Особенности реализации модели диода в aim-Spice

Используемая в СМ AIM-Spice модель диода имеет параметры, близкие к параметрам моделей диода, используемых в других версиях программы SPICE (например, PSpice). Однако, в отличие от них, версия AIM-Spice поддерживает два варианта моделей диода: Level 1 (рассмотренная в данном разделе модель для обычного диода) и Level 2 (модель диода на базе гетероперехода). Последняя модель поддерживается только программой AIM-Spice. В силу сложности физических процессов, лежащих в ее основе, ее параметры будут рассмотрены позднее.

Тип используемой модели входит в число параметров Spice-модели диода и задается в виде спецификации LEVEL = X, где X – номер модели. По умолчанию в программе используется вариант Level 1, поэтому при моделировании простого диода этот параметр можно не указывать.

Для имитации влияния неидеальных эффектов на ВАХ реального диода (рис. 1) используются следующие параметры SPICE-модели диода:

IS = 192,1p; N = l; XTI = 3; EG = l,l; CJO = 893,8f; M = 98,29m; VJ = 0,75; FC = 0,5; BV = 5; IBV = 10u; NR = 2; ISR = 16,91n; RS = 0,l; IKF = le-2, которые аналогичны параметрам диода, приведенным далее разделе «Пример 1. Моделирование простого стабилизатора напряжения».

Примечание.

Назначение и физический смысл ряда приведенных здесь параметров Spice модели диода рассматриваются ниже.

Рис.1. SPICE-модель диода с p–n-переходом

Здесь генератор тока представляет диффузионный ток идеального p-n-перехода с набором соответствующих ему параметров – тока насыщения IS и коффициента неидеальности N под знаком экспоненты:

. (1)

Здесь V_di – напряжение, падающее на внутреннем диоде (собственно на области пространственного заряда).

ПРИМЕЧАНИЕ

В данной лекции все SPICE-параметры выделены жирным шрифтом.

Коэффициент K_Hl введен для учета эффектов высокого уровня инжекции. Используемое для его расчета выражение позволяет выделить два режима работы диода, соответствующие низкому и высокому уровням инжекции:

– для IKF > 0; – в другом случае, (2)

где IKF – SPICE-параметр диода, определяющий ток, соответствующий переходу в режим высокого уровня инжекции.

Для расчета генерационно-рекомбинационной составляющей тока диода I_GR здесь использовано выражение (3):

, (3)

где ISR и NR – ток насыщения и коэффициент неидеальности для генерационно-рекомбинационного тока, соответственно;

VJ – контактная разность потенциалов перехода.

Отметьтим, что члены в первых квадратных скобках используются для масштабирования ширины обедненной области с потенциалом V_di для произвольного профиля распределения примеси, задаваемого с помощью коэффициента M (для резкого перехода его величина равна ½, для линейного – ⅓). Константа, равная 0,001, введена для решения в программе SPICE проблемы сходимости при численном решении системы уравнений.

Ток пробоя I_B моделируется с помощью выражения (4):

, (4)

где IBV – ток начала «излома» ВАХ диода в области пробоя;

BV – напряжение пробоя.

Емкость диода C включает в себя две составляющие – барьерную емкость C_d и диффузионную емкость C_dif.

В программе SPICE барьерная емкость вычисляется с помощью выражения (5), представляющего обобщенный вариант выражения для барьерной емкости. Первая часть этой формулы дает аппроксимацию нелинейной зависимости емкости от напряжения для произвольного профиля распределения примеси (с помощью коэффициента M) в области обратных и небольших прямых смещений. Вторая часть предназначена для моделирования барьерной емкости в области больших прямых напряжений (когда V_di > FC·VJ, где FC так называемый коэффициент барьерной емкости при прямом смещении). Скорректированное выражение для барьерной емкости в области больших прямых смещений предназначено для устранения проблем сходимости численных методов при использовании стандартного выражения для расчета C_d.. Это связанно с неконтролируемым ростом С_d при приближении напряжения на внутреннем диоде V_di к величине контактной разности потенциалов VJ:

– при Vdi  FC · VJ; (5) – при Vdi  FC · VJ.

Здесь CJO – барьерная емкость при нулевом смещении на p–n-переходе.

Диффузионная емкость C_dif. определяется с помощью выражения (6):

, (6)

где TT – параметр, называемый временем пролета (t_TT);

G_d – дифференциальная проводимость перехода;

I – постоянный ток диода, определяемый с помощью выражений (1) ÷ (3).

Дополнительно к перечисленным здесь параметрам SPICE-модель диода включает также шумовые параметры p–n-перехода. Полная модель позволяет также моделировать температурные зависимости некоторых ее параметров.