Объединяя усилия для развития SPICE-моделирования в России

SPICE-моделирование: автоматическая параметризация полупроводниковых структур и приборов с применением российских Тестеров FORMULA^®

10 февраля состоялся Круглый стол «Spice-модели электронной компонентной базы» под эгидой Технического Комитета Росстандарта ТК-165 «САПР электроники», ФГУП ВНИИА им.Духова, ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ (ИЯРФ) и ВлГУ им. братьев Столетовых.

От компании ФОРМ представлен доклад:

«Применение российских Тестеров FORMULA^® TT3 и FORMULA^® SD для снятия ВАХ, ВФХ и динамических характеристик полупроводниковых приборов для систем экстракции параметров SPICE-моделей».

Сегодня всем известны Тестеры полупроводников семейства FORMULA^® TT, которые разрабатывает, производит и поставляет компания ФОРМ. Тестеры используются для нужд метрологического обеспечения функциональных испытаний полупроводниковых приборов и применяются Потребителями на всех стадиях жизненного цикла изделий. Изучая потребности отрасли, мы регулярно создаем новые опции, конфигурации и модели Тестеров FORMULA^® TT, которые позволяют расширять как номенклатуру контролируемых изделий так и состав измеряемых показателей назначения.

Например, модель FORMULA^® TT3 охватывает не только электрические статические характеристики полупроводников, но и зарядовые, емкостные и энергетические параметры. А в новейший модульный Тестер FORMULA^® SD впервые открывает возможность измерений еще и динамических (временных) параметров транзисторов и диодов.

Область применения Тестеров раньше охватывала только натурные испытания полупроводников при их разработке, производстве, сертификации и входном контроле. Однако в последние 5-7 лет все более актуальной становится тема развития и использования Тестеров как современного инструментария для автоматизированного формирования данных, используемых для создания SPICE-моделей полупроводниковых структур и полупроводниковых приборов.

Действительно, при формировании массивов характеристик полупроводниковых приборов и структур, необходимых для экстракции SPICE-параметров, преимущества применения Тестеров FORMULA^® TT3 и FORMULA^® SD очевидны, это:

• Полная автоматизация снятия массивов данных,
• Представление данных в форматах, пригодных для непосредственной загрузки в системы параметрической экстракции SPICE-моделей (Keysight IC-CAP и др.),
• Подтвержденная метрологическая состоятельность данных.

Обладатели Тестеров FORMULA^® TT3 уже сейчас имеют в своих руках следующие возможности параметризации полупроводников:

1) Режим ВАХ для извлечения массивов данных вольт-амперных характеристик.

Рис. 1. FORMULA^® TT3: Осциллограмма вольт-амперных характеристик полевого транзистора IRF540 в диапазоне напряжений сток-исток от 10 до 200мВ.

2) Режим ВФХ для извлечения массивов данных данных вольт-фарадных характеристик.

Рис. 2. FORMULA^® TT3: сводный график зависимости входной ёмкости Свх от частоты сигнала и напряжения на стоке-истоке Uc-и полевого транзистора КПЕ 218В.

3) Режим снятия массивов данных при экстракции зарядовых характеристик полевых транзисторов

Рис. 3. FORMULA^® TT3: Осциллограмма напряжений стока и затвора от времени при экстракции зарядовых характеристик полевого транзистора IRF540.

Уже этих данных достаточно для создания компактных квазистационарных SPICE-моделей транзисторов и диодов. И это подтверждается успешными результатами, которые ученые ВШЭ получили с использованием Тестера FORMULA^® TT3 с соответствующими программными опциями.

При необходимости усовершенствования SPICE-моделей и перехода от компактных моделей к физически более обоснованным потребуются дополнительные массивы данных, обеспечивающие согласованный учет распределения зарядов в приборе и их временное перераспределение. Только так можно обеспечить адекватное описание динамических характеристик устройства — его временных задержек, фронтов нарастания и спада, а также общего времени переключения.

Путь к дальнейшей эволюции SPICE-моделей открывает новейшая разработка компании ФОРМ, Тестер FORMULA^® SD, в котором реализована принципиально новая возможность — формирование массивов данных, отражающих временные характеристики полупроводников:

1. Время задержки, нарастания, спада, включения и выключения полевых транзисторов и IGBT в диапазоне от 5 до 100 нс, в зависимости от напряжения на стоке/коллекторе, истоке/эмиттере в диапазоне от 5 до 800 В при напряжении на затворе до 35 В.
2. Время обратного восстановления диода в диапазоне от 5 до 100 нс при напряжении между анодом и катодом в диапазоне от 5 до 800 В.

Пример: Режим снятия массивов данных на Тестере FORMULA^® SD при измерении временных параметров полевых транзисторов.

Рис. 4. FORMULA^® SD: Осциллограмма напряжений стока-истока Ud, затвора Ug при измерении временных параметров полевого транзистора IRF540.

Добавление к массивам данных ВАХ/ВФХ еще и «динамических» массивов данных, полученных при изменении напряжений на стоке, истоке, коллекторе, эмиттере, позволяет выполнить донастройку SPICE-моделей, превращая их из квазистационарных в максимально приближенные к реальной характеризации зарядовых эффектов и переходных процессов в транзисторах и диодах.

Поскольку в определенных методах измерений FORMULA^® SD обеспечивает расширенный, по сравнению с FORMULA^® TT3, диапазон воспроизведения и измерения напряжений и токов — вплоть до 4 кВ и до 300 А, номенклатура исследуемых полупроводниковых структур и приборов еще больше расширяется, задавая импульс к созданию их моделей, применительно к указанным методам.

Таким образом, Тестеры полупроводниковых приборов FORMULA^® TT3 и FORMULA^® SD могут быть полезно использованы как высокоавтоматизированный инструмент сервиса по построению динамически валидированных SPICE-моделей силовых приборов (MOSFET, IGBT, диодов), а также для моделирования ключевых режимов конкретных схемотехнических приложений.

Перспективы таких применений имеют очевидное прикладное значение в процессах разработки новой техники и ускорении ее выпуска на рынок за счет сокращения объема натурных испытаний.

Чтобы перейти к решению подобных кастомизированных задач, и существенно расширить область применения Тестеров FORMULA^®, компания ФОРМ работает над связкой:

Тестер FORMULA — файлы массивов данных — IC CAP — SPICE-параметры

Приглашаем вас ознакомиться лично, как работает наше оборудование!

Встречаемся 5 марта 2026 в Сколково на Семинаре ФОРМ.