前言

仿真軟件的使用大大縮短了電路設(shè)計的周期，而在大部分軟件所提供的元件庫中，仿真元件都是以其SPICE模型的參數(shù)作為基礎(chǔ)的。因此，電路設(shè)計者在選擇元器件進(jìn)行電路設(shè)計仿真時往往面臨諸如對元件的SPICE模型參數(shù)物理意義不了解及難于將公司提供的該芯片的數(shù)據(jù)資料中的物理量與其SPICE模型參數(shù)相對應(yīng)等一系列問題。對此，文中給予了相應(yīng)的解釋和說明。

一．二極管的SPICE模型參數(shù)

二極管分為靜態(tài)模型參數(shù)和動態(tài)模型參數(shù)兩種。其中作為已知參數(shù)，可以直接由工藝過程或器件材料決定的有禁帶寬度EG，飽和電流溫度指數(shù)XTI，閃爍噪聲系數(shù)KF和閃爍噪聲系數(shù)AF。靜態(tài)模型是通過I~V曲線來反映的，參數(shù)主要有反向飽和電流IS，反向擊穿電壓BV，發(fā)射系數(shù)N，反向擊穿電流IBV，梯度系數(shù)M，內(nèi)建電勢VJ和串聯(lián)電阻RS。動態(tài)模型是通過C~V曲線體現(xiàn)的，參數(shù)主要有零偏結(jié)電容CJ0，渡越時間TT。元件測量溫度TNOM，XTI，EG則反映了飽和電流隨溫度變化的特性。根據(jù)不同種類二極管的應(yīng)用，應(yīng)對這些SPICE參數(shù)值進(jìn)行有針對性的選取。

1.1 反映二極管靜態(tài)特性的SPICE參數(shù)

1.1.1 （反向）飽和電流IS 單位(A)

考慮理想情況下變?nèi)荻O管的I~V特性,關(guān)系如下[1]：

(1)

其中, VT為半導(dǎo)體熱電勢,表達(dá)為: 。V為外加偏壓,q為電子電荷，K為波爾茲曼常數(shù),T為絕對溫度。當(dāng)外加反偏壓的絕對值足夠大時，I值約等于SPICE參數(shù)中的反向飽和電流IS。由半導(dǎo)體基本理論推出[1]：

(2)

A為勢壘區(qū)截面積，np0和p n0分別為載流子產(chǎn)生與復(fù)合率相等情況下P區(qū)的單位體積的少子電子數(shù)和N區(qū)的少子空穴數(shù)（少子濃度），Ln和Lp分別為少子電子和少子空穴的擴散長度，和為空穴和電子壽命。

1.1.2 發(fā)射系數(shù)N

考慮非理想情況下少數(shù)載流子在穿越勢壘區(qū)時的復(fù)合,(1)式被修正為:

(3)

其中N為用來反映勢壘區(qū)復(fù)合程度的發(fā)射系數(shù)，其取值范圍為[1，2]。

1.1.3 VJ：內(nèi)建電勢（V）

二極管的內(nèi)建電勢VJ是由平衡PN結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)的內(nèi)建電場引起的，它是由圖1. 二極管的I/V特性半導(dǎo)體的材料決定的。它是N區(qū)和P區(qū)間存在的電勢差，定義如下[1]：

(4)

其中，和分別代表P區(qū)的空穴濃度和N區(qū)的電子濃度，電子(空穴)從N(P)區(qū)到P(N)區(qū)必須克服勢壘。由（5）式可知，本征載流子濃度越小，則VJ越大。由于禁帶寬度EG影響著電子從價帶底躍遷到導(dǎo)帶頂?shù)碾y易，從而決定了本征載流子濃度ni，因此，根據(jù)（5）還可推出在特定溫度下，以下三種常用材料的VJ大小關(guān)系為：GaAs>Si>Ge。

1.1.4 IBV反向擊穿電流（A）與BV反向擊穿電壓（V）

當(dāng)外加反向偏壓增至某值時，反向電流會迅速增加。發(fā)生擊穿存在兩種可能性，一種是由勢壘區(qū)在高電場下共價鍵斷裂產(chǎn)生的大量電子引起的齊納擊穿。另一種是因少子渡越P-N結(jié)空間電荷區(qū)時,受其電場加速獲得足夠大的動能以轟擊晶格中的束縛電荷,電離出電子空穴對,引發(fā)連鎖撞擊導(dǎo)致雪崩擊穿。I~V反向曲線上的反向擊穿電流IBV參數(shù)的值是由半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家確定的，對應(yīng)該值的電壓被定為反向擊穿電壓BV。分析可知，當(dāng)二極管的禁帶寬度EG

越窄，雜質(zhì)濃度越高，反向擊穿現(xiàn)象越容易發(fā)生。

1.1.5 RS：串聯(lián)電阻（Ω）

在不考慮襯底的情況下，二極管的串聯(lián)電阻主要由PN結(jié)兩側(cè)中性區(qū)和金屬引線間的歐姆接觸電阻和P區(qū),N區(qū)的等效電阻組成，在高頻情況下，還包含趨膚電阻。串聯(lián)電阻降低了施加于PN結(jié)上的分壓,從而導(dǎo)致了I~V曲線斜率的降低。此外，RS還會對二極管的品質(zhì)因素Q 和截止頻率造成影響。

1.2 反映二極管動態(tài)特性的SPICE參數(shù)