シミュレーションモデルの作成

以下のパラメータは、順方向バイアス領域におけるダイオードの直流電流・電圧特性を記述するために使用されます。

これらのパラメータを抽出するには、ダイオードの順方向電圧（VF）に対する順方向電流（IF）のグラフが必要です。このグラフは、メーカーのデータシート、または実際のデバイスでの測定によって取得できます。

以下の画像は、データシートから取得したグラフの例と、必要な元データを直接測定して取得するためのテスト回路の例を示しています。

 
順方向バイアス領域におけるダイオードのI-V特性のグラフと回路の例。

元のグラフから取得した一連のデータ点を、ウィザードに入力します。

以下のパラメータは、逆方向バイアス領域で動作するダイオードの容量を記述するために使用されます。

これらのパラメータを抽出するには、ダイオードの逆方向電圧（VR）に対する逆方向バイアス時の容量（Cd）のグラフが必要です。このグラフは、メーカーのデータシート、または実際のデバイスでの測定によって取得できます。

画像は、データシートから取得したグラフの例と、必要な元データを直接測定して取得するためのテスト回路の例を示しています。このテスト回路は、静電容量計がない場合に使用できます。

 
逆方向バイアス領域におけるダイオード容量のグラフと回路の例。

元のグラフから取得した一連のデータ点を、ウィザードに入力します。

上の画像の回路例は、次の式に基づいています。

I = C * (dv/dt)

この式をCについて解くと、次のようになります。

C = I/(dv/dt)

この回路は、電源V1からランプ電圧を生成します。このランプ電圧の傾きを計算することで、式のdv/dtの部分を求めることができます。測定したダイオード電流をランプ電圧の傾きで割ることで、ダイオードの容量曲線を求めることができます。

以下のパラメータは、降伏後のデバイスの逆方向バイアス電流を記述するために使用されます。

これらのパラメータを抽出するには、ウィザードに次の2つの値を入力する必要があります。

• 逆方向降伏電圧の値。

• 逆方向降伏点でダイオードを流れる電流の値。

これらの値は、メーカーのデータシート、または実際のデバイスでの測定によって取得できます。通常、データシートにはダイオードの電気的特性（直流特性）が表形式で記載されているため、該当する値を見つけ、記載どおりに入力するだけです。

実際のデバイスから直接測定した場合など、元のデータがグラフで示されている場合は、ダイオードが降伏し始める点でこれら2つの値を読み取る必要があります。以下の画像は、そのようなグラフの例です。

グラフから逆方向降伏点の電流値と電圧値を取得。

グラフ上では負の値として表示されていても、ウィザードの各フィールドには必ず正の値として入力してください。

以下のパラメータは、ダイオードを順方向バイアスから逆方向バイアスに切り替える際の逆回復時間をモデル化するために使用されます。

このパラメータを抽出するには、順方向電流と逆方向電流が等しい条件（すなわちIR/IF=1）でのダイオードの逆回復時間（Trr）をウィザードに入力する必要があります。このデータは通常、スイッチングダイオードのメーカーデータシートに、単純な数値データとして記載されています。

以下の画像は、メーカーのデータシートでこの情報がどのように記載されているかを示しています。画像内の該当する値、つまりウィザードに入力する値は4nsです。

ダイオードの逆回復時間の取得。

実デバイスを直接測定して取得したデータを使用すると、以下の特性をモデル化できます。

• Forward-Bias Parameters

  以下のパラメーターは、順方向バイアス領域におけるBJTのDC電流電圧特性を記述するために使用されます。

  IS		輸送飽和電流（単位：A）。
  BF		理想最大順方向電流増幅率β。
  NF		順方向電流放出係数。
  RB		ゼロバイアス時のベース抵抗（単位：Ω）。
  RC		コレクター抵抗（単位：Ω）。
  RE		エミッター抵抗（単位：Ω）。
  IKF		順方向電流増幅率βの高電流域での低下が始まるコーナー電流（単位：A）。
  ISE		ベース・エミッター間の漏れ飽和電流（単位：A）。
  NE		ベース・エミッター間の漏れ電流放出係数。
  VAF		順方向アーリー電圧（単位：V）。

  以降のセクションでは、必要な測定データについて詳しく説明します。これらのデータを入力することで、ウィザードが各パラメーターを抽出できるようになります。

  • Base-Emitter Voltage versus Base Current

    このデータは、RCパラメーターの初期抽出に使用されます。下図に、ベース電流（IB）に対するベース・エミッター間電圧（VBE）のグラフ例と、データ取得のための測定に使用できるテスト回路例を示します。この回路では、ベースに電流を強制的に流し、開回路状態のベース・エミッター間電圧を測定します。

    
    VBE対IBのグラフおよび回路の例。

    元のグラフから取得した一連のデータポイントをウィザードに入力します。

  • Collector-Emitter Voltage versus Base Current

    このデータは、REパラメーターの初期抽出に使用されます。下図に、ベース電流（IB）に対するコレクター・エミッター間電圧（VCE）のグラフ例と、データ取得のための測定に使用できるテスト回路例を示します。この回路では、ベースに電流を強制的に流し、開回路状態のコレクター・エミッター間電圧を測定します。

    
    VCE対IBのグラフおよび回路の例。

    元のグラフから取得した一連のデータポイントをウィザードに入力します。

  • Forward Gummel Plot

    このデータは、主にIS、BF、NF、RB、IKF、ISE、NEパラメーターの抽出に使用されます。また、RC、RE、VAFパラメーターの最適化にも使用されます。下図に、ガンメルプロットの例と、データ取得のための測定に使用できるテスト回路例を示します。ガンメルプロットは、以下を表します。

    • ベース・エミッター間電圧に対するベース電流（IB対VBE）。

    • ベース・エミッター間電圧に対するコレクター電流（IC対VBE）。

    ベース・コレクター間電圧（VBC）は0 Vに保持します。

    
    順方向ガンメルプロットおよびテスト回路の例。

    元のガンメルプロットから取得した一連のデータポイントをウィザードに入力します。IBとICには、対数変換前の値を入力する必要があります。ウィザードが曲線データにLN関数を適用します。

  • Collector Current versus Base-Emitter Voltage

    このデータは、VAFパラメーターの初期抽出に使用されます。下図に、ベース・エミッター間電圧（VBE）に対するコレクター電流（IC）のグラフ例と、データ取得のための測定に使用できるテスト回路例を示します。この回路を使用して、ベース・コレクター間電圧（VBC）の2つの異なる値に対する、IC対VBEの2本の曲線を生成します。曲線は、電流をできるだけ低くし、VBCを実用上可能な限り0 Vに近づけて測定してください。

    
    VBE対ICのグラフおよび回路の例。

    各元データ曲線に対応する2つの表に、それぞれ一連のデータポイントをウィザードで入力します。また、それぞれに使用したVBCの値も入力する必要があります。

• Reverse-Bias Parameters

  以下のパラメーターは、逆方向バイアス領域におけるBJTのDC電流電圧特性を記述するために使用されます。

  IS		輸送飽和電流（単位：A）。
  BR		理想最大逆方向電流増幅率β。
  NR		逆方向電流放出係数。
  RB		ゼロバイアス時のベース抵抗（単位：Ω）。
  RC		コレクター抵抗（単位：Ω）。
  RE		エミッター抵抗（単位：Ω）。
  IKR		逆方向電流増幅率βの高電流域での低下が始まるコーナー電流（単位：A）。
  ISC		ベース・コレクター間の漏れ飽和電流（単位：A）。
  NC		ベース・コレクター間の漏れ電流放出係数。
  VAR		逆方向アーリー電圧（単位：V）。

  以降のセクションでは、必要な測定データについて詳しく説明します。これらのデータを入力することで、ウィザードが各パラメーターを抽出できるようになります。

  RCパラメータの初期値を抽出するために必要なデータについては、前のセクション「ベース電流に対するベース・エミッタ間電圧」を参照してください。

  REパラメータの初期値を抽出するために必要なデータについては、前のセクション「ベース電流に対するコレクタ・エミッタ間電圧」を参照してください。

  • Reverse Gummel Plot

    このデータは、主にIS、BR、NR、RB、IKR、ISC、NCパラメータの抽出に使用されます。また、RC、RE、VARパラメータの最適化にも使用されます。下図に、ガンメルプロットの例と、データを取得するための測定に使用できるテスト回路の例を示します。ガンメルプロットには、次の特性が示されています。

    • ベース・コレクタ間電圧に対するベース電流（IB対VBC）。

    • ベース・コレクタ間電圧に対するエミッタ電流（IE対VBC）。

    ベース・エミッタ間電圧（VBE）は0Vに保持されます。

    
    逆方向ガンメルプロットとテスト回路の例。

    元のガンメルプロットから取得した一連のデータ点をウィザードに入力します。IBとIEの値は、そのままの値を入力する必要があります。ウィザードが曲線データにLN関数を適用します。

  • Emitter Current versus Base-Collector Voltage

    このデータは、VARパラメータの初期抽出に使用されます。下図に、ベース・コレクタ間電圧（VBC）に対するエミッタ電流（IE）のグラフの例と、データを取得するための測定に使用できるテスト回路の例を示します。この回路では、ベース・エミッタ間電圧（VBE）の異なる2つの値に対して、IE対VBCの曲線を2本生成します。曲線は、電流をできるだけ低くし、VBEを実用上可能な限り0Vに近づけて測定する必要があります。

    
    IE対VBCのグラフと回路の例。

    元の各データ曲線に対応する2つの表に、一連のデータ点をウィザードで入力します。それぞれの場合に使用したVBEの値も入力する必要があります。

メーカーのデータシートから取得したデータを使用すると、次の特性をモデル化できます。

• Forward-Bias Parameters

  以下のパラメータは、順方向バイアス領域におけるBJTの直流電流・電圧特性を記述するために使用されます。

  IS		輸送飽和電流（単位：A）。
  BF		理想最大順方向電流増幅率β。
  NF		順方向電流放出係数。
  RE		エミッタ抵抗（単位：Ω）。
  IKF		順方向電流増幅率βの高電流域での低下が始まるコーナー電流（単位：A）。
  ISE		B-E間漏れ飽和電流（単位：A）。
  NE		B-E間漏れ電流放出係数。

  以下のセクションでは、必要なデータについて詳しく説明します。これらのデータを入力することで、ウィザードがこれらのパラメータを抽出できます。

  • Base-Emitter Voltage versus Collector Current

    データシートには通常、「強制β」または「飽和」条件でのこれらの曲線が掲載されています。

    このデータは、IS、NF、RE、IKFパラメータの抽出に使用されます。下図に、データシートから取得した、コレクタ電流（IC）に対するベース・エミッタ間電圧（VBE）のグラフの例を示します。

    

    元のグラフから取得した一連のデータ点をウィザードに入力します。ICの値は、そのままの値を入力する必要があります。ウィザードが曲線データにLN関数を適用します。

    曲線の強制β比（β = IC/IB）の値も入力する必要があります。上図のプロット例では、この値はグラフの左上に表示されているため、10を入力します。

  • DC Current Gain versus Collector Current

    このデータは、BF、NE、ISE、IKFパラメータの抽出に使用されます。下図に、データシートから取得した、コレクタ電流（IC）に対する直流電流増幅率（hFE）のグラフの例を示します。
    元のグラフから取得した一連のデータ点をウィザードに入力します。精度を確保するため、コレクタ電流が低い領域、中程度の領域、高い領域での直流電流増幅率の値を入力してください。
    

• Forward Early Voltage

  以下のパラメータは、ガンメル・プーントランジスタモデルにおけるベース幅変調の影響をモデル化するために使用されます。

  VAF

  順方向アーリー電圧（単位：V）。

  このパラメータを抽出するには、コレクタ電流（IC）に対する出力アドミタンス（hOE）の曲線上の1点を入力する必要があります。下図に、このような曲線の例を示します。

  

  曲線上の任意の値を読み取ります。上図の例では、IC = 1mA、hOE = 30μmhosと読み取れます。

  通常、データは表形式で記載されています。下図にその例を示します。

  
  出力アドミタンスの表形式の記載例。

  図中の対象となる値、つまりウィザードに入力する値は、コレクタ電流が1mA、出力アドミタンスが30μmhosです（通常は最大値を使用します）。

メーカーのデータシート、または実際のデバイスを直接測定して取得したデータを使用すると、次の特性をモデル化できます。

• Base-Emitter Capacitance

  以下のパラメータは、ベース・エミッタ接合の逆方向バイアス接合容量を記述するために使用されます。

  CJE		B-E間のゼロバイアス空乏層容量（単位：F）。
  MJE		B-E接合の指数係数。
  VJE		B-E間の内蔵電位（単位：V）。

  これらのパラメータを抽出するには、逆方向バイアスを印加したB-E接合の電圧（VBE）に対する接合容量（Cj）の特性グラフが必要です。容量計がない場合は、下図のテスト回路例を使用してデータを取得できます。図には、この回路から得られるグラフの例も示されており、VBEとCjをそれぞれ時間に対してプロットしています。これらのグラフから、同じ時刻におけるVBEとCjの値を簡単に読み取ることができます。

  
  逆方向バイアス時のB-E接合容量を求める回路とグラフの例。

  元のグラフから取得した一連のデータ点をウィザードに入力します。

  上図の回路例は、次の式に基づいています。

  I = C * (dv/dt)

  この式をCについて解くと、次のようになります。

  C = I/(dv/dt)

  この回路は、電源V1からランプ電圧を生成します。このランプ電圧の傾きを計算することで、式のdv/dtの部分を求めることができます。測定したダイオード電流をランプ電圧の傾きで割ることで、ダイオードの容量曲線が得られます。上図の2つのグラフと回路の関係は次のとおりです。

  • 上のグラフ – VBEはV1です。

  • 下のグラフ – Cjはq1[ie]/(dV1/dt)です。

• Base-Collector Capacitance

  以下のパラメーターは、ベース・コレクター接合の逆バイアス接合容量を表すために使用されます。

  CJC		B-C間のゼロバイアス空乏層容量（単位：F）。
  MJC		B-C接合の指数係数。
  VJC		B-C間の内蔵電位（単位：V）。

  これらのパラメーターを抽出するには、逆バイアス時のB-C接合容量（Cj）の電圧（VBC）依存性を示すグラフが必要です。容量計がない場合は、下図のテスト回路例を使用してデータを取得できます。図には、このような回路から得られるグラフの例も示されており、VBCとCjをそれぞれ時間に対してプロットしています。これらのグラフから、同じ時点におけるVBCとCjの値を簡単に読み取ることができます。

  
  逆バイアス時のB-C接合容量を測定する回路とグラフの例。

  元のグラフから取得した一連のデータポイントとして、ウィザードにデータを入力します。

  上図の回路例は、次の式に基づいています。

  I = C * (dv/dt)

  この式をCについて解くと、次のようになります。

  C = I/(dv/dt)

  この回路は、電源V1からランプ電圧を生成します。このランプ電圧の傾きを計算することで、式のdv/dtの部分を求めることができます。測定したダイオード電流をランプ電圧の傾きで割ることで、ダイオードの容量曲線が得られます。上図の2つのグラフと回路の関係は次のとおりです。

  • 上のグラフ – VBCはV1です。

  • 下のグラフ – Cjはq1[ic]/(dV1/dt)です。

• Collector-Substrate Capacitance

  以下のパラメーターは、コレクター・基板接合の逆バイアス接合容量を表すために使用されます。

  CJS		ゼロバイアス時のコレクター・基板間容量（単位：F）。
  MJS		基板接合の指数係数。
  VJS		基板接合の内蔵電位（単位：V）。

  これらのパラメーターを抽出するには、逆バイアス時のC-S接合容量（Cj）の電圧（VCS）依存性を示すグラフが必要です。容量計がない場合は、下図のテスト回路例を使用して データを取得できます。図には、このような回路から得られるグラフの例も示されており、VCSとCjをそれぞれ時間に対してプロットしています。これらのグラフから、同じ時点におけるVCSとCjの値を簡単に読み取ることができます。

  
  逆バイアス時のC-S接合容量を測定する回路とグラフの例。

  元のグラフから取得した一連のデータポイントとして、ウィザードにデータを入力します。

  上図の回路例は、次の式に基づいています。

  I = C * (dv/dt)

  この式をCについて解くと、次のようになります。

  C = I/(dv/dt)

  この回路は、電源V1からランプ電圧を生成します。このランプ電圧の傾きを計算することで、式のdv/dtの部分を求めることができます。測定したダイオード電流をランプ電圧の傾きで割ることで、ダイオードの容量曲線が得られます。上図 24の2つのグラフと回路の関係は次のとおりです。

  • 上のグラフ – VCSはV1です。

  • 下のグラフ – Cjはq1[is]/(dV1/dt)です。

• Transit Times

  以下のパラメーターは、BJTの走行時間を表すために使用されます。

  TF		理想順方向走行時間（単位：秒）。
  TR		理想逆方向走行時間（単位：秒）。

  これらのパラメーターを抽出するには、ウィザードにトランジスターのユニティゲイン周波数（fT）を入力する必要があります。これは、トランジスターの電流利得が1になる周波数です。このデータは通常、メーカーのデータシートに単純な数値データとして記載されています。

  fTは通常、データシートの小信号特性の欄に記載されており、電流利得帯域幅積またはユニティゲイン帯域幅とも呼ばれます。

  下図は、メーカーのデータシートにこの情報がどのように記載されているかを示しています。図中の対象の値、すなわちウィザードに入力する値は100MHzです。

  
  電流利得帯域幅積の表記例。

以下のパラメーターは、測定データから抽出することが難しく、通常はメーカーのデータシートにも記載されていません。ウィザードではこれらのパラメーターを抽出せず、生成されるBJTのモデルファイルにも追加しません。MDLファイルには含まれませんが、SPICEはBJTデバイスのシミュレーション時に、これらのパラメーターに固有のデフォルト値を使用します。参照しやすいように、以下にデフォルト値を示します。

もちろん、これらのパラメーターはどれでもMDLファイルに手動で追加し、必要に応じて使用する値を指定できます。