SPICEにおける半導体デバイスモデリングの総合ガイド

SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）電子シミュレーションプログラムは、半導体用の回路要素とモデルを提供します。SPICE要素名は、d、q、j、mで始まり、それぞれダイオード、BJT、JFET、MOSFET要素に対応します。これらの要素には、デバイスを記述する膨大なパラメータリストを持つ対応する「モデル」が付随します。ここではそれらを列挙しません。本節では、半導体用のシンプルなSPICEモデルをごく簡潔に列挙し、スタートに十分な情報を提供します。モデルとパラメータの詳細、SPICE使用法についてはKuphaldt[TRK]を参照してください。

モデル：

ダイオード

ダイオード： ダイオード文は「d」で始まる要素名で開始し、任意の文字が続きます。例：d1、d2、dtest、da、db、d101等。続く2つのノード番号がアノードとカソードの接続をそれぞれ指定。ノード番号に続けてモデル名を記述し、対応する「.model」文を参照します。

モデル文は「.model」で始まり、1つ以上のダイオード文と一致するモデル名、ダイオードモデルを示す「d」、その後にParameterName=ParameterValue形式のオプションパラメータリストが続きます。以下の例ではパラメータは省略。一覧は参照資料「diodes」[TRK]を参照。

一般形： d[name] [anode] [cathode] [model] .model [modelname] d ( [parmtr1=x] [parmtr2=y] ... )
例： d1 1 2 mod1 .model mod1 d

特定ダイオード部品番号のモデルは、半導体メーカーから提供されることが多く、パラメータを含みます。それ以外の場合、パラメータは例のように「デフォルト値」になります。

バイポーラ接合トランジスタ（BJT）

BJT、バイポーラ接合トランジスタ： BJT要素文は「q」で始まる要素名で開始（例：q1、q2、qa、qgood）。BJTノード番号（接続）はコレクタ、ベース、エミッタの順で配線を特定。ノード番号に続くモデル名がモデル文と関連付けられます。

一般形： q[name] [collector] [base] [emitter] [model] .model [modelname] [npn or pnp] ([parmtr1=x] ...)
例： q1 2 3 0 mod1 .model mod1 pnp
例： q2 7 8 9 q2n090 .model q2n090 npn ( bf=75 )

モデル文は「.model」で始まり、モデル名、「npn」または「pnp」のいずれか、オプションパラメータリストが続き、行継続記号「+」で数行にわたることもあります。上記は仮想的なq2n090モデルで順方向βパラメータを75に設定した例。詳細トランジスタモデルは半導体メーカーから提供されることが多いです。

電界効果トランジスタ（FET）

FET、電界効果トランジスタ FET要素文は、JFET用に「j」で始まる要素名で開始（例：j101、j2b、jalpha等）。ノード番号がドレイン、ゲート、ソース端子の順で続き、他回路コンポーネントへの接続を定義。最後にモデル名で使用するJFETモデルを指定。

一般形： j[name] [drain] [gate] [source] [model] .model [modelname] [njf or pjf] ( [parmtr1=x] ... )
例： j1 2 3 0 mod1 .model mod1 pjf
例： j3 4 5 0 mod2 .model mod2 njf ( vto=-4.0 )

JFETモデル文の「.model」に続けてモデル名、pjfまたはnjfでPチャネルまたはNチャネルJFETを指定。長いJFETパラメータリストが続く可能性があります。ここではNチャネルJFETモデルのピンチオフ電圧Vpを-4.0 Vに設定する例のみ示します。それ以外では、このvtoパラメータはNチャネルで-2.5 V、Pチャネルで2.5 Vがデフォルトです。

金属酸化膜電界効果トランジスタ（MOSFET）

MOSFET、金属酸化膜電界効果トランジスタ MOSFET要素名は「m」で始まり、要素文の最初の単語となります。続く4つのノード番号がドレイン、ゲート、ソース、基板の順。次にモデル名。例ではソースと基板が同じノード「0」に接続。ディスクリートMOSFETは3端子パッケージでソースと基板が同一物理端子。IC内MOSFETは4端子デバイスで基板が第4端子。IC内では多数デバイスが共通基板を共有し、ソースとは別端子。ただしソースが共通基板に接続されていることもあります。

一般形： m[name] [drain] [gate] [source] [substrate] [model] .model [modelname] [nmos or pmos] ( [parmtr1=x] ... )
例： m1 2 3 0 0 mod1 m5 5 6 0 0 mod4 .model mod1 pmos .model mod4 nmos ( vto=1 )

MOSFETモデル文は「.model」で始まり、モデル名、「pmos」または「nmos」のいずれか。オプションMOSFETモデルパラメータが続きます。パラメータリストは長大です。詳細はVolume 5「MOSFET」を参照[TRK]。MOSFETメーカーが詳細モデルを提供。それ以外ではデフォルトが適用されます。

本節では最小限の半導体SPICE情報を提供します。ここに示すモデルで基本回路のシミュレーションが可能です。特に、これらのモデルは高速・高周波動作を考慮していません。シミュレーション例はVolume 5 Chapter 7「SPICEの使用法...」に示されています。

レビュー：

• 半導体はSPICEでコンピュータシミュレーション可能。
• SPICEはダイオード、BJT、JFET、MOSFETの要素文とモデルを提供。