デバイスモデリングとは

序論
SPICE シミュレーションとは？

回路解析シミュレーションのデファクトスタンダードに SPICE と呼ばれている
ものがあります。この SPICE はアメリカのカリフォルニア大学バークレイ校
U.C.Berkeley) で開発されました。

mulation Program with Integrated Circuit Emphasis の頭文字です。

この名称の通り、集積回路をトランジスタ・レベルでシミュレーションする為の
ソフトウェアですが、個別半導体回路、受動部品、フィルタ、伝送線路、バッテリ
などもシミュレーションする事が出来ます。基本的なシミュレーションは、
C 解析、 AC 解析、過渡解析 ( トランジェント解析 ) 等があります。

回路データをネット・リストと呼ぶテキストファイル形式でシミュレータに入力
致します。また、 SPICE で正確にシミュレーションする為には、
正確なデバイスモデル (=SPICE モデル ) を必要とします。

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序論
デバイスモデルとは何か ?
デバイスモデル (=SPICE モデル ) とは、電子部品 ( 半導体部品、受動部品等 )
の電気的振る舞いをコンピュータ上に表現するものです。このデバイスモデル
は SPICE 記述となっています。デバイスモデルを製作するプロセス及び行為
をデバイスモデリングと呼んでおります。

回路解析シミュレーションの解析精度はデバイスモデル (SPICE モデル ) の
解析精度に依存致します。


序論
デバイスモデル・パラメータとは何か ?
デバイスモデルは、パラメータで表現致します。基本素子 ( ダイオード、トランジスタ、 MOSFET 等 ) の
パラメータであったり、ビヘイビア記述で表現したりします。ビヘイビア記述とは表や関数等で振る舞い
を表現致します。

デバイスモデリン
グ

RS
IS
N

.MODEL D1F60A D
.MODEL D1F60A D
+ IS=595.00E-12
+ IS=595.00E-12
+ N=1.6000
+ N=1.6000
+ RS=18.700E-3
+ RS=18.700E-3
+ IKF=1.1600
+ IKF=1.1600
+ CJO=51.100E-12
+ CJO=51.100E-12
+ M=.3231
+ M=.3231
+ VJ=.525
+ VJ=.525
+ BV=600
+ BV=600
+ IBV=10.000E-6
+ IBV=10.000E-6
+ TT=7.1E-6
+ TT=7.1E-6
SPICE MODEL


1. PSpice シミュレーションに必要不可欠な要素技術について

1.1 デバイスモデリング技術について
1.2 デバイスモデリングの種類について
1.3 シミュレーション技術について


.1 デバイスモデリング技術について
【デバイスモデリングのプロセス】
デバイスモデリング
測定データ⇒デバイスモデル
半導体

特性の把握

数学 ( 微分・積
分)
半導体物性
測定技術
等価回路開発
電子部品動作
・半導体
・一般電子部品
電子回路技術
データ解析技術
コンピュータ技
術
計測器制御技術

測定方法確立

抽出方法確立

測定技術

術

受動部品

電子部品測定

.SUBCKT U4SBA60 1 2 3 4
.SUBCKT U4SBA60 1 2 3 4
D1
2
1 U4SBA60A
D1
U4SBA60A
D2 2 3 1 2 U4SBA60A
D2
U4SBA60A
D3 3 3 2 4 U4SBA60A
D3
3 4 4 1 U4SBA60A
U4SBA60A
D4
D4
4
1 U4SBA60A
.MODEL U4SBA60A D
.MODEL U4SBA60A D
+ IS=939.00E-12
+ + N=1.6000
IS=939.00E-12
+ + RS=11.900E-3
N=1.6000
+ + IKF=1.7400
RS=11.900E-3
+ + CJO=79.200E-12
IKF=1.7400
+ + M=.3231
CJO=79.200E-12
+ + VJ=.525
M=.3231
+ + BV=600
VJ=.525
+ + IBV=10.000E-6
BV=600
+ + TT=9.2E-6
IBV=10.000E-6
+ .ENDS
TT=9.2E-6
.ENDS

SPICE MODEL
評価

デバイスモデリング開発のプロセス
モデリング理
論
分)
半導体物性
電子部品動作

等価回路開発
等価回路開発
電子回路技術


デバイス
モデリング
確立

モデリング理
論
分)
半導体物性
電子部品動作

等価回路開発
等価回路開発
電子回路技術

測定方法確立

抽出方法確立

測定技術

術

デバイス
モデリング
確立

ース・スタディ　【フォトカプラ場合】

1

4

3

2

① 入力側ダイオードの理論
② 出力側トランジスタの理論
③ 伝達特性の理論


モデリング理
論

等価回路開発

測定方法確立

抽出方法確立


V>0 の時


I = IS  e



qV
kT


− 1



k: ボルツマン定数 (1.38×10^-23)[J/K]
T: 絶対温度 [K]
IS: 飽和電流 [A]
q: 電子の電荷量 (1.6×10^-19)[C]
N: エミッション係数

モデリング理
論

等価回路開発

測定方法確立

抽出方法確立

0>V>-BV(BV: ブレークダウン電圧 ) の時

Vd<-BV の時

qV
I = IS •
NkT


I = − IS e


q ( − BV −V )
NkT

qBV 
−1 +

NkT 


モデリング理
論

等価回路開発

測定方法確立

抽出方法確立

Junction capacitance
Theory
SPICE
VJ

CJO

FC*VJ

Forward diode voltage

CJO
Cj =
1+ M
(1 − FC )

Reverse diode voltage

M • Vd 

1 − FC (1 + M ) + VJ 




モデリング理
論

等価回路開発

測定方法確立

抽出方法確立


Ir/If=1 の場合
TT=1.44*trr
trr: 逆回復時間 [sec]
ビー・テクノロジーの経験式

trj
TT =
0.693

モデリング理
論

等価回路開発

測定方法確立

抽出方法確立

trj と trb の関係図


モデリング理
論

等価回路開発

測定方法確立

抽出方法確立

Evers-Moll モデル
Gummel-Poon モデル
出力トランジスタで持たせたい機能

Transistor Saturation Characteristics
Switching Time Characteristics
フォトカプラのデバイスモデルを考えた場合、機能要件、回路に組み込んだ
場合での収束性も踏まえて、 Evers-Moll モデルを採用する。


モデリング理
論

等価回路開発

測定方法確立

抽出方法確立

Evers-Moll モデルについて
古いモデルであるが、簡易的なモデルであり、厳密さを要求しない場合には、
活用出来る。また、物理動作との関係性も良く、外部端子からの測定による
抽出がしやすい為、現在でも使われている事がある。しかし、寸法の微細化
により、改良型である Gummel-Poon モデルが主流になりつつある。
株式会社ビー・テクノロジーでは、フォトカプラの出力トランジスタに、
Evers-Moll モデルを採用している。
【 Evers-Moll モデルの弱点】
①2 次的効果が表現出来ない。
② 容量モデルが加味されていない。

モデリング理
論

等価回路開発

測定方法確立

抽出方法確立



IC = IS  e



qVbe
kT

IS 
e
IB =

BF 

−e

qVbe
kT

qVbc
kT

 IS 
−
e
 BR 



 IS 
e
− 1 +
 BR 




qVbc
kT

qVbc
kT


− 1




− 1



モデリング理
論

等価回路開発

測定方法確立

抽出方法確立


IC
BF =
IB

(Vbe>0,Vbc<0)

IE
BR =
IB

(Vbe<0,Vbc>0)


モデリング理
論

等価回路開発

測定方法確立

抽出方法確立

伝達特性をどのように等価回路で表現する事が最大のポイントである
CTR(Current Transfer Ratio)

Ic
CTR ( % ) = ×100
If
CTR を回路で表現しなければならない。
⇒SPICE 記述で表現する為


.2 デバイスモデリングの種類について

半導体部品

受動部品

DC モーター

バッテリー

DC モーター


現在提供しているデバイスモデル ( 半導体部品 )
一般ダイオード / スタンダードモデル
一般ダイオード / プロフェッショナルモデル
一般ダイオード / スペシャルモデル
PIN ダイオード
ショットキ・バリア・ダイオード
ショットキ・バリア・ダイオード / プロ
SiC ショットキ･バリア･ダイオード
ツェナ・ダイオード
ツェナ・ダイオード / プロ
可変容量ダイオード
SiC JFET
Junction FET
MOSFET/ スタンダードモデル
MOSFET/ プロフェッショナルモデル
パワー MOSFET/ スタンダードモデル
パワー MOSFET/ プロフェッショナルモデル
トランジスタ
パワー・トランジスタ
ダーリントン・トランジスタ
BRT/ 東芝セミコンダクター製品
デジタル･トランジスタ / ローム製品
IGBT/Pspice モデル
IGBT/MOSFET+BJT モデル
ボルテージ・リファレンス
ボルテージ・レギュレータ
シャント・レギュレータ

オペアンプ
CMOS オペアンプ
コンパレータ /JFET ﾃｸﾉﾛｼﾞｰ、 BJT ﾃｸﾉﾛｼﾞｰ
CMOS コンパレータ
PWM IC
アナログ IC
サイリスタ
サイダック / 新電元工業製品
パワーサーミスタ
フォトカプラ
フォト・ダイオード
フォト・ IC オプト・デバイス
レーザー・ダイオード
発光ダイオード
白色 LED ランプ
トスリンク（光送信モジュール）東芝ｾﾐｺﾝﾀﾞｸﾀ製品
トスリンク（光受信モジュール）東芝ｾﾐｺﾝﾀﾞｸﾀ製品
シリコン・サージ・クランパ / オリジン電気製品
サージ・アブソーバ / 松下電器産業製品
バリスタ
デジタル IC
PUT
Crystal Oscillator
TFD(Thin Film Diode)
a-Si TFT
Poly-Si TFT
2008 年 4 月 25 日現在
All Rights Reserved Copyright
有償評価版を準備しております。お問合わせ下さい。(C) Bee Technologies Inc.

53 種類


現在提供しているデバイスモデル ( 受動部品 )

ラミックコンデンサ
解コンデンサ
ィルムコンデンサ
ンダクタ
ンダクタ / 直流重畳特性モデル
抗器
ランス
ルストランス
モン・モード・チョーク・コイル / スタンダードモデル
モン・モード・チョーク・コイル / プロフェッショナルモデル
ョーク・コイル
ョーク・コイル / 直流重畳特性モデル
ア
晶発信機
ピーカー
ューズ
グルスイッチ

17 種類
2008 年 4 月 25 日現在



現在提供しているデバイスモデル (DC モーター )
DC モーター
ステッピングモーター

現在提供しているデバイスモデル ( ランプ )
白熱電球
ハロゲンランプ
CCFL(Cold cathode fluorescent lamps)

2008 年 4 月 25 日現在


現在提供しているデバイスモデル ( バッテリー )
リチウムイオン電池 ( 付加抵抗一定モデル )
リチウムイオン電池 ( 付加抵抗可変モデル )
リチウム電池 ( 付加抵抗一定モデル )
リチウム電池 ( 付加抵抗可変モデル )
ニッケルマンガン電池 ( 付加抵抗一定モデル )
ニッケルマンガン電池 ( 付加抵抗可変モデル )
ニッケル水素電池 ( 付加抵抗一定モデル )
ニッケル水素電池 ( 付加抵抗可変モデル )
アルカリ電池 ( 付加抵抗一定モデル )
アルカリ電池 ( 付加抵抗可変モデル )
オキシライド電池 ( 付加抵抗一定モデル )
オキシライド電池 ( 付加抵抗可変モデル )
マンガン電池 ( 付加抵抗一定モデル )
マンガン電池 ( 付加抵抗可変モデル )

14 種類
2005 年 5 月 26 日現在

デバイスモデルの種別について

く分類すると、 2 つに区分出来ます。

パラメータ・モデル
バイスモデル記述をパラメータのみで、表現します。単体のダイオード、
ットキ・バリア・ダイオード MOSFET 、トランジスタ、 Junction FET 、 a-Si TF
Si TFT などのデバイスがモデルパラメータで表現されています。

上記デバイスの場合でも、特定の電気的特性を持たせる為に、パラメータ・モデルをメインとして、周辺に、等価回路を組み込み、
ビアモデルとして、表現する場合もあります。

ビヘイビア・モデル = 等価回路モデル = マクロモデル
バイスの電気的表現を、ビヘイビア素子などを活用し、等価回路でデバイス
現しているモデルです。上記以外 ( 大部分 ) のデバイスモデルは、ビヘイビア・
ルで表現されています。



パラメータ・モデルの事例 ( 一般ダイオード )
*$
*Part number:SF20LC30
*Manufacturer:SHINDENGEN
*All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc.
.MODEL SF20LC30 D
+ IS=85.678E-6
+ N=3.1502
+ RS=6.8466E-3
+ IKF=1.0882
+ CJO=309.32E-12
+ M=.41724
+ VJ=.53477
+ ISR=0
+ BV=300
+ IBV=250.00E-9
+ TT=11.542E-9
*$


パラメータ・モデルの事例 ( 一般ダイオード )



ビヘイビア・モデルの事例
一般ダイオード : 逆回復特性 trj,trb を考慮したモデル )

逆回復特性を考慮したダイオード・モデルはどんなデバイスに有効か？
パワー・エレクトロニクス回路で採用されるダイオード
⇒ 特にスイッチング時間の影響度合いが強い用途
⇒ メインのデバイスに影響を与えるダイオード
IGBT の FWD
POWER MOSFET のボディ・ダイオード



*$
* PART NUMBER: 1SR139-400
* MANUFACTURER: ROHM
* VRM=400,Io=1.0A=IFSM=40A
* All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2004
.MODEL 1SR139-400 D
+ IS=11.797E-12
+ N=1.3533
+ RS=52.928E-3
+ IKF=.20632
+ ISR=0
+ CJO=22.539E-12
+ M=.36819
+ VJ=.46505
+ BV=400
+ IBV=10.000E-6
+ TT=7.6751E-6
.ENDS
*$

COMPONENTS:
DIODE/ GENERAL PURPOSE RECTIFIER
PART NUMBER: 1SR139-400
MANUFACTURER: ROHM

ビヘイビア・モデル = 等価回路モデル
*$
* PART NUMBER: 1SR139-400
* MANUFACTURER: ROHM
* VRM=400,Io=1.0A=IFSM=40A
* All Rights Reserved Copyright (C) Bee Technologies Inc. 2004
.SUBCKT D1SR139-400 A K
R_R2 5 6 3500
R_R1 3 4 1
C_C1 5 6 100p
E_E1 5 K 3 4 1
S_S1 6 K 4 K _S1
RS_S1 4 K 1G
.MODEL _S1 VSWITCH Roff=50MEG Ron=1m Voff=90mV Von=100mV
G_G1 K A VALUE { V(3,4)-V(5,6) }
D_D1 2 K D1SR139-400
D_D2 4 K D1SR139-400
F_F1 K 3 VF_F1 1
VF_F1 A 2 0V
.MODEL D1SR139-400 D
+ IS=11.801E-12
+ N=1.3533
+ RS=52.928E-3
+ IKF=.20632
+ ISR=0
+ CJO=22.539E-12
+ M=.36819
+ VJ=.46505
+ BV=400
+ IBV=10.000E-6
+ TT=3.8551E-6
.ENDS
*$




逆回復時間の定義



Measurement


Measurement

一般ダイオード : 逆回復特性 trj,trb を考慮したモデル ) 【解析精度について】

Compare Measurement vs. Simulation
Symbol Measurement Unit
trj
2.64
us
trb
2.68
us

Simulation
2.645
2.67


Unit
us
us

% Error
0.189
0.373


ヘイビア・モデルの事例 ( 一般ダイオード : 電流減少率 didt モデル )

このモデルは、デバイス自体の特性よりも外部回路による
電流減少率を如何に表現するかがポイントとなる。
電流減少率は、構成される回路定数で決定される為である。
モデルの等価回路において、外部回路により決定される
電流減少率を検出し、それをデバイス自体の振る舞いに
反映させる機能を持たせなければならない。




等価回路のポイント
trb 期間中の時定数

t 

i = I ∗ exp −

 R ∗C 

τ = R ∗C



di
VL = − L •
dt

IF

IR




ダイオードに流れる電流

i

VL
L の両端の電圧
リカバリー現象の領域


ダイオードに流れる電流

i

di
VL = − L •
dt

VL
L の両端の電圧

インダクタンス L の両端に VL の電圧が発生し、ノイズを引き起こす。


IF

t
Qrr
IR
trr

電流変化率 di/dt が大きいとノイズの原因になる。



IF

t
Qrr
IR
trr

ソフト・リカバリー⇒青色の線
ハード・リカバリー⇒赤色の線



ハード・リカバリー、ソフトリカバリーも表現出来る
黄色線⇒ハード・リカバリー
赤線⇒ソフト・リカバリー

デバイスモデリング教材

ダイオード・モデル編
ダイオード・モデル + ノイズ・シミュレーション編
逆回復特性 (trj+trb=trr) を考慮したダイオード・モデル編
パワー MOSFET ・モデル編 (Ver.1.3)
バイポーラ・ジャンクション・トランジスタ編

デバイスモデリングの学習にご活用下さい。
詳細は、株式会社ビー・テクノロジーの WEB サイトをご覧下さい。
http://www.bee-tech.com/

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