PSpice 21周仿真培训 I第18周：双极结型晶体管模型的建立

双极型晶体三极管是由两个PN结组成，其工作方式可分为NPN型和PNP型两种，两类晶体管都分为基区、发射区和集电区三个区，每个区分别引出了电极，称为基极（B）、发射极（E）和集电极（C）。基区和发射区之间的PN结称为发射结；基区和集电区之间的PN结称为集电结。

不同型号的三极管使用共同的PSpice参数，只是不同型号参数的数值是不相同的。

这里QNAME是BJT的模型名，它可以以任意字母开头，长度限制在8以内。P1、P2、……和V1、V2、……分别是模型参数和它们的值。如：在三极管库中型号为Q2N3227的三极管的PSpice模型语句为：

为理解这些参数的含义，先简单了解一下几种常用的电路模型。

如果仅对电路进行直流分析，没有必要建立非常复杂的模型，Ebers-Moll 模型是简单的非线性直流模型，目前又称E-M1模型。该模型是基于正向和反向晶体管叠加的概念，在发射结和集电结处皆用一个二极管代替，基区传输载流子特性用和频率有关的电流源代替，发射区、基区和集电区符合空间电荷中性条件，模型的等效电路如图18.1所示：

图18.1 E-M1模型

E-M1模型虽然形式上非常容易，但它对小注入，也就是在靠近发射级的基区中，少数载流子浓度比杂质浓度小很多时，有着非常好的近似，是一种十分准确的直流非线性模型。

为了能模拟晶体管的频域和时域特性，E-M2模型在E-M1模型基础上添加了8个元件。完整的E-M2模型如图18.2所示。为了考虑器件中的电荷储存特性，增加了2个非线性结电容、两个扩散电容和1个恒定的衬底电容进行模拟。在实际BJT晶体管中，发射极、基极和集电极的串联电阻对晶体管的瞬态特性、频率特性等均有影响，因此又增加了3个欧姆电阻。

图18.2  E-M2模型

晶体管中有很多二阶效应，像基区宽度调制效应、大注入效应、小电流效应等，在特定情况下对晶体管特性都有影响。E-M3模型如图18.3所示，它增加了以下特点:

图18.3  E-M3模型

G-P（Gummel-Poon）模型使用电荷控制概念把结电压、集电极电流和基区中的多数载流子电荷联系起来，它的电路拓扑结构与E-M3模型的电路相同，如图18.3所示，模型的参数也基本相同，可以认为二者等效。

MEXTRAM模型是飞利浦公司为双极型晶体管所研发的模型，首先由Graaff和Kloosterman于1985年建立并发展起来。MEXTRAM模型是在E_M模型和G_P模型的基础发展的一种完全基于器件物理特性的模型，并尽量避免采用经验拟合的函数。MEXTRAM模型拓扑结构图如图18.4所示：

图18.4 MEXTRAM模型等效电路的拓扑结构

MEXTRAM模型中并未使用电荷控制公式，主要的电荷及电流的公式都采用少数载流子浓度的函数形式来表示，而少子浓度是由发射极和集电极的电压决定的。它包含了现代小尺寸工艺下器件的物理效应，主要包含的物理效应有：

1. 偏置相关的厄利效应

2. 大注入效应

3. 集电极外延层欧姆电阻效应

4. 外延层电阻速率饱和效应

5. 基极集电极弱雪崩效应

6. 电荷存储效应

7. 基极集电极与基极发射级耗尽电容侧墙效应

8. 衬底寄生效应与寄生PNP效应

9. 电流集边效应(Current crowding)

10. 能带组分的厄利效应

11. 温度可缩放性

12. 自热效应

13. 热噪声、散粒噪声及低频噪声特性

PSpice仿真模型支持Gummel-Poon模型和MEXTRAM模型两种双极晶体管的模型。MEXTRAM是一个扩展模型，可以描述现代小尺寸工艺下的晶体管的各种特征。

BJT模型的详细参数见表18.1：

表18.1 BJT模型参数

其中直流模型参数包含：

• 决定正向电流增益的BF、ISE、IK和NE

• 决定反向电流增益特性的BR、ISC、IKR和VC

• 决定正向区域电导和反向区域电导的VA和VB

• 反向饱和电流IS

而对于电力电子电路，影响BJT开关特性的最主要参数包括：IS、BF、CJE、CJC、VA、TR和TF。

PSpice模型库中包含了六千多个不同用途的三极管模型，如图18-4所示，但是电子器件日益更新的当下，还是经常遇到找不到器件模型的时候。如果遇到PSpice模型库中没有包含的三极管，不管是创建三极管模型拓扑结构图（图18.1、18.2、18.3、18.4）还是编写或修改模型参数（表18.1），对于普通的用户来说都是非常有难度的。

图18.5 PSpice中包含的三极管器件

PSpice提供 Model Editor工具，利用特性曲线对模型参数进行提取。由于晶体管的PSpice模型参数与Datasheet中所列数据通常并不一一对应，因此创建PSpice模型时需要对实际参数进行提取，然后再将其转化为PSpice模型参数。

Ic-Vbe饱和电压曲线主要对模型参数中IS，RB和NF进行估计。IS是半导体结参数，不要与饱和状态下的集电极电流相混淆。表18.2给出Vbe饱和电压影响的参数，最后的两个参数XTI和EG可以被改变，但是对于硅晶体管通常将它们设为默认值。

表18.2  Ic-Vbe饱和电压曲线计算的参数

Ic-Vbe饱和电压曲线坐标的含义：Ic表示Vbe的集电极电流，Vbe表示为当器件饱和时基极-发射极电压。另外，在数据输入窗口中还需设定饱和时的Ic/Ib的数值，注意饱和状态时的Ic/Ib数值远小于正常时电流放大倍数β。

图18.8是晶体管SS8050数据手册中的Ic-Vbe(sat)(Vce(sat))数据曲线。选择Vbe(sat)的那条曲线，提取曲线上若干点的坐标，将坐标值输入数据输入窗口，然后选择菜单命令 Tool→Extract 或工具栏中对应的图标，对输入的数据进行曲线拟合，可以多次使用，直至得到用户认为的最合适曲线。如图18.9所示。

图18.8 数据文件中的Ic-Vbe(sat)(Vce(sat))数据曲线

图18.9 Ic-Vbe(sat)数据输入界面

晶体管Ic-Vce(sat)饱和电压模型按照G-P模型进行计算，为了保证模型计算参数准确，输入电流数值时尽量包括小电流值、中等电流值和大电流值。另外，在数据输入窗口同样需要设定饱和时的Ic/Ib的数值，注意饱和状态时的Ic/Ib数值远小于正常时电流放大倍数β。表18.3给出影响基极-集电极饱和电压的参数：

表18.3  影响基极-集电极饱和电压的参数

特性曲线坐标含义：Ic表示Vce的集电极电流，Vce表示Ic的集电极-发射极电压。SS8050的Ic-Vce(sat)曲线和Ic-Vbe(sat)曲线在同一个图中，见图18.7的Vce(sat)那条曲线。提取曲线上若干点的坐标，如图18.10所示，将坐标值输入数据输入窗口，然后选择菜单命令 Tool→Extract 或工具栏中对应的图标，对输入的数据进行曲线拟合。

图18.10 Ic-Vbe(sat)数据输入界面

晶体管正向直流放大倍数按照G-P模型进行计算。为保证放大倍数输入准确性，输入电流数据时尽量包含小电流值、中电流值和大电流值。如果同一电流值对应最大和最小两个hfe值，通常对两个值进行平均后作为hfe的最终值进行输入。Vce通过调整基线宽度改变放大倍数。

Ic-hfe正向放大倍数曲线主要用于估算表18.4中所列的参数。对于双极型晶体管，XTB的值已被设定为零，但也可以根据实际参数进行修改。有时设置多条温度特性数据曲线，然后对XTB模型数值进行计算。

表18.4 Ic-hfe正向直流放大曲线计算的参数

Ic-hfe正向直流放大倍数曲线坐标的含义：Ic表示hFE的集电极电流，hFE表示Ic的正向电流β。在数据输入窗口中需设定Vce的数值。

图18.11是晶体管SS8050数据手册中的Ic-hfe数据曲线：

图18.11 数据文件中的Ic-hfe数据曲线

同样选择提取曲线上若干点的坐标，将坐标值输入数据表格窗口，然后选择菜单命令 Tool→Extract 或工具栏中对应的图标，对输入的数据进行曲线拟合，得到如图18.11所示界面。

图18.12 Ic-hfe数据输入界面

双极型晶体管的输出导纳对参数VAF进行估计，此时晶体管工作于共射状态。参数VAF在G-P模型中是控制基极宽度变化，并表现在输出电导上。表18.5给出影响输出导纳的参数：

表18.5 影响输出导纳的参数

特性曲线坐标含义：Ic表示hoe的集电极电流，hoe表示Ic和Vce的小信号开路输出导纳。由于SS8050的数据手册中没有提供Ic和hoe的特性曲线，只能使用提供的共射状态下的输出特性曲线（如图18.13），从中求出不同Ic下输出导纳的数值，输入至图18.14的数据界面中，并进行曲线拟合，得到参数VAF的值。

图18.13 输出特性曲线

图18.14 Ic-hoe数据输入界面

晶体管的增益带宽主要对参数TF进行估计，它和集电极-基极电容一样限制高频增益。TF的值也控制开关电路里的上升和下降时间，这是另一种测量晶体管速度的方式，虽然在上升/下降时间和高频截止频率之间没有固定的转换方法。表18.6给出影响增益带宽的参数：

表18.6  影响增益带宽的参数

图18.15是SS8050数据手册上的Ic-fT曲线。很多晶体管数据手册中可能没有Ic-fT曲线，可以根据Ic-tf曲线对TF参数直接读取。

图18.15 晶体管数据手册中的Ic-fT曲线

同样提取曲线上若干点的坐标，将坐标值输入数据表格窗口，然后选择菜单命令 Tool→Extract 或工具栏中对应的图标，对输入的数据进行曲线拟合，得到如图18.16所示界面。

图18.16 Ic-增益带宽的数据输入界面

晶体管存储时间用于计算理想反向传输时间TR, 主要用于设置晶体管关断至完全离开饱和区的时间延迟，由晶体管正向和反向工作特性决定。进行数据输入时，要确定饱和状态时的放大倍数。表18.9给出影响存储时间的参数：

表18.7 影响存储时间的参数

由于SS8050的数据手册中没有找到Ic-ts存储时间的特性曲线，于是TR参数按默认值设置。通常情况下晶体管的TR=10TF，所以可以通过2.5节中得到TF的值乘以10，然后手动修改TR的数值。

根据非零反向偏置集电极-基极电容曲线计算参数CJC和MJC模型参数。表18.10给出影响基极-集电极电容的参数：

表18.8 影响基极-集电极电容的参数

特性曲线坐标含义：Vcb表示集电极-基极结的反向电压，Cobo表示Vcb的开路输出电容。图18.17是SS8050数据手册的曲线，提取图18.16中下面那条Cob的曲线坐标，输入至模型编辑器中数据窗口，然后选择菜单命令 Tool→Extract 对输入的数据进行曲线拟合，得到如图18.17所示界面：

图18.17 数据手册中Vcb-Cobo和Veb-Cibo的特性曲线

图18.18 Vcb-Cobo数据输入界面

根据非零反向偏置EB电容曲线对参数CJE和MJE进行了估计。表18.11给出影响发射极-基极电容的参数：

表18.9  影响发射极-基极电容的参数

SS8050的Veb-Cibo曲线见图18.17的上面那条Cib曲线，数据输入界面如图18.19所示：

图18.19 Veb-Cibo曲线的数据输入

上面八组数据都输入，并进行曲线拟合之后，模型的参数也就提取完毕，直接保存为ss8050.lib文件。然后选择菜单 File→Export to Capture Part Library 生成olb文件，如图18.20所示。

图18.21所示为生成的lib文件和olb文件，下一节利用晶体管放大电路对其性能进行测试。

图18.20 生成olb文件

图18.21 生成lib和olb文件

新建工程，搭建如图18.22所示的共射放大器，注意在选择新建的晶体管时需要在绘图工具栏中选择放置器件（Place Part）的图标，再通过添加图18.21中的ss8050.olb文件，就可以将自建的晶体管图标放置在电路图中了。

图18.22 自建晶体管构成的共射放大电路

图18.23 选择放置自建器件

首先对放大器的静态工作点进行计算，新建仿真文件，选择Bias Point分析类型，并勾选上“Include detailed bias point information for nonlinear controlled sources and semiconductors(.OP)”。可以观察晶体管的节点电压和电流。

在仿真设置窗口中还需要将自建的模型库添加到工程中，选择 Configuration Files→Library,如图18.24所示的操作顺序，将ss8050.lib文件加载进工程，如果只是增加到这一个工程中，第二步选择“Add to Design”；如果希望其他工程也用到这个器件，第二步选择“Add as Global”。

图18.24 添加自建库文件到工程中

运行仿真，得到图18.25所示的静态工作点结果，可以看出该电路下的晶体管的集电极电流为1.19mA，电流放大倍数β=175，和数据手册数据是吻合的。

图18.25 静态工作点分析结果

图18.26是该放大器的频率响应和时域波形。符合晶体管的特性，说明模型构建没有问题。

图18.26 共射放大电路的频率响应和时域波形

这一期主要介绍了晶体三极管的PSpice模型以及使用Model Editor工具提取参数的方法构建模型，并通过测试。