ट्रांजिस्टर मॉडल

ट्रांजिस्टर जटिल व्यवहार के साथ सरल उपकरण हैं। ट्रांजिस्टर नियोजित सर्किटों के विश्वसनीय संचालन को सुनिश्चित करने के लिए, ट्रांजिस्टर मॉडल का उपयोग करके उनके संचालन में देखी गई भौतिक घटनाओं को वैज्ञानिक रूप से मॉडल करना आवश्यक है। जटिलता और उद्देश्य में विभिन्न प्रकार के विभिन्न मॉडल मौजूद हैं। ट्रांजिस्टर मॉडल दो प्रमुख समूहों में विभाजित होते हैं: उपकरण डिजाइन के लिए मॉडल और सर्किट डिजाइन के लिए मॉडल।

डिवाइस डिजाइन के लिए मॉडल

आधुनिक ट्रांजिस्टर में एक आंतरिक संरचना है जो जटिल भौतिक तंत्र का शोषण करती है। डिवाइस डिज़ाइन के लिए एक विस्तृत समझ की आवश्यकता होती है कि डिवाइस निर्माण प्रक्रिया जैसे आयन इम्प्लांटेशन, अशुद्धता प्रसार, ऑक्साइड वृद्धि, एनीलिंग और नक़्क़ाशी डिवाइस व्यवहार को कैसे प्रभावित करती है। प्रक्रिया मॉडल निर्माण के चरणों का अनुकरण करते हैं और डिवाइस सिम्युलेटर को डिवाइस "ज्यामिति" का सूक्ष्म विवरण प्रदान करते हैं। "ज्यामिति" का अर्थ यह नहीं है कि आसानी से पहचानी गई ज्यामितीय विशेषताएं जैसे कि एक प्लानर या रैप-अराउंड गेट संरचना, या स्रोत और नाली के उभरे हुए या पुनरावर्ती रूप (एक हिमस्खलन प्रक्रिया द्वारा फ्लोटिंग गेट को चार्ज करने से संबंधित कुछ असामान्य मॉडलिंग चुनौतियों के साथ मेमोरी डिवाइस के लिए चित्र 1 देखें)। यह संरचना के अंदर के विवरण को भी संदर्भित करता है, जैसे कि डिवाइस प्रसंस्करण के पूरा होने के बाद डोपिंग प्रोफाइल।

चित्र 1: फ्लोटिंग-गेट हिमस्खलन इंजेक्शन मेमोरी डिवाइस फैमोस

डिवाइस कैसा दिखता है, इस बारे में इस जानकारी के साथ, डिवाइस सिम्युलेटर विभिन्न परिस्थितियों में इसके विद्युत व्यवहार को निर्धारित करने के लिए डिवाइस में होने वाली भौतिक प्रक्रियाओं को मॉडल करता है: डीसी करंट-वोल्टेज व्यवहार, क्षणिक व्यवहार (बड़े-सिग्नल और छोटे-सिग्नल दोनों), डिवाइस लेआउट पर निर्भरता (लंबे और संकीर्ण बनाम छोटे और चौड़े, या इंटरडिजिटेड बनाम आयताकार, या अन्य उपकरणों के लिए अलग-थलग बनाम समीपस्थ)। ये सिमुलेशन डिवाइस डिजाइनर को बताते हैं कि क्या डिवाइस प्रक्रिया सर्किट डिजाइनर द्वारा आवश्यक विद्युत व्यवहार वाले उपकरणों का उत्पादन करेगी, और किसी भी आवश्यक प्रक्रिया सुधार के बारे में प्रक्रिया डिजाइनर को सूचित करने के लिए उपयोग किया जाता है। एक बार जब प्रक्रिया निर्माण के करीब पहुंच जाती है, तो यह जांचने के लिए परीक्षण उपकरणों पर माप के साथ अनुमानित डिवाइस विशेषताओं की तुलना की जाती है कि प्रक्रिया और डिवाइस मॉडल पर्याप्त रूप से काम कर रहे हैं।

हालांकि बहुत पहले इस तरह से तैयार किया गया डिवाइस व्यवहार बहुत सरल था - मुख्य रूप से सरल ज्यामिति में बहाव प्लस प्रसार - आज कई और प्रक्रियाओं को सूक्ष्म स्तर पर मॉडलिंग किया जाना चाहिए; उदाहरण के लिए, जंक्शनों और ऑक्साइडों में रिसाव धाराएं, वेग संतृप्ति और बैलिस्टिक परिवहन सहित वाहकों का जटिल परिवहन, क्वांटम यांत्रिक प्रभाव, कई सामग्रियों का उपयोग (उदाहरण के लिए, Si-SiGe उपकरण, और विभिन्न डाइलेक्ट्रिक्स के ढेर) और यहां तक ​​कि डिवाइस के अंदर आयन प्लेसमेंट और वाहक परिवहन की संभाव्य प्रकृति के कारण सांख्यिकीय प्रभाव। साल में कई बार तकनीक में बदलाव होता है और सिमुलेशन को दोहराया जाना होता है। नए भौतिक प्रभावों को प्रतिबिंबित करने के लिए, या अधिक सटीकता प्रदान करने के लिए मॉडल में बदलाव की आवश्यकता हो सकती है। इन मॉडलों का अनुरक्षण और सुधार अपने आप में एक व्यवसाय है।

ये मॉडल बहुत कंप्यूटर गहन हैं, जिसमें डिवाइस के अंदर त्रि-आयामी ग्रिड पर युग्मित आंशिक अंतर समीकरणों के विस्तृत स्थानिक और लौकिक समाधान शामिल हैं। ऐसे मॉडल चलने में धीमे होते हैं और सर्किट डिजाइन के लिए आवश्यक विवरण प्रदान नहीं करते हैं। इसलिए, सर्किट पैरामीटर की ओर उन्मुख तेज ट्रांजिस्टर मॉडल सर्किट डिजाइन के लिए उपयोग किए जाते हैं।

सर्किट डिजाइन के लिए मॉडल

ट्रांजिस्टर मॉडल का उपयोग लगभग सभी आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक डिजाइन के काम के लिए किया जाता है। एनालॉग सर्किट सिमुलेटर जैसे SPICE एक डिज़ाइन के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए मॉडल का उपयोग करते हैं। अधिकांश डिज़ाइन कार्य एकीकृत सर्किट डिज़ाइनों से संबंधित होते हैं जिनकी टूलिंग लागत बहुत अधिक होती है, मुख्य रूप से उपकरणों को बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले फोटोमास्क के लिए, और डिज़ाइन को बिना किसी पुनरावृत्ति के काम करने के लिए एक बड़ा आर्थिक प्रोत्साहन होता है। पूर्ण और सटीक मॉडल पहली बार काम करने के लिए बड़ी संख्या में डिज़ाइन की अनुमति देते हैं।

आधुनिक परिपथ आमतौर पर बहुत जटिल होते हैं। ऐसे सर्किटों के प्रदर्शन का सटीक कंप्यूटर मॉडल के बिना अनुमान लगाना मुश्किल है, जिसमें उपयोग किए गए उपकरणों के मॉडल शामिल हैं, लेकिन इन्हीं तक सीमित नहीं है। डिवाइस मॉडल में ट्रांजिस्टर लेआउट के प्रभाव शामिल हैं: चौड़ाई, लंबाई, इंटरडिजिटेशन, अन्य डिवाइसों से निकटता; क्षणिक और डीसी करंट-वोल्टेज विशेषताएँ; परजीवी डिवाइस समाई, प्रतिरोध और अधिष्ठापन; समय की देरी; और तापमान का प्रभाव कुछ वस्तुओं के नाम बताने के लिए।

लार्ज-सिग्नल अरैखिक मॉडल

अरेखीय, या बड़े सिग्नल ट्रांजिस्टर मॉडल तीन मुख्य प्रकारों में आते हैं:

भौतिक मॉडल

ये एक ट्रांजिस्टर के भीतर भौतिक घटनाओं के अनुमानित मॉडलिंग पर आधारित डिवाइस भौतिकी पर आधारित मॉडल हैं। इन मॉडलों के भीतर पैरामीटर भौतिक गुणों जैसे ऑक्साइड मोटाई, सब्सट्रेट डोपिंग सांद्रता, वाहक गतिशीलता आदि पर आधारित होते हैं। अतीत में इन मॉडलों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता था, लेकिन आधुनिक उपकरणों की जटिलता उन्हें मात्रात्मक डिजाइन के लिए अपर्याप्त बनाती है। फिर भी, वे हाथ विश्लेषण में एक स्थान पाते हैं (अर्थात, सर्किट डिजाइन के वैचारिक चरण में), उदाहरण के लिए, सिग्नल-स्विंग सीमाओं के सरलीकृत अनुमानों के लिए।

अनुभवजन्य मॉडल

इस प्रकार का मॉडल पूरी तरह से वक्र फिटिंग पर आधारित है, ट्रांजिस्टर ऑपरेशन के सिमुलेशन को सक्षम करने के लिए जो भी फ़ंक्शन और पैरामीटर मान सबसे उपयुक्त रूप से फिट मापा गया डेटा का उपयोग करते हैं। एक भौतिक मॉडल के विपरीत, एक अनुभवजन्य मॉडल में मापदंडों के लिए कोई मौलिक आधार नहीं होना चाहिए, और यह उन्हें खोजने के लिए उपयोग की जाने वाली फिटिंग प्रक्रिया पर निर्भर करेगा। फिटिंग प्रक्रिया इन मॉडलों की सफलता के लिए महत्वपूर्ण है यदि उनका उपयोग डेटा की सीमा के बाहर झूठ बोलने वाले डिज़ाइनों के लिए एक्सट्रपलेशन के लिए किया जाना है, जिसमें मॉडल मूल रूप से फिट किए गए थे। इस तरह के एक्सट्रपलेशन ऐसे मॉडलों की एक आशा है, लेकिन अभी तक पूरी तरह से साकार नहीं हुआ है।

छोटे-सिग्नल रैखिक मॉडल

सर्किट डिजाइन के वैचारिक चरणों में (कंप्यूटर सिमुलेशन से पहले वैकल्पिक डिजाइन विचारों के बीच निर्णय लेने के लिए) और कंप्यूटर का उपयोग करते हुए, स्थिरता, लाभ, शोर और बैंडविड्थ का मूल्यांकन करने के लिए लघु-संकेत या रैखिक मॉडल का उपयोग किया जाता है। एक पूर्वाग्रह बिंदु या क्यू-बिंदु के बारे में वर्तमान-वोल्टेज घटता के डेरिवेटिव लेकर एक छोटा-सिग्नल मॉडल उत्पन्न होता है। जब तक सिग्नल डिवाइस की गैर-रैखिकता के सापेक्ष छोटा होता है, तब तक डेरिवेटिव में काफी भिन्नता नहीं होती है, और इसे मानक रैखिक सर्किट तत्वों के रूप में माना जा सकता है। छोटे सिग्नल मॉडल का एक फायदा यह है कि उन्हें सीधे हल किया जा सकता है, जबकि बड़े सिग्नल नॉनलाइनियर मॉडल को आम तौर पर संभावित अभिसरण या स्थिरता मुद्दों के साथ पुनरावृत्त रूप से हल किया जाता है। एक रैखिक मॉडल के सरलीकरण से, रैखिक समीकरणों को हल करने के लिए पूरा उपकरण उपलब्ध हो जाता है, उदाहरण के लिए, एक साथ समीकरण, निर्धारक और मैट्रिक्स सिद्धांत (अक्सर रैखिक बीजगणित के भाग के रूप में अध्ययन किया जाता है), विशेष रूप से क्रैमर का नियम। एक अन्य लाभ यह है कि एक रैखिक मॉडल के बारे में सोचना आसान होता है, और विचार को व्यवस्थित करने में मदद करता है।

छोटे-सिग्नल पैरामीटर

एक ट्रांजिस्टर के पैरामीटर उसके विद्युत गुणों को दर्शाते हैं। इंजीनियर उत्पादन-पंक्ति परीक्षण और सर्किट डिजाइन में ट्रांजिस्टर मापदंडों का उपयोग करते हैं। सर्किट लाभ, इनपुट प्रतिबाधा और आउटपुट प्रतिबाधा की भविष्यवाणी करने के लिए पर्याप्त ट्रांजिस्टर के मापदंडों का एक समूह इसके छोटे-संकेत मॉडल में घटक हैं।

एक ट्रांजिस्टर के मॉडल के लिए कई अलग-अलग दो-पोर्ट नेटवर्क पैरामीटर सेट का उपयोग किया जा सकता है। इसमे शामिल है:

• संचरण पैरामीटर (टी-पैरामीटर),
• संकर-पैरामीटर (एच-पैरामीटर),
• प्रतिबाधा पैरामीटर्स (z-पैरामीटर),
• प्रवेश पैरामीटर (y-पैरामीटर), तथा
• स्कैटरिंग पैरामीटर्स (एस-पैरामीटर)।

स्कैटरिंग पैरामीटर, या एस पैरामीटर, एक ट्रांजिस्टर के लिए एक वेक्टर नेटवर्क विश्लेषक के साथ दिए गए पूर्वाग्रह बिंदु पर मापा जा सकता है। एस पैरामीटर को मानक मैट्रिक्स बीजगणित संचालन का उपयोग करके सेट किए गए किसी अन्य पैरामीटर में परिवर्तित किया जा सकता है।

लोकप्रिय मॉडल

• गुममेल-पून मॉडल
• एबर्स–मॉल मॉडल
• bsim3 (BSIM देखें)
• bsim4
• bsimsoi]
• EKV MOSFET मॉडल (EPFL पर इसकी वेब साइट भी देखें)
• psp
• hicum
• mextram
• हाइब्रिड-पीआई मॉडल
• एच-पैरामीटर मॉडल

यह भी देखें

• द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर#सिद्धांत और मॉडलिंग
• सुरक्षित संचालन क्षेत्र
• इलेक्ट्रॉनिक डिजाइन स्वचालन
• इलेक्ट्रॉनिक सर्किट अनुकरण
• अर्धचालक उपकरण मॉडलिंग

बाहरी संबंध

• Agilent EEsof EDA, IC-CAP Parameter Extraction and Device Modeling Software http://eesof.tm.agilent.com/products/iccap_main.html