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基于SPICE参数的二极管物理特性研究 作者： 荆玉珂 潘志浩 （上海大学通信与信息工程学院 上海 200072） 摘要：文章以结构最简单的二极管PN结作为研究对象，旨在对与仿真软件的元件库中各元件的SPICE模型参数相对应的物理量及数学表达式加以解释和说明，并就这些参数如何反映二极管的电气特性这一问题作了一定的分析。 关键词：二极管；PN结；SPICE模型参数 中图分类号：TN Research on the physical character of Diode based on SPICE Parameters Jing Yu ke, Pan Zhi hao （School of communication and information engineering of ShangHai University, ShangHai 200072） Abstract: With its simplest structure –PN junction, the diode has been studied in this paper as an example for making an explanation on the physical quantity and relevant mathematical expression corresponding with respective parameter of SPICE model in the library of simulation software. furthermore，certain analysis has been made on how the Electrical specification of diode is reflected by these parameters. Key words: diode, PN junction, the parameter of SPICE model 前言 IC芯片的广泛应用带来了电路设计功能的模块化，使设计出的电路更加简明美观。然而采用分裂元件能够增加设计的灵活性。设计者在电路设计实验过程中，阅读datasheet和SPICE模型参数时往往面临对SPICE参数反映哪个物理量，对应的数学表达式及这些参数与电气特性关系的不了解以及难于将它们与各公司的datasheet上的名称符号相对应等问题，针对这些问题，文中给予了相应的解释和说明。鉴于二极管在半导体器件中的结构最为简单，对二极管特性的研究能够为了解其他种类器件特性打下基础，文中将二极管作为分析对象。 二极管的SPICE模型参数 二极管的SPICE模型参数主要有15个，如下表1所示： 表1 二极管的SPICE 参数 类别 SPICE参数 名称 单位 方程式 I/V特性 IS （反向）饱和电流 A BV 反向击穿电压 V N 发射系数 -- RS 欧姆电阻 Ω IBV 反向击穿电流 A 电荷存储能力 VJ 内建电势 V CJ0 零偏结电容 F TT 渡越时间 sec M 梯度系数 -- FC 正偏耗尽层电容系数 -- 噪声因素 KF 闪烁噪声系数 -- AF 闪烁噪声指数 -- 温度特性 TNOM 参数测量温度 ℃ XTI 饱和电流温度指数 -- EG 禁带宽度 eV 2．二极管的I-V与动态特性 二极管的等效电路如图1所示，其中RS表示二极管的串联电阻，Qd为二极管的存储电荷，Id为模拟二极管的I-V特性的非线形电流源，V为除去串联电阻后施于二极管上的压降。PN结二极管中存储的电荷Qd可以分为两部分，一部分是结势垒上存储的电荷，等于势垒电容对PN结电压的积分；另一部分是注入的少数载流子电荷存储， 图1 二极管的等效电路模型 它正比于正向电流。 3．二极管SPICE参数的物理意义 首先，二极管的内建电势VJ是由PN结空间电荷区内的内建电场引起的。它是N区和P区间存在的电势差。平衡状态时VJ表示如下[1]： 其中，pp0和nn0分别代表P侧的平衡空穴浓度和N侧的平衡电子浓度，VT为半导体的热电势，n i为本征载流子浓度，电子(空穴)从N(P)区到P(N)区必须克服势垒q?VJ。由上式可知，本征载流子浓度越小，则VJ越大。 半导体二极管的电荷存储能力是通过C-V特性来反映的。PN结外加偏压发生变化时，随着结电场变化，耗尽层宽度发生改变。通过结的两个半边内空间电荷量随耗尽层宽度变化的正比关系，将势垒区电荷随外加偏压变化的关系等效看成一个电容，即势垒电容CT。定义为[1]： 其中，A为PN结面积，xm为空间电荷区总宽度。ε为介质