo a base corta
2.4.3. Limitazioni del modello statico ideale
a) Generazione-ricombinazione nella regione di carica spaziale
h) Condizioni di alti livelli di iniezione
e) Caduta di tensione nelle regioni quasi neutre
d) Rottura della giunzione
2.4.4. Modello analitico
2.4.5. Modello in SPICE
2.5. Modello ai grandi segnali
2.5.1. Modello analitico
a) Carica immagazzinata nelle regioni quasi neutre
b) Carica immagazzinata nella regione di carica spaziale
2.5.2. Modello in SPICE
2.6. Modello ai piccoli segnali
2.6.1. Modello analitico
2.6.2. Modello in SPICE
2.7. Diodo Schottky
2.8. Dipendenza della caratteristica statica dalla temperatura
2.9. Dipendenza dei parametri dei modelli dalla temperatura in SPICE
2.10. Fattore di AREA in SPICE
2.11. Modello del rumore
2.11.1. Densità spettrale di rumore
2.11.2. Sorgenti di rumore
a) Rumore shot
b) Rumore termico
e) Rumore flicker
d) Rumore burst
2.11.3. Modello analitico
2.11.4. Modello in SPICE
2.12. Modello della distorsione
2.12.1. Concetti fondamentali
2.12.2. Modello in SPICE
2.13. Esempio di analisi circuitale mediante SPICE
2.13.1. Calcolo dei parametri per la scheda MODEL
2.13.2. Simulazione con SPICE
Bibliografia
Parametri dei modelli per la scheda. MODEL
3. Transistore bipolare a giunzione (BJT)
3.1. Regioni di funzionamento
3.2. Modello statico di Ebers-Moll
3.2.1. Modello analitico
a) Configurazione ad iniezione
b) Configurazione a trasporto
3.2.2. Limitazioni del modello statico ideale
a) Effetto delle resistenze
b) Modulazione della larghezza di base, effetto Early
3.2.3. Modello in SPICE
3.3. Modello ai grandi segnali di Ebers-Moll
3.3.1. Modello analitico
a) Carica immagazzinata nelle regioni quasi neutre: capacità di diffusione
b) Carica immagazzinata nelle regioni di carica
spaziale: capacità di giunzione
c) Capacità di substrato
3.3.2. Modello in SPICE
3.4. Modello ai piccoli segnali di Ebers-Moll
3.4.1. Modello analitico
3.4.2. Modello in SPICE
3.5. Modello statico di Gummei-Poon
3.5.1. Variazioni di ß, con la corrente di collettore
a) Regione 2 medie correnti
b) Regione i basse correnti
c) Regione 3 alte correnti
3.5.2. Determinazione di Is
3.5.3. Concetto della carica QB
3.5.4. Definizione della carica qb
3.5.5. Resistenza distribuita di base
3.5.6. Modello analitico
3.5.7. Modello in SPICE
3.6.Modello ai grandi segnali di Gummel-Poon
3.6.1. Modello analitico
a) Capacità distribuita base-collettore
b) Modulazione del tempo di transito
3.6.2. Modello in SPICE
3.7. Modello ai piccoli segnali di Gummel-Poon
3.7.1. Modello analitico
3.7.2. Modello in SPICE
3.8. Dipendenza dei parametri dei modelli dalla temperatura in SPICE
3.9. Fattore di AREA in SPICE
3.10. Transistore bipolare di potenza
3.10.1. Regioni di funzionamento
3.10.2. Modello analitico
3.10.3. Modello in SPICE
a) Analisi dinamica
b) Analisi statica
3.11. Modello del rumore
3.11.1. Modello analitico
3.11.2. Modello in SPICE
3.12. Modello della distorsione
3.13. Esempio di analisi circuitale mediante SPICE
Bibliografia
Parametri dei modelli per la scheda. MODEL
4. Transistore a giunzione ad effetto di campo (JFET)
4.1. Modello statico
4.1.1. Modello analitico
4.1.2. Limitazioni del modello statico ideale
a) Conduttanza di canale
b) Effetto delle resistenze
c) Rottura delle giunzioni
4.1.3. Modello in SPICE
4.2. Modello ai grandi segnali
4.2.1. Modello analitico
4.2.2. Modello in SPICE
4.3. Modello ai piccoli segnali
4.3.1. Modello analitico
4.3.2. Modello in SPICE
4.4. Dipendenza dei parametri dei modelli dalla temperatura in SPICE
4.5. Fattore di AREA in SPICE
4.6. Modello del rumore
4.6.1. Modello analitico
4.6.2. Modello in SPICE
4.7. Esempio di analisi circuitale mediante SPICE
Bibliografia
Parametri dei modelli per la scheda. MODEL
5. Condensatore MOS
5.1. Tensione di banda piatta
5.1.1. Effetti dovuti ai potenziali di contatto
5.1.2. Effetti dovuti alle cariche fisse
5.2. Tensioni gate-substrato
5.3. Tensione di soglia
5.4. Caratteristica capacità-tensione
5.4.1. Condizioni di alta frequenza
5.4.2. Condizioni di bassa frequenza
5.4.3. Forte svuotamento
5.4.4. Relazioni matematiche
Bibliografia
6. Transistore ad effetto di campo superficiale (MOST)
6.1. Modello statico a LIVELLO 1
6.1.1. Modello analitico
6.1.2. Modello in SPICE
6.2. Modello statico a LIVELLO 2
6.2.1. Mobilità superficiale
6.2.2. Effetto del canale corto sulla tensione di soglia
6.2.3. Effetto della lunghezza di canale sulla regione di saturazione
a) Saturazione dovuta al pinch-off
b) Saturazione dovuta alla velocità limitata dalla diffusione
6.2.4. Effetto del canale stretto sulla tensione di soglia
6.2.5. Conduzione sotto soglia
6.3. Modello ai grandi segnali a LIVELLO I e a LIVELLO 2
6.3.1. Capacità di gate
6.3.2. Capacità di giunzione
6.4. Modello statico a LIVELLO 3
6.4.1. Mobilità superficiale
6.4.2. Effetto della lunghezza del canale sulla mobilità
6.4.3. Effetto del canale corto sulla tensione di soglia
6.4.4. Effetto del canale stretto sulla tensione di soglia
6.4.5. Effetto della tensione di drain sulla tensione di soglia
6.4.6. Effetto della lunghezza del canale sulla regione di saturazione
a) Saturazione dovuta al pinch-off
b) Saturazione dovuta alla velocità limitata dalla diffusione
6.4.7. Conduzione sotto soglia
6.5. Modello ai grandi segnali a LIVELLO 3
6.6. Modello ai piccoli segnali a LIVELLO 1, LIVELLO 2, LIVELLO 3
6.7. Dipendenza dei parametri dei modelli dalla temperatura in SPICE
6.8. Modello del rumore
6.9. Esempio di analisi circuitale mediante SPICE
Bibliografia
Parametri dei modelli per la scheda. MODEL
Appendice A. Identificazione dei parametri dei modelli in SPICE
A.1. Identificazione dei dispositivo a semiconduttore in SPICE
a) DIODO
b) BJT
c) JFET
d) MOST
A.2. Identificazione dei parametri dei modelli in SPICE
a) DIODO
b) BJT
c) JFET
d) MOST
Bibliografia
Appendice B. Convergenza in SPICE
B.1. Convergenza in SPICE
B.2. Problemi di convergenza
a) Analisi dc
b) Analisi in transitorio
Bibliografia
Indice analitico


Collana: Ingegneria elettrica

Livello: Textbook, strumenti didattici