二极管模型-201209

二极管模型和模型参数

西安电子科技大学微电子学院

贾新章

xzjia@https://www.360docs.net/doc/e117961566.html,

2012年9月

概述：关于器件模型和模型参数

1．Model and Model Parameter（模型和模型参数）

采用电路模拟软件进行电路模拟时，实际上是以等效电路代替有源器件，然后建立回路方程、计算求解。

(1) Model：采用的等效电路就是代表元器件的“模型”；

“等效”指端特性等效。

(2) Model Parameter：等效电路中描述元件值的参数就是“模型参数”。

不同的电路模拟软件中采用的模型不完全相同，模型参数的名称和个数也不尽相同。

本讲稿以SPICE模拟软件中采用的模型和模型参数为对象。

2．模型和模型参数的作用

(1) 决定电路是否可以用电路模拟软件模拟；

(2) 决定模拟结果的好坏（模型正确性与精确性、模型参数值与实际器件特性的符合程度）。

器件模型越精确，电路模拟效果越好，但是计算量也越大，因此应折衷考虑。这样，对同一种器件，往往提出几种模型。

概述：关于器件模型和模型参数

3. 目前研究的问题

(1) 提高模型精度。

(2) 建立新器件的模型：例如需要添加新出现的化合物半导体器件模型。

(3) 提高模型参数提取精度（如结合Model Editor、优化模块、DOE技术）

如果采用模拟软件附带的模型参数库，当然不存在任何问题。如果电路中采用了模型参数库中未包括的器件，如何比较精确地确定该器件的模型参数将是影响电路模拟结果的关键问题。

4. 提示

(1) 学习中应该掌握模型参数的含义，特别应注意每个模型参数的作用特点，即在不同的电路特性分析中必需考虑考虑哪些模型参数。

(2) 大部分模型参数都有默认值，特别是有些模型参数的默认值为0或者无穷大。如果这些模型参数采用默认值，相当于不考虑相应的效应。

二极管模型和模型参数

二极管模型和模型参数

等效电路中包括四个元件

（1）I D ：描述流过结I-V 特性的电流源

（2）C D ：扩散电容

（3）C J ：势垒结电容

（4）R S ：串联电阻

考虑串联电阻，结电压为：Va=Vapp-I D ×R S

二极管模型和模型参数复习：描述不同效应的二极管电流基本表达式(1) 理想模型：I D =I S [exp(qVa/kT)-1]

只包括饱和电流I S (Saturation current)一个参数。

考虑到一般情况下I-V 的指数关系不是理想的1，因此I D 表达式改为

I D =I S [exp(qV A /N kt)-1]

新增一个模型参数：发射系数N (Emission coefficient)（默认值为1）。

(2) 考虑到势垒区的产生和复合效应，I D 应该“叠加”下述表式：

I SR [exp(qVa/N R kT)-1]

包括I SR （默认值为0）和N R （默认值为2）两个模型参数

(3) 考虑大注入效应，特大电流时，I D 从理想模型表达式“转化”为下述表达式：

新增一个模型参数I KF （默认值为无穷大）

(4) 考虑到击穿区的倍增效应，反向电流还应“叠加”下述表达式：

I BV exp [-q (Va+BV )/N BV kT]

包括I BV 、BV （默认值为无穷大）和N BV 三个模型参数

说明：该表达式类比二极管正向电流表达式的形式。

其中反向电流为I BV 时的结电压定义为二极管的击穿电压BV 。

二极管模型和模型参数

一、电流源I

表达式和模型参数

D

基于上述基本表达式，PSpice中“构造”的二极管I

统一表达式为

D

在描述势垒产生-复合电流的表达式中又附加了一项描述势垒区宽度随Va变化对产生-复合电流的影响。

新增两个模型参数：

VJ：内建电势

M：梯度因子（默认值为2）

同时还引入一个参数Area，称为面积因子。

二极管模型和模型参数

面积因子Area的作用

同一个集成电路中有不同尺寸的二极管，虽然是采用相同的工艺过程制造的纵向结构参数（如结深、杂质分布等）相同，但是分别需要采用一组模型参数来描述。

二极管模型参数中，有些参数只与纵向结构参数有关，例如VJ、N、NR、M 、BV、CJ0、TT等。其余模型参数则与结面积有关，例如几个电流参数IS、ISR 、IBV，以及RS等。

考虑到上述特点，如果引入参数Area，采用下述方式，只需要用一组模型参数就可以描述同一个集成电路中的所有不同尺寸二极管：

取其中一个二极管为“参考”二极管，将该二极管的Area值取为1，并确定该二极管的模型参数。然后计算其他尺寸二极管结面积与参考二极管结面积的比值，作为相应二极管的面积因子Area值。所有二极管中那些与结面积无关的模型参数均直接采用参考二极管的模型参数，而与结面积有关的模型参数只需按照与结面积的相关关系也可以由参考二极管的模型参数计算得到。

结论：同一个集成电路中结构相同但尺寸不同的二极管，只要对每种二极管引入Area参数，则所有这些二极管就可以共用一组模型参数。

二极管模型和模型参数

2. 势垒电容

为了反映正偏情况下空间电荷区中

载流子的影响，势垒电容的一般表达

式为：

V

A

小于等于FC*VJ：

C

J ＝Cj0(1-V

A

/VJ)-M

V

A

大于FC*VJ：

C

J =Cj0(1-FC)-(1+M)(1-FC(1+M)+MV

A

/VJ)

包括4个参数。除了前面已出现的两个模型参数外，新增：Cj0：零偏势垒电容(默认值为0）；

FC称为势垒电容正偏系数。

二极管模型和模型参数

(4) 扩散电容

C T ＝TT (dI fwd /dV A )＝TT*Gd

新增一个模型参数.

TT ：渡越时间(Transit time)

二极管模型和模型参数基本的二极管模型参数

二极管模型和模型参数

说明：

(1) 关于各个模型参数含义的理解:

对于各个模型参数，应该重点理

解下述两个问题：

该参数反映的是PN结中哪个物理

过程？

该参数主要影响二极管器件的哪

些主要特性？

(2) 关于默认值为0或者无穷大的模型

参数

对于默认值为0或者无穷大的模型

参数，如果未给其赋值，模拟软件将

采用默认值，相当于不考虑该参数代

表的物理效应。

二极管模型和模型参数

其他效应的考虑

在PSpice模拟软件采用的二极管模型中，还同时考虑许多其他特性，例如：

噪声模型;

模型参数随温度的变化(包括:

饱和电流IS、

复合电流ISR、

串联电阻RS、

势垒内建电势VJ、

零偏结电容CJ0、

大注入“膝点电流”IKF、

击穿电压BV等参数)；

等等。

使二极管模型参数总数达到29个。

PSpice中采用的二极管模型参数

器件模型参数的“优化”提取

1．基本原理

记器件模型为I=I(θ,V)，其中θ代表一组模型参数。

若测量一组端特性数据为(V1,I1)、(V2,I2)、……、(Vn,In)

在外加电压Vi作用下，测量的电流值为Ii，而按照模型计算得到的电流应该为I(θ,Vi)。如果模型和模型参数绝对精确，则这两个值应该相等，即

Ii= I(θ,Vi)。

由于模型和模型参数不可能绝对精确，测量数据也存在误差，使上式等式不可能完全成立。但是如果模型和模型参数能满足实用要求，则测量值与模型计算值之差应该比较小。数学表示即为:

只要已知端特性数据(V1,I1)、(V2,I2)、……、(Vn,In)，就可以采用优化算法，从上述目标函数中优化提取出模型参数θ

2．实用工具（例）

(1) PSpice/Model Editor；(2) PSpice/Optimizor

例：GaN发光二极管模型参数优化提取测量的特性曲线

(线性坐标)

例：GaN发光二极管模型参数优化提取测量的特性曲线

(半对数坐标)

例：GaN发光二极管模型参数优化提取优化提取结果

误差分析（未超过3%）

例：GaN发光二极管模型参数优化提取由提取出的模型参数值模拟计算得到的特性曲线（黄色）与测量特性曲

线（蓝色）的比较