基于SPICE参数的二极管物理特性研究.doc

1、基于SPICE参数的二极管物理特性研究 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：TNResearch on the physical character of Diode based on SPICE ParametersJing Yu ke, Pan Zhi hao（School of communication and information engineering of

2、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

3、 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

4、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。1. 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ABV反向击穿电压VN发射系数-RS欧姆电阻IBV反向击穿电流A电荷存储能力VJ内建电势VCJ0零偏结

5、电容FTT 渡越时间secM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eV2二极管的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

6、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qVJ。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

7、荷区总宽度。为介质介电常数，0为真空介电常数（8.85e-14F/cm）NA为净受主杂质浓度，ND为净施主杂质浓度。在耗尽层近似情况下，PN结杂质浓度分布分为突变结，线性缓变结和扩散结三种基本类型，可用如下形式表示1：其中B为系数，m为杂质的分布指数。x的取值范围为（0，xm）。对于变容二极管而言，利用泊松方程，势垒电容CT又可表示为2 ：令电容梯度系数M=1/(m+2)，则二极管的零偏结电容如表1中所示。且有： 其中CJ0为零偏置时结电容，M在datasheet上通常用来表示，它反映了不同的杂质分布对电容电压变化特性的影响。由（4）可知，当M=1/2时，PN结中杂质浓度均匀分布，表现出缓变结

8、的C-V特性。当M=1/3时，杂质浓度线性分布，对应的PN结为线性缓变结。一般将M=1/3的PN结称为超缓变结，将M1/2的称为超突变结。）为便于说明问题，在不考虑注入的少数载流子电荷存储这部分的情况下，由（5）式，正向偏压作用下的PN结C-V特性曲线大体趋势如图2所示。从图中可以看出，由该动态模型得出的C/V曲线是无限趋近V=VJ的，理论分析可知偏压V总是小于内建电势VJ，否则，空间电荷区消失，势垒电容就不存在了。但由于数值计算的误差会出现的情况。因此可通过正偏压耗尽层电容系数FC对动态模型作出线性近似修整。将FC表示为VJ的分数，即为CT/VJ的斜率，对该参数值的选取决定了二极管的电势。F

9、C的范围限在（0，1），当加在二极管上的偏压小于FCVJ时，C-V曲线满足（5）式，大于FC.VJ时则采用线性近似，通常FC取值为1/2，对应关系的表达式如下：对于反向偏压，以变容二极管BB405B为例，基于给定的SPICE参数，对图3给出的C-V曲线（图中VR为反向偏压）的特性差异进行分析。从图中可以看出BB405B的C-V特性曲线PN结符合超突变性PN结特征，在反偏压作用下，曲线下降趋势较明显。由于二极管在 图3 BB405B C-V特性曲线(1/2)VJ位置之后的C-V特性曲线将被线性逼近处理，因此datasheet上不再给出。外加偏压下，假设掺杂均匀，二极管少数载流子的扩散导致了扩散电

10、流的产生。在正偏压下，这种作用得到加强，PN结呈导通态。然而随着少数载流子进入中性区后被不断的复合，引起N区中少子空穴电流和P区中少子电子浓度随距离的增加而呈指数衰减，其长度分别为电子扩散长度Ln和空穴扩散长度Lp。PN结两边少子电流通过电子-空穴对的复合不断转换为多子电流以满足电流的连续性。不考虑势垒区的复合电流和产生电流，总电流为两种少子引起的扩散电流的和：其中，IS为二极管的饱和电流。由于(其中和分别为空穴和电子的寿命),IS还可表达为1：二极管在正偏和反偏状态下的I/V特性分别如下所示：其中，V R为反向偏压。此时，边界区非平衡载流子浓度近似为np0和pp0。以上的I/V特性是在未考虑

11、势垒区的载流子产生和复合的情况下得出的。实际上，载流子穿过空间电荷区会形成复合电流Irec，(它被定义为)。与此同时，PN结势垒区因热扰动会产生新的空穴电子对，从而产生热激发电流IG，在平衡状态时，Irec=IG。当正向偏压增大时，Irec IG。（为载流子通过最大复合中心的复合率，表达式为：）。考虑最大复合且当的极端情况，可以求得。图4给出了二极管的I/V特性曲线，由图可见，在正偏压下，低电流水平时，复合电流占主导，斜率为1/2VT，随着扩散电流的逐渐升高，串联电阻RS上的压降逐渐成为IV特性的主宰。由上面得出的复合电流及相应的I/V特性斜率是通过最大复合率的极端条件下求出的，其中斜率是通过

12、N反映出来的。通过前面的计算和近似，我们可以获得斜率的取值范围为 1/VT，1/2VT，对应的N取值范围就在1，2。此外，PN结从正偏压导通至反偏压关断不是瞬时完成的，它包含反向抽取和自身复合引起存储电荷不断减小而少数载流子浓度分布斜率不变的反向电流恒定阶段及P-N结上反偏压逐渐上升，CT充电的反向电流衰减阶段。两个阶段的时间分别用tS和tf 表示。它们的和为总关断过程的时间t0ff。对于长中性区的p+-n结，在反向电流IR远小于正向电流IF时，近似有： （10）对于短中性区而言： （11）其中x n为N侧势垒宽度，Dp为空穴扩散系数。由上式可知，TT可以反映P-N结的开关特性。此外，通过减短

13、中性区长度，减少存储电荷量等措施可以提高开关速度。PN结的体电阻和欧姆接触电阻对于二极管的I-V特性是有影响的，这在前面已作了有关介绍。由于PN结体电阻的存在降低了施加于结上的分压。导致I-V曲线的斜率降低。不考虑衬底，串联电阻RS主要由欧姆接触电阻， P区及N区等效电阻等部分组成。除如前所述对I-V特性的影响外，RS的作用还表现在对二极管品质因素Q和截止频率的影响上。忽略管壳电容和引线电感的作用，在一个周期T内，管子上消耗的能量反映在PN结并联等效电阻Rp和串联电阻RS上，而储存的能量则反映在PN结的结电容CT上，因此Q可表达为： 对上式作出分析可知，RS对Q的影响体现在高频情况，此时， Q

14、与RS和CT大小成反比，鉴于RS与CT和施加的偏压关系可知，Q随外加正偏压增大而增大，随外加反偏压增大而减小。而低频时，Q基本随频率成正比变化，且变化的快慢由PN结并联等效电阻Rp和结电容CT决定。考虑到频率的上限和下限由Q=1时对应的频率值确定，由（12）得出以下方程式：解方程式并加以简化，得出上，下限频率分别为： 可见在高频时，较高的截止频率对应着较小的RS和CT，且正向偏压越大，对应的截止频率越高；反向偏压越大，截止频率越低。研究二极管的特性必须要考虑温度效应。考虑温度对反向电流的影响，PN结反向电流包括反向扩散电流IRD，空间电荷区产生电流TG 3和表面漏电流IRS，其中IRD和温度的

15、关系可以表示为3：故反向扩散电流随温度变化率为：同理可得相对温度的变化率为的1/2。反向饱和电流和温度的关系如下式所示：其中XTI为饱和电流温度指数因子。除了IS，温度效应还体现在如载流子浓度，EG，CJ0, VJ等诸多参数上。 无论是反向饱和电流还是正向扩散电流，都会产生相互独立的闪烁噪声AF（又称1/f噪声）。它的值取决于接触面材料类型和集合形状的系数3，根据Hooge提出的迁移率涨落模型,二极管闪烁噪声的功率谱密度函数表达式可表示为:其中, 常取1, 范围1,2。为反向饱和电流与正向扩散电流的和。通常，我们通过噪声系数F衡量有源器件噪声特性的优劣。它被定义为：需要知道的是，F是随着元件的

16、偏置电流，工作频率，温度及信号源内阻变化的。闪烁噪声因数KF是F的分贝表示：它反映的是在不可避免的信号源之上由元件增加的噪声功率。因此，我们要求该参数要尽量的小。结论：各类半导体器件在特性上的差异反映在物理结构和各区的搀杂浓度分布和材料的特性上。对二极管而言，VJ存在温度效应，进而受到EG和PN结搀杂浓度的影响；梯度系数M反映了PN结搀杂浓度的分布，使我们可以间接了解PN结的物理构造，它决定了C-V特性曲线的趋势；发射系数N决定了正偏压较低时I-V曲线的斜率；串联电阻RS不仅决定了I-V特性曲线在正偏压较高处的线性化趋势而且在高频情况下影响着PN结Q值和截止频率的高低。参考文献：1孟庆巨，刘海波，孟庆辉著.半导体器件物理科学出版社，2006.32Betty Lise Anderson,fundamentals of semiconductor devices,the McGraw-Hill Co.20053高晋占著，微弱信号检测清华大学出版社，2004年11月第1版6