مدل ترانزیستور

ترانزیستورها قطعات ساده با رفتار پیچیده هستند. برای اطمینان از عملکرد مطمئن مدارهایی که از ترانزیستور استفاده می‌کنند، لازم است پدیده‌های فیزیکی مشاهده شده در عملکرد آنها با استفاده از مدل‌های ترانزیستوری به صورت علمی مدل شوند. مدل‌های مختلفی وجود دارد که از نظر پیچیدگی و هدف متفاوت هستند. مدل‌های ترانزیستوری به دو گروه عمده تقسیم می‌شوند: مدل‌های طراحی قطعه و مدل‌های طراحی مدار.

مدل‌های طراحی قطعه[ویرایش]

ترانزیستور نوین دارای ساختار داخلی است که از سازوکارهای فیزیکی پیچیده بهره‌جویی می‌کند. طراحی قطعه نیاز به درک دقیقی از چگونگی تأثیر فرآیندهای ساخت قطعه مانند کاشت یون، نفوذ ناخالصی، رشد اکسید، بازپخت و زدایش بر رفتار قطعه دارد. مدل‌های فرایند مراحل ساخت را شبیه‌سازی می‌کنند و یک توصیف میکروسکوپی از «هندسه» قطعه به شبیه‌ساز قطعه ارائه می‌کنند. «هندسه» به معنای ویژگی‌های هندسی قابل شناسایی مانند ساختار دروازه مسطح یا دورپیچ (به انگلیسی: wrap-around)، یا اشکال برجسته یا فرورفته سورس و درین نیست (شکل ۱ را برای یک قطعه حافظه با برخی چالش‌های مدل‌سازی غیرمعمول مربوط به شارژکردن دروازه شناور توسط یک فرایند بهمنی ببینید). همچنین به جزئیات داخل ساختار، مانند نمایه‌های (به انگلیسی: profiles) آلایش پس از تکمیل پردازش قطعه اشاره دارد.

این مدل‌ها بسیار متمرکز بر رایانه هستند و شامل راه‌حل‌های مکانی و زمانی دقیق معادلات دیفرانسیل جزئی جفت‌شده بر روی شبکه‌های سه‌بعدی داخل افزاره است.^[۱]^[۲]^[۳]^[۴] چنین مدل‌هایی آهسته اجرا می‌شوند و جزئیاتی را ارائه می‌دهند که برای طراحی مدار مورد نیاز نیست؛ بنابراین، مدل‌های ترانزیستور سریع‌تر با جهت‌گیری پارامترهای مدار برای طراحی مدار استفاده می‌شوند.

مدل‌های طراحی مدار[ویرایش]

مدل‌های ترانزیستور تقریباً برای تمام کارهای طراحی الکترونیکی نوین استفاده می‌شود. شبیه‌سازهای مدار آنالوگ مانند اسپایس از مدل‌هایی برای پیش‌بینی رفتار یک طرح استفاده می‌کنند. بیشتر کارهای طراحی مربوط به طراحی‌های مدار مجتمع است که هزینه ابزار بسیار بالایی دارند، در درجه اول برای ماسک‌های تصویر استفاده شده برای ایجاد قطعه‌ها، و انگیزه اقتصادی زیادی برای کارکرد طراحی بدون هیچ گونه تکرار وجود دارد. مدل‌های کامل و دقیق اجازه می‌دهد تا درصد زیادی از طرح‌ها در اولین بار کار کنند.

مدارهای نوین معمولاً بسیار پیچیده هستند. پیش‌بینی عملکرد چنین مدارهایی بدون مدل‌های کامپیوتری دقیق، از جمله مدل‌های قطعه‌های مورد استفاده، اما نه محدود به آن، دشوار است. مدل‌های قطعه شامل اثرات جانمایی ترانزیستور می‌شوند: عرض، طول، میان‌انگشتی، نزدیکی به افزاره‌های دیگر. مشخصه‌های جریان-ولتاژ گذرا و دی‌سی؛ ظرفیت خازنی، مقاومت، و اندوکتانس افزاره مزاحم؛ تأخیر زمانی؛ و اثرات دما؛ برای نام بردن چند مورد^[۵]

مدل‌های غیرخطی سیگنال-بزرگ[ویرایش]

مدل‌های ترانزیستور سیگنال غیرخطی یا بزرگ به سه نوع اصلی تقسیم می‌شوند:^[۶]^[۷]

مدل‌های فیزیکی[ویرایش]

اینها مدل‌هایی که براساس فیزیک قطعه هستند، براساس مدل‌سازی تقریبی پدیده‌های فیزیکی در یک ترانزیستور هستند. پارامترهای این مدل‌ها بر اساس ویژگی‌های فیزیکی مانند ضخامت اکسید، غلظت آلایش زیرلایه، قابلیت تحرک حامل و غیره است. در گذشته این مدل‌ها به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما پیچیدگی افزاره‌های نوین آن‌ها را برای طراحی کمی ناکافی می‌کند. با این وجود، آنها مکانی را در تحلیل دستی (یعنی در مرحله مفهومی طراحی مدار) پیدا می‌کنند، به عنوان مثال، برای تخمین‌های ساده‌شدهٔ محدودیت‌های تاب-سیگنال (به انگلیسی: signal-swing).

مدل‌های تجربی[ویرایش]

این نوع مدل کاملاً مبتنی‌بر برازش منحنی است و از هر توابع و مقادیر پارامتری استفاده می‌کند که به اندازه کافی مناسب داده‌های اندازه‌گیری شده‌است تا شبیه‌سازی عملکرد ترانزیستور را ممکن کند. برخلاف یک مدل فیزیکی، پارامترها در یک مدل تجربی نیازی به پایه اساسی ندارند و به روش برازش مورداستفاده برای یافتن آنها بستگی دارند. اگر قرارباشد از آنها برای تعمیم به طرح‌هایی خارج از محدوده داده‌هایی که مدل‌ها در ابتدا به آن‌ها برازشده‌اند (به انگلیسی: fitted)، استفاده شود، روش برازش کلید موفقیت این مدل‌ها است. چنین برون‌یابی امیدی برای چنین مدل‌هایی است، اما تاکنون به‌طورکامل محقق نشده‌است.

مدل‌های خطی سیگنال-کوچک[ویرایش]

مدل‌های سیگنال-کوچک یا خطی برای ارزیابی پایداری، بهره، نویز و پهنای‌باند، هم در مراحل مفهومی طراحی مدار (برای تصمیم‌گیری بین ایده‌های طراحی جایگزین قبل از شبیه‌سازی رایانه‌ای) و هم با استفاده از رایانه استفاده می‌شوند. یک مدل سیگنال کوچک با گرفتن مشتقات منحنی‌های جریان-ولتاژ در مورد یک نقطه بایاس یا نقطه-Q تولید می‌شود. تا زمانی که سیگنال نسبت به غیرخطی بودن افزاره کوچک باشد، مشتقات به‌طور قابل توجهی تغییر نمی‌کنند و می‌توان آنها را به عنوان عناصر مدار خطی استاندارد در نظر گرفت. مزیت مدل‌های سیگنال کوچک این است که می‌توان آن‌ها را مستقیماً حل کرد، درحالی که مدل‌های غیرخطی سیگنال-بزرگ معمولاً به صورت بازگشتی و با مسائل احتمالی هم‌گرایی یا پایداری حل می‌شوند. با ساده‌سازی به یک مدل خطی، کل افزاره برای حل معادلات خطی در دسترس می‌شود، به عنوان مثال، معادلات هم‌زمان، دترمینان‌ها، و نظریه ماتریس (اغلب به عنوان بخشی از جبر خطی مطالعه می‌شود)، به ویژه قاعده کرامر. مزیت دیگر این است که یک مدل خطی راحت تر است و به سازماندهی فکر کمک می‌کند.

پارامترهای سیگنال-کوچک[ویرایش]

پارامترهای یک ترانزیستور نشان‌دهنده ویژگی‌های الکتریکی آن است. مهندسان از پارامترهای ترانزیستور در آزمایش خط تولید و طراحی مدار استفاده می‌کنند. گروهی از پارامترهای ترانزیستور که برای پیش‌بینی بهره مدار، امپدانس ورودی و امپدانس خروجی کافی هستند، اجزای مدل سیگنال-کوچک آن هستند.

تعدادی از مجموعه پارامترهای شبکه دودهانه‌ای مختلف ممکن است برای مدل‌سازی یک ترانزیستور استفاده شود. این شامل:

پارامترهای انتقال (پارامترهای-T)،
پارامترهای هایبرید (پارامترهای-h)
پارامترهای امپدانس (پارامترهای-z)،
پارامترهای ادمیتانس (پارامترهای-y)، و
پارامترهای پراکندگی (پارامترهای-S).

پارامترهای پراکندگی یا پارامترهای S را می‌توان برای یک ترانزیستور در یک نقطه بایاس معین با یک تحلیلگر شبکه برداری اندازه‌گیری کرد. پارامترهای S را می‌توان با استفاده از عملیات جبر ماتریسی استاندارد به مجموعه پارامتر دیگری تبدیل کرد.

مدل‌های محبوب[ویرایش]

مدل گومل-پون
مدل اِبِرز-مول
BSIM3 (به BSIM مراجعه کنید)
BSIM4
BSIMSOI
مدل ماسفت ایی‌کی‌وی (همچنین به وب سایت آن در EPFL مراجعه کنید)
PSP
HICUM
MEXTRAM
مدل هایبرید پای
مدل پارامتر H

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

↑ Carlo Jacoboni; Paolo Lugli (1989). The Monte Carlo Method for Semiconductor Device Simulation. Wien: Springer-Verlag. ISBN 3-211-82110-4.
↑ Siegfried Selberherr (1984). Analysis and Simulation of Semiconductor Devices. Wien: Springer-Verlag. ISBN 3-211-81800-6.
↑ Tibor Grasser, ed. (2003). Advanced Device Modeling and Simulation (Int. J. High Speed Electron. and Systems). World Scientific. ISBN 981-238-607-6.
↑ Kramer, Kevin M. & Hitchon, W. Nicholas G. (1997). Semiconductor devices: a simulation approach. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall PTR. ISBN 0-13-614330-X.
↑ Carlos Galup-Montoro; Mǻrcio C Schneider (2007). Mosfet Modeling for Circuit Analysis And Design. World Scientific. ISBN 978-981-256-810-6.
↑ Narain Arora (2007). Mosfet Modeling for VLSI Simulation: Theory And Practice. World Scientific. Chapter 1. ISBN 978-981-256-862-5.
↑ Yannis Tsividis (1999). -9780073032313 Operational Modeling of the MOS Transistor (Second ed.). New York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-065523-5. {{cite book}}: Check |url= value (help)

پیوند به بیرون[ویرایش]

نرم‌افزار Agilent EEsof EDA، استخراج پارامتر IC-CAP و مدل‌سازی افزاره http://eesof.tm.agilent.com/products/iccap_main.html

[Jacoboni2-1] Carlo Jacoboni; Paolo Lugli (1989). The Monte Carlo Method for Semiconductor Device Simulation. Wien: Springer-Verlag. ISBN 3-211-82110-4.

[Selberherr2-2] Siegfried Selberherr (1984). Analysis and Simulation of Semiconductor Devices. Wien: Springer-Verlag. ISBN 3-211-81800-6.

[Grasser2-3] Tibor Grasser, ed. (2003). Advanced Device Modeling and Simulation (Int. J. High Speed Electron. and Systems). World Scientific. ISBN 981-238-607-6.

[Kramer2-4] Kramer, Kevin M. & Hitchon, W. Nicholas G. (1997). Semiconductor devices: a simulation approach. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall PTR. ISBN 0-13-614330-X.

[Schneider2-5] Carlos Galup-Montoro; Mǻrcio C Schneider (2007). Mosfet Modeling for Circuit Analysis And Design. World Scientific. ISBN 978-981-256-810-6.

[Arora2-6] Narain Arora (2007). Mosfet Modeling for VLSI Simulation: Theory And Practice. World Scientific. Chapter 1. ISBN 978-981-256-862-5.

[Tsividis2-7] Yannis Tsividis (1999). -9780073032313 Operational Modeling of the MOS Transistor (Second ed.). New York: McGraw-Hill. ISBN 0-07-065523-5. {{cite book}}: Check |url= value (help)

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]