基于Matlab對Spice二極管特性受溫度影響的研究

摘要：為了對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行研究，在此以軟件Matlab的仿真環境為基礎，Spice二極管物理模型D1N4002為研究對象，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，并結合仿真曲線對由溫度變化產生的影響進行分析，得出了溫度對二極管模型在反向擊穿和正向導通狀態下的伏安特性及等效電容有明顯的影響這一結論。該研究方法以一個新穎的視角，運用Matlab構造特性函數，以溫度為變量，研究了Spice二極管模型的特性，同時也為其他更加復雜的半導體器件特性的研究打下了基礎。
關鍵詞：Matlab；Spice；二極管；物理模型；溫度影響

0 引言
Spice是一種功能強大的通用模擬電路仿真器，是一個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上的模型；另一種是根據輸入／輸出外特性來構成的模型。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上的模型，同時，二極管是半導體器件中結構最為簡單的，Spice程序中針對二級管共有14個模型參數，其中有不少模型參數是溫度的函數，文中以D1N4002二極管模型為對象，在軟件Matlab的仿真環境下，對溫度變化給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行研究，同時也可以借助該研究方法來研究其他更加復雜的半導體器件的特性。

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是由電荷存儲效應而引起的等效電容；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(1．38×10-23J／K)；T為熱力學溫度(單位：K)；n為發射系數(硅管1．2～2．0)；VB為反向擊穿電壓(單位：V)；IVB為反向擊穿時的電流(單位：A)。Spice程序在二極管的PN結上并了一個小電導Gmin，它的隱含值是10-12S，一般情況下Gmin的存在不會影響二極管的正常特性。
二極管的電荷存貯效應包括兩部分，一部分是在PN結勢壘電容上存儲的電荷，它等于勢壘電容對PN結電壓的積分；另一部分是注入少數載流子形成的電荷存儲，它和正向電流成正比。總的電荷存儲量QD為：

式中：τD為少數載流子的渡越時間；Cjo為零偏置時PN結的耗盡層電容；φD為PN結自建勢，對結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，典型值是0．5。
二極管等效電容CD是由2部分組成的：一個是少數載流子注入的電荷存儲產生的擴散電容Cs，另一個是由PN結耗盡層電荷存儲產生的耗盡電容Cd，即：