基于Matlab對(duì)Spice二極管特性受溫度影響的研究

摘要：為了對(duì)Spice程序下的二極管模型的伏安特性和等效電容受溫度變化的影響進(jìn)行研究，在此以軟件Matlab的仿真環(huán)境為基礎(chǔ)，Spice二極管物理模型D1N4002為研究對(duì)象，在仿真軟件Matlab中編寫程序代碼，建立了二極管模型D1N4002的伏安特性和等效電容的函數(shù)模型，繪制出不同溫度下二極管伏安特性和等效電容的曲線，并結(jié)合仿真曲線對(duì)由溫度變化產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，得出了溫度對(duì)二極管模型在反向擊穿和正向?qū)顟B(tài)下的伏安特性及等效電容有明顯的影響這一結(jié)論。該研究方法以一個(gè)新穎的視角，運(yùn)用Matlab構(gòu)造特性函數(shù)，以溫度為變量，研究了Spice二極管模型的特性，同時(shí)也為其他更加復(fù)雜的半導(dǎo)體器件特性的研究打下了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：Matlab；Spice；二極管；物理模型；溫度影響

0 引言
Spice是一種功能強(qiáng)大的通用模擬電路仿真器，是一個(gè)主要用于模擬集成電路的電路分析程序。在Spice程序中，有2種建立器件模型的方法，一種是建立器件物理原理基礎(chǔ)上的模型；另一種是根據(jù)輸入／輸出外特性來構(gòu)成的模型。Spice程序中的二極管物理模型就是建立在二極管的物理原理基礎(chǔ)上的模型，同時(shí)，二極管是半導(dǎo)體器件中結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單的，Spice程序中針對(duì)二級(jí)管共有14個(gè)模型參數(shù)，其中有不少模型參數(shù)是溫度的函數(shù)，文中以D1N4002二極管模型為對(duì)象，在軟件Matlab的仿真環(huán)境下，對(duì)溫度變化給Spice程序中二極管的物理模型的伏安特性和等效電容造成的影響進(jìn)行研究，同時(shí)也可以借助該研究方法來研究其他更加復(fù)雜的半導(dǎo)體器件的特性。

1 Spice程序中二極管物理模型的建立
在Spice程序中，二極管的物理模型簡(jiǎn)圖如圖1所示，其中Rs是二極管的材料電阻，稱為歐姆電阻；CD是由電荷存儲(chǔ)效應(yīng)而引起的等效電容；ID是非線性電流源。

非線性電流源ID與加在它兩端的電壓UD之間的關(guān)系如下：

式中：Is為飽和電流(單位：A)；q為電子電荷(1．062×10-19C)；K為波耳茲曼常數(shù)(1．38×10-23J／K)；T為熱力學(xué)溫度(單位：K)；n為發(fā)射系數(shù)(硅管1．2～2．0)；VB為反向擊穿電壓(單位：V)；IVB為反向擊穿時(shí)的電流(單位：A)。Spice程序在二極管的PN結(jié)上并了一個(gè)小電導(dǎo)Gmin，它的隱含值是10-12S，一般情況下Gmin的存在不會(huì)影響二極管的正常特性。
二極管的電荷存貯效應(yīng)包括兩部分，一部分是在PN結(jié)勢(shì)壘電容上存儲(chǔ)的電荷，它等于勢(shì)壘電容對(duì)PN結(jié)電壓的積分；另一部分是注入少數(shù)載流子形成的電荷存儲(chǔ)，它和正向電流成正比?？偟碾姾纱鎯?chǔ)量QD為：

式中：τD為少數(shù)載流子的渡越時(shí)間；Cjo為零偏置時(shí)PN結(jié)的耗盡層電容；φD為PN結(jié)自建勢(shì)，對(duì)結(jié)型二極管的典型值是0．7～0．8 V；FC為正偏耗盡電容公式的系數(shù)，典型值是0．5。
二極管等效電容CD是由2部分組成的：一個(gè)是少數(shù)載流子注入的電荷存儲(chǔ)產(chǎn)生的擴(kuò)散電容Cs，另一個(gè)是由PN結(jié)耗盡層電荷存儲(chǔ)產(chǎn)生的耗盡電容Cd，即：