为什么温度对二极管反向恢复正向特性影响小，而反向特性却影响大？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2012-02-07 06:46 标签： 二极管反向恢复
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非线性电阻元件伏安特性
非线性电阻元件的电压、电流关系,不能用欧姆定律来描述，它们的伏安特性一般为曲线，在下图中分别给出了白炽灯和半导体二极管的伏安特性曲线。
白炽灯的伏安特性如图1中的曲线b-b所示。白炽灯的伏安特性曲线对坐标原点是对称的，因而具有双向特性。白炽灯在工作时灯丝处于高温状态，灯丝电阻值随着温度的升高而增大，通过白织灯的电流越大，其温度越高，阻值也越大。另外，白炽灯的“冷电阻”与“热电阻”的阻值可相差几倍至几十倍，所以白炽灯是非线性元件。
半导体二极管也是非线性电阻元件，其伏安特性如图1中的曲线c－c所示。二极管的正向压降很小(锗材料二极管一般约为O.2～0.3 V，硅材料二极管一般约为0.5～0.7 V)，正向电流随正向压降的升高而急剧上升，而反向电压从零一直增加到十几或几十伏时，其反向电流增加很小，几乎为零。因此，半导体二极管的伏安特性曲线对原点是不对称的，它具有明显的方向性。
& 稳压二极管也属于非线性元件，其正向特性与二极管相似，但反向特性却比较特别。当反向电压开始增加时，反向电流几乎为零，但当反向电压增加到某一数值时（称为稳压管的稳压值，有各种不同稳压值的稳压管），电流将突然增大，以后稳压管的端电压将基本维持恒定。当外加的反向电压继续升高时，其端电压仅有少量增加
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基于Matlab对Spice二极管特性受温度影响的研究
    摘要：为了对Spice程序下的二极管模型的伏安特性和等效电容受温度变化的影响进行研究，在此以软件Matlab的仿真环境为基础，Spice二极管物理模型D1N4002为研究对象，在仿真软件Matlab中编写程序代码，建立了二极管模型D1N4002的伏安特性和等效电容的函数模型，绘制出不同温度下二极管伏安特性和等效电容的曲线，并结合仿真曲线对由温度变化产生的影响进行分析，得出了温度对二极管模型在反向击穿和正向导通状态下的伏安特性及等效电容有明显的影响这一结论。该研究方法以一个新颖的视角，运用Matlab构造特性函数，以温度为变量，研究了Spice二极管模型的特性，同时也为其他更加复杂的半导体器件特性的研究打下了基础。关键词：Matlab；Spice；二极管；物理模型；温度影响0 引言 Spice是一种功能强大的通用模拟电路仿真器，是一个主要用于模拟集成电路的电路分析程序。在Spice程序中，有2种建立器件模型的方法，一种是建立器件物理原理基础上的模型；另一种是根据输入／输出外特性来构成的模型。Spice程序中的二极管物理模型就是建立在二极管的物理原理基础上的模型，同时，二极管是半导体器件中结构最为简单的，Spice程序中针对二级管共有14个模型参数，其中有不少模型参数是温度的函数，文中以D1N4002二极管模型为对象，在软件Matlab的仿真环境下，对温度变化给Spice程序中二极管的物理模型的伏安特性和等效电容造成的影响进行研究，同时也可以借助该研究方法来研究其他更加复杂的半导体器件的特性。1 Spice程序中二极管物理模型的建立 在Spice程序中，二极管的物理模型简图如图1所示，其中Rs是二极管的材料电阻，称为欧姆电阻；CD是由电荷存储效应而引起的等效电容；ID是非线性电流源。 非线性电流源ID与加在它两端的电压UD之间的关系如下：
式中：Is为饱和电流(单位：A)；q为电子电荷(1．062&10-19C)；K为波耳兹曼常数(1．38&10-23J／K)；T为热力学温度(单位：K)；n为发射系数(硅管1．2～2．0)；VB为反向击穿电压(单位：V)；IVB为反向击穿时的电流(单位：A)。Spice程序在二极管的PN结上并了一个小电导Gmin，它的隐含值是10-12S，一般情况下Gmin的存在不会影响二极管的正常特性。 二极管的电荷存贮效应包括两部分，一部分是在PN结势垒电容上存储的电荷，它等于势垒电容对PN结电压的积分；另一部分是注入少数载流子形成的电荷存储，它和正向电流成正比。总的电荷存储量QD为： 式中：&D为少数载流子的渡越时间；Cjo为零偏置时PN结的耗尽层电容；&D为PN结自建势，对结型二极管的典型值是0．7～0．8 V；FC为正偏耗尽电容公式的系数，典型值是0．5。 二极管等效电容CD是由2部分组成的：一个是少数载流子注入的电荷存储产生的扩散电容Cs，另一个是由PN结耗尽层电荷存储产生的耗尽电容Cd，即：
模拟电路2 温度变化对Spice二极管模型D1N4002的伏安特性的影响 在Spice程序中共设置了14个二极管模型参数，Spice二极管模型D1N4002的参数如表1所示，这些参数都是在常温(27℃)下的数值。增大。当二极管反偏，且处于齐纳击穿状态，从曲线中可以看到随着温度的升高，二极管的反向击穿电压VB降低，且反向击穿后的增大。
模拟电路3 温度变化对Spice二极管模型D1N4002的等效电容的影响 Spice程序中对&D和CD的温度修正公式分别为：
在二极管物理模型下，考虑温度对IS，&D的影响，利用式(10)，式(11)对二极管物理模型的等效电容CD与UD的关系曲线进行修正。在D1N4002二极管物理模型的基础上，选取T1=300 K，T2=325 K，T3=350 K三个温度下的等效电容CD随UD变化曲线进行对比分析。 在仿真软件Matlab的指令框中输入模拟仿真二极管物理模型的等效电容随电压UD变化的指令代码，得到如图3所示的二极管等效电容随电压UD变化的曲线，仿真测试实验数据如表3所示。 这是一组不同温度下的二极管等效电容随UD变化的曲线。 结合图2二极管物理模型的伏安特性曲线分析图3可知，由于二极管在反偏且未被反向击穿的情况下，二极管中流过的电流十分微小，几乎可以忽略，故这个区段的等效电容趋近于零，温度的变化对此区段内的等效电容曲线影响十分微小。在正向导通或反向击穿时，由于二极管内流过电流，且随着UD的增大急剧的增大，二极管的等效电容也随之急剧增大。 当温度升高时，二极管的等效电容增大，同时的值也随温度的增加而增大，且等效电容曲线的斜率与成正相关。4 结语 温度的变化对二极管反偏未击穿或正偏未导通状态的伏安特性和等效电容影响不大，几乎可以忽略。但是，在正向导通和反向齐纳击穿状态下，温度的变化对二极管物理模型的伏安特性和等效电容的影响是明显的。温度的升高造成二极管物理模型的开启电压、反向击穿电压升高，电流的增大，且使伏安特性曲线中电流对电压UD的变化率增大。温度的升高同样造成二极管的等效电容增大，且二极管的等效电容对电压UD的变化率增大。
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