大多數(shù)電路仿真都涉及晶體管，無論是作為分立元件還是在集成電路中。因此，了解 Spice 如何對晶體管建模的一些基礎(chǔ)知識很有用。

晶體管可能有多種狀態(tài)，通常是飽和、截止、有效和反向。晶體管具有由直流偏置定義的工作點(diǎn)或靜態(tài)點(diǎn)。只要工作點(diǎn)落在特定的工作區(qū)域內(nèi)，晶體管就會按照該特定狀態(tài)中定義的方式執(zhí)行。但如果工作點(diǎn)跨入另一個區(qū)域，晶體管的操作就會發(fā)生變化。

開發(fā)晶體管模型是為了定義這些區(qū)域的范圍，并選擇可以維持操作的最佳或最優(yōu)工作點(diǎn)或靜態(tài) (Q) 點(diǎn)。

通常，晶體管模型有兩類。大信號模型用于根據(jù)晶體管的配置確定其直流偏置。例如，雙極結(jié)型晶體管 (BJT) 具有三種共模配置：

在共發(fā)射極中，直流電流從集電極流向發(fā)射極，從基極流向發(fā)射極。交流信號施加到基極，并從集電極獲取輸出。在共基極電路中，直流電流從集電極流向發(fā)射極，再從集電極流向基極。交流信號輸入施加到發(fā)射極，輸出從集電極獲取。在共集電極電路中，直流電流從基極流向集電極，再從集電極流向發(fā)射極。交流信號輸入施加到基極，輸出從發(fā)射極獲取。

共發(fā)射極是三種基本配置中最常用的。一個重要的特性是它使輸出相對于輸入反相，如果反相級的數(shù)量為偶數(shù)，則這種效應(yīng)就會被消除。

共發(fā)射極電路存在兩個常見問題，這兩個問題都可以通過適當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計來緩解。一個困難在于，在共發(fā)射極配置中，放大器可能具有高增益，但由于制造變化、溫度和偏置電流，該增益往往是不可預(yù)測的。自動增益可以處理這些變化，但隨之而來的是，共發(fā)射極配置中的晶體管可能會進(jìn)入截止或振蕩狀態(tài)，并且輸出可能會出現(xiàn)削波。

其他困難包括低輸入動態(tài)范圍和高失真。然而，這些問題可以通過發(fā)射極退化來解決，發(fā)射極退化是通過在發(fā)射極和公共信號源之間放置一個電阻來實現(xiàn)的，該電阻通常接地或連接到電源軌之一。 (通常的做法是通過減少增益來增強(qiáng)穩(wěn)定性。)

由于米勒效應(yīng)，共發(fā)射極放大器通常表現(xiàn)出低帶寬，這適用于反相放大器。任何寄生基極-集電極電容都會顯示為基極和接地之間的較高電容。米勒效應(yīng)也可以通過發(fā)射極簡并來最小化。另一個策略是降低連接到底座的信號源的輸出阻抗。

普通發(fā)射器經(jīng)常用作無線電通信中的低噪聲放大器，例如電視和互聯(lián)網(wǎng)接入衛(wèi)星天線、醫(yī)療儀器和電子測試設(shè)備，這些設(shè)備通常必須在接近本底噪聲的條件下運(yùn)行。

公共集電極 配置也稱為射極跟隨器。它通常用作電壓緩沖器。這里，基極連接到輸入，發(fā)射極通過接地或連接到電源軌之一來連接到輸出。

射極跟隨器標(biāo)簽來自這樣一個事實：電路的輸出來自射極電阻。因此，該器件的常見應(yīng)用是用作阻抗匹配電路，因為其輸入阻抗高于其輸出阻抗。它與邏輯門一起廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路中。

由于射極跟隨器電壓增益大約比基極低 0.6V，因此共集電極晶體管被視為射極跟隨器。它用于電流增益和阻抗匹配，而不是傳統(tǒng)的電壓增益。與共發(fā)射極電路一樣，輸入阻抗明顯超過輸出阻抗。

共基極 配置經(jīng)常用作電流緩沖器或電壓放大器。電路輸入饋送到發(fā)射極端子，集電極是輸出。由于基極接地，因此輸入輸出共用。與其他兩種配置相比，共基極配置的使用頻率較低，因為它具有低輸入阻抗和高輸出阻抗，而這通常是不希望的。然而，它出現(xiàn)在高頻應(yīng)用中，因為基極將輸入和輸出分開，從而最大限度地減少了振蕩。

在共基極配置中，發(fā)射極和集電極之間沒有反相，因此輸入和輸出波形同相，并且放大器是非反相的。共基極放大器應(yīng)用有限的原因之一是其低輸入阻抗。共基極輸出可以很高，因此被稱為電流緩沖器或電流跟隨器。通常，共基極放大器的電流增益 (alpha) 接近 1。然而，電壓增益可以在 100 到 2,000 之間。這一切都取決于偏置電阻。

一旦確定了大信號模型，就使用小信號模型。當(dāng)向晶體管施加小信號時，它會根據(jù)所施加信號的幅度使工作點(diǎn)沿著 IV 特性曲線遠(yuǎn)離偏置點(diǎn)。電路通常被設(shè)置為使得與直流工作點(diǎn)的偏差使晶體管改變其工作模式，例如從有源區(qū)域進(jìn)入截止區(qū)域。

小信號模型通常是雙端口結(jié)構(gòu)，通常包含 H 參數(shù)、混合 pi 模型或 T 模型。 H(或混合)參數(shù)使用Z(或阻抗/開路)參數(shù)、Y(導(dǎo)納/短路)參數(shù)、電壓比和電流比來表示二端口網(wǎng)絡(luò)中電壓和電流之間的關(guān)系。 H 參數(shù)有助于描述難以測量 Z 或 Y 參數(shù)的電路(例如晶體管)的輸入輸出質(zhì)量。 Hybrid-pi(也稱為 Giacoletto)模型表示使用小信號基極-發(fā)射極電壓和集電極-發(fā)射極電壓作為自變量以及小信號基極電流和集電極電流作為因變量的 BJT。 T 或傳輸模型使用與混合 pi 模型類似的關(guān)系，但通常排列不同。通過使用矩陣代數(shù)運(yùn)算，將一種類型參數(shù)轉(zhuǎn)換為另一種類型參數(shù)通常很簡單。

包含寄生元件的典型功率 MOSFET 模型。電感通常由封裝的引線鍵合產(chǎn)生。寄生電容通常是由于半導(dǎo)體本身的幾何特征造成的。晶體管的大信號和小信號分析都需要選擇模型，指定已知值或固定值，并用數(shù)學(xué)方法求解未知參數(shù)的方程。然而，現(xiàn)代電路通常以足夠高的速度運(yùn)行，因此需要留出寄生電路元件的余量。正確的 Spice 程序可以通過包括內(nèi)部電容、電阻、增益變化等來提高晶體管模型的準(zhǔn)確性。

但問題是，寄生元件可能沒有被很好地定義，特別是對于最先進(jìn)的晶體管，如 GaN 或 SiC 功率器件，更特別是在高速開關(guān)時。例如，功率器件中的寄生電感通常主要是由半導(dǎo)體本身及其封裝之間的引線鍵合造成的。設(shè)備制造商繼續(xù)嘗試封裝選項以減少此類寄生效應(yīng)，但由于這項工作仍在進(jìn)行中，Spice 中的寄生模型可能無法反映實際設(shè)備中看到的值。因此，可能需要進(jìn)行大量的實驗才能準(zhǔn)確表征現(xiàn)代半導(dǎo)體的寄生效應(yīng)。