Electronică

Utilizarea modelului SPICE INTRISEC al diodei Semiconductoare în simularea diodelor de putere

NOŢIUNI TEORETICE

Modelul SPICE al diodei semiconductoare are la bază ecuaţia lui Shokley, caracterizarea unei diode făcându-se prin următorii parametri :

IS – curentul de saturare şi

N - coeficientul de emisie.

(1)

Această ecuaţie este valabilă doar la nivele moderate de injecţie, la nivel mic şi la nivel mare de injecţie trebuie introduşi termeni suplimentari de corecţie.

La nivele scăzute de injecţie, valoarea reală a curentului este mult mai mare decât cea prezisă de ecuaţia lui Shochley ; aceasta datorită curentului rezultă din procesul de recombinare a purtătorilor în regiunea de sarcină spaţială a joncţiunii. Pentru a modela acest efect, în cadrul programului SPICE, se adaugă un termen suplimentar la ecuaţia lui Shokley :

(2)

Corespunzător se introduc următorii parametri SPICE suplimentari :

ISR - parametrul curentului de recombinare ;

NR - coeficientul de emisie al curentului de recombinare.

La nivele ridicate de injecţie, valoarea curentului este mai scăzută decât cea prezisă de ecuaţia lui Shockley. Pentru modelarea acestui efect se introduce parametrul SPICE suplimentar:

IKF - curentul de cot la nivel ridicat de injecţie.

Rezistenţa ohmică serie a regiunilor neutre de semiconductor si rezistenţa de contactare cu terminalele sunt modelate prin parametrul RS.

Variaţia cu temperatura a caracteristicii statice a diodei semiconductoare este data de variaţia curentului de saturaţie (ce se dublează la fiecare creştere cu 10°C a temperaturii) şi de variaţia tensiunii termice VT.

Variaţia cu temperatura a curenţilor IS si ISR este modelata cu o relaţie de tip exponenţial, parametrii corespunzători fund:

XTI - exponentul de variaţie cu temperatura a lui IS si

EG - lăţimea benzii interzise.

Variaţia cu temperatura a rezistentei serie RS este modelată prin parametrii:

TRS1 - coeficient de variaţie liniara si

TRS2 - coeficient de variaţie pătratică.

UTILIZAREA MODELULUI SPICE INTRINSEC AL DIODEI ÎN SMULAREA DIODELOR DE PUTERE

Diode PIN şi diode Schottky de putere. Modelul SPICE intrinsec al diodei semiconductoare poate fi utilizat atât în simularea diodelor pin de putere cât și a diodelor Schottky.

Neajunsul modelului intrinsec este acela ca nu modelează sarcina de purtători stocată în regiunea de drift (slab dopată). Efectul acesteia asupra caracteristicilor statice este însă redus, încât modelul SPICE intrinsec al diodei descrie relativ corect caracteristicile statice si funcţionarea la joasă frecvenţă a diodelor de putere.

Efectul sarcinii stocate în zona de drift este important în regim de comutaţie, la frecvenţe ridicate. Această sarcină poate fi modelată, aproximativ, prin intermediul timpului de tranzit TT, efectul sau fiind cumulat cu cel al sarcinii de purtători in exces din regiunile neutre puternic dopate (p+ si n+) ale diodei, ambele sarcini contribuind la timpul de stocare la comutaţia inversa.

Aceasta aproximaţie conduce la o simulare relativ exactă a duratei timpului de stocare. In schimb, formele de unda ale tensiunii şi curentului obţinute prin simulare sunt simţitor diferite de cele reale. În consecinţa, evaluarea puterii dinamice disipată pe dispozitiv in timpul comutaţiei este inexactă (apar diferenţe de cca 30%).

În tabelul 2 se prezintă comparativ parametrii SPICE pentru o dioda de mica putere (1N4148), o dioda de putere (BAVIC3) si o dioda Schottky.

Analizând aceste valori se pot extrage câteva concluzii privind diferenţele dintre parametrii SPICE ai celor trei tipuri de diode.

Diodele de putere (p+nn+), datorita ariei mult mai mari a joncţiunii şi prezenţei regiunii de drift, au:

• curentul de saturaţie (IS) mult mai mare (cu peste un ordin de mărime);

• rezistenţa ohmică serie (RS) mult mai mica (cu peste un ordin de mărime);

• curentul de cot (IKF), de la care apar fenomenele de nivel mare de injecţie, mult mai mare (cu unul sau doua ordine de mărime);

• capacitatea de bariera a joncţiunii (CJO) mult mai marc (cu peste un ordin de mărime);

• tensiunea de străpungere (BV) mult mai ridicată, datorită regiunii de drift slab dopata;

• timpul de tranzit (TT) mult mai mare (cu doua sau chiar trei ordine de mărime), datorită cantităţii mari de sarcina stocată in regiunea de drift a diodei.

Diodele SCHOTTKY prezintă următoarele particularităţi ale parametrilor SPICE, în comparaţie cu diodele de mica putere:

• curentul de saturaţie (IS) mult mai mare (cu peste doua ordine de mărime);

• rezistenţa ohmica serie (RS) mult mai mare (cu un ordin de mărime), datorită prezenţei în diodele Schottky a unei regiuni slab dopate;

• capacitatea de bariera (CJO) mult mai mare (cu două ordine de mărime), datorita grosimii foarte reduse a regiunii de tranziţie;

• coeficientul de gradare (M) la diodele Schottky este de aproximativ 0.5, datorita formarii unei joncţiuni pn abrupte;

• tensiunea de străpungere (BV) a structurilor Schottky este redusa (tipic zeci de volţi);

• timpul de tranzit (TT) este practic nul, încât în structura Schotty nu există sarcină de purtători îm exces, stocată în regiunile neutre;

• lăţimea benzii interzise EG este mai mică la diodele Schottky, faţa de diodele pn din siliciu;

• la diodele Schottky fenomenele de recombinare în regiunea de tranziţie echivalentă simt neglijabile; în consecinţă parametrul ISR=0.

La simularea diodelor de putere, în care puterea disipată este mare, prezintă important specificarea parametrilor de variaţie cu temperatura a parametrilor de model:

XTI - exponentul de variaţie cu temperatura;

TSR1 - coeficient de variaţie liniara cu temperatura a rezistenţei serie RS;

TS112 - coeficient de variaţie pătratică cu temperatura a rezistenţei RS;

Aceştia ce impun a fi utilizaţi atunci când pentru diodă se specifică o temperatură diferită de restul circuitului.