20.2. Нелинейная модель полупроводникового диода

Программный модульPspice A/D системы OrCAD использует нелинейную модель диода, которая точно описывает работу диода как по постоянному току, так и по переменному току в режиме малого и большого сигнала. Эквивалентная схема, соответствующая этой модели, изображена на рис. 1.4. Ток диода I определяется напряжением, приложенным к переходу U, и описывается выражением

, (20.8)

где n – коэффициент неидеальности ВАХ;  – обратный ток пробоя.

Обратный ток пробоя определяется формулой

(20.9)

где – напряжение пробоя; – ток насыщения пробоя, E – параметр степенного закона тока пробоя.

Емкость перехода представляет собой сумму барьерной и диффузионной емкостей:

. (20.10)

Зависимость барьерной емкости (обусловленной наличием обедненного слоя диода) от напряжения на переходе – вольт-фарадная характеристика (ВФХ) – описывается выражением

(20.11)

где – контактная разность потенциаловp-n-перехода; C₀ – максимальное значение барьерной емкости (при );  – коэффициент, зависящий от распределения концентрации легирующей примеси в переходе (для резкого перехода =1/2, для плавного перехода =1/3). В (1.11) присутствует модуль напряжения на переходе, поскольку барьерная емкость зависит от обратного напряжения .

Диффузионная емкость, отражающая процессы накопления носителей заряда в p- и n-областях диода, определяется по формуле

, (20.12)

где t_пр – время пролета носителей заряда через диод или время жизни неосновных носителей заряда в базе диода. Базой называется менее легированная из двух областей полупроводниковой структуры диода.

В табл. 12.15 данного практикума приведена полная система параметров модели диода, используемая программным модулем Pspice A/D пакета OrCAD. Параметры модели разбиты на группы, каждая из групп параметров отражает то или иное свойство или характеристику диода: параметры, описывающие статический режим работы, т.е. ВАХ диода; параметры, описывающие динамический режим работы, т.е. его емкостные свойства, определяющие длительность переходных процессов; параметры, описывающие влияние температуры. В зависимости от типа диода по функциональному назначению или от точности, предъявляемой к результатам моделирования, ряд параметров может не использоваться, им присваиваются значения по умолчанию. При моделировании выпрямительного диода необходимо иметь параметры, описывающие прямую ветвь ВАХ и его емкостные свойства. При моделировании стабилитрона необходимо знать параметры, описывающие как прямую ветвь ВАХ, так и обратную – участок пробоя, который является в данном случае рабочим участком. При моделировании варактора необходимо знать как параметры ВАХ, так и параметры, описывающие его барьерную емкость.

Важной задачей, которую должен уметь решать разработчик аппаратуры, использующий пакет OrCAD, является алгоритм определения параметров модели прибора по его справочным данным, поскольку в его собственных библиотеках математических моделей диодов имеются модели не для всей номенклатуры приборов.