SPICE 다이오드 모델링: 정확한 시뮬레이션을 위한 실용 가이드

SPICE는 회로 시뮬레이션의 업계 표준이며, 다이오드는 가장 자주 모델링되는 구성요소 중 하나입니다. 다이오드 거동은 SPICE에서 소자 요소와 모델 정의, 두 문으로 포착됩니다. 소자 문은 다이오드를 회로에 연결하고, 모델 문은 전기적 특성을 지정합니다.

SPICE에서 다이오드 정의하기

모든 다이오드 요소는 문자 d로 시작해야 하며 선택적 식별자(예: d1, dtest, d101)가 따릅니다. 다음 두 숫자는 애노드와 캐소드 노드 번호. 마지막 토큰은 나중에 정의될 모델 이름.

예:

 d1 1 2 mod1 

해당 모델 문은 .model로 시작, 모델 이름, 키워드 d, 그리고 Parameter=Value 형태의 선택적 파라미터 할당. 생략된 파라미터는 아래 표의 기본값으로 설정.

예:

 .model mod1 d 

파라미터 포함 예:

 D2 1 2 Da1N4004 .model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 BV=400 IBV=5.00u CJO=30 M=0.333 N=2) 

핵심 다이오드 파라미터

기호	이름	파라미터	단위	기본값
IS	IS	포화 전류(다이오드 방정식)	A	1E‑14
RS	RS	기생 저항(직렬 저항)	Ω	0
n	N	방출 계수, 1~2	-	1
τD	TT	이동 시간	s	0
CD(0)	CJO	제로-바이어스 접합 정전용량	F	0
ϕ0	VJ	접합 전위	V	1
m	M	접합 그레이딩 계수	-	0.5
Eg	EG	활성화 에너지(eV)	-	1.11
pi	XTI	IS 온도 지수	-	3.0
kf	KF	플리커 잡음 계수	-	0
af	AF	플리커 잡음 지수	-	1
FC	FC	순방향 바이어스 고갈 정전용량 계수	-	0.5
BV	BV	역방향 브레이크다운 전압	V	∞
IBV	IBV	역방향 브레이크다운 전류	A	1E‑3

신뢰할 수 있는 모델 얻기

가장 정확한 SPICE 모델을 얻는 방법은 제조사 웹사이트에서 직접 다운로드하는 것입니다. 불가능한 경우, 데이터시트에서 위 핵심 파라미터를 추출하여 모델 구성 가능. 세 번째 옵션으로, 소자 직접 측정하여 측정된 I-V 곡선에 SPICE 파라미터 피팅.

파라미터 추출 예 – 1N4004

과정을 설명하기 위해, 일반적인 1N4004 정류기 모델을 도출해 보겠습니다. 실리콘 정류기에 전형적인 방출 계수 N 2.0 선택. 다이오드 방정식

 I_D = I_S (e^{V_D/(N V_T)} - 1) 

과 데이터시트 점(V_D = 0.925V, I_D = 1A, V_T = 26mV, 25°C)에서 I_S 풀이:

 I_S = 18.8 nA 

다른 파라미터는 데이터시트 지정 없으면 기본값:

• RS = 0Ω (초기, 나중 더 나은 피팅 위해 조정)
• TT = 0s (Q_RR 데이터 없음)
• CJO = 30pF (V_R-C_J 그래프에서)
• M = 0.333 (선형 그레이딩 접합)
• VJ = 1V, EG = 1.11eV, XTI = 3.0
• BV = 400V, IBV = 5µA (역방향 브레이크다운 사양)

결과 모델 문:

 .model Da1N4004 D (IS=18.8n RS=0 BV=400 IBV=5.00u CJO=30 +M=0.333 N=2.0 TT=0) 

모델 미세 조정

도출된 모델을 제조사 모델과 데이터시트 I-V 곡선과 비교했을 때, 1.4V에서 전류가 사양 초과(12A) 발견. 직렬 저항을 28.6mΩ로 조정하여 1.4V에서 곡선 정렬하면서 1A 점 유지. N과 RS를 반복 조정하여 시뮬레이션 곡선이 전체 범위에서 데이터시트 곡선과 일치하도록 추가 미세 조정 가능.

모델 비교

다음 SPICE 회로는 세 모델을 병렬로 보여주어 쉬운 비교 가능:

제조사, 데이터시트 도출, 기본 모델 비교용 SPICE 회로.

넷리스트 발췌:

*SPICE circuit <03468.eps> from XCircuit v3.20
D1 1 5 DI1N4004
V1 5 0 0
D2 1 3 Da1N4004
V2 3 0 0
D3 1 4 Default
V3 4 0 0
V4 1 0 1
.DC V4 0 1400mV 0.2m
.MODEL Da1N4004 D (IS=18.8n RS=28.6m BV=400 IBV=5.00u CJO=30 +M=0.333 N=2.0 TT=0)
.MODEL DI1N4004 D (IS=76.9n RS=42.0m BV=400 IBV=5.00u CJO=39.8p +M=0.333 N=1.45 TT=4.32u)
.MODEL Default D
.END

제너, 터널, 건 다이오드

제너 다이오드용으로 두 모델링 전략 존재:

• BV 파라미터를 제너 전압으로 설정(예: .model D1N4469 D (BV=15 IBV=17m)). 가장 단순한 접근.
• 브레이크다운 전압을 강제하는 다이오드 클램퍼로 서브서킷 사용(아래 1N4477A 모델 서브서킷 참조).

예 서브서킷:

.SUBCKT DI-1N4744A 1 2 * Terminals A K
D1 1 2 DF
DZ 3 1 DR
VZ 2 3 13.7
.MODEL DF D (IS=27.5p RS=0.620 N=1.10 +CJO=78.3p VJ=1.00 M=0.330 TT=50.1n)
.MODEL DR D (IS=5.49f RS=0.804 N=1.77)
.END

터널 다이오드용으로는, JFET 쌍이 음 미분 저항 영역 에뮬레이션 가능([KHM] 참조). 유사하게, 건 다이오드는 두 JFET으로 모델링하여 마이크로파 진동 거동 포착([ISG] 참조).

핵심 요약

• diode 요소로 소자 연결; .model 문으로 전기적 거동 정의.
• 정적 파라미터(N, IS, RS)가 저주파 성능 지배; 역방향 브레이크다운 사양(BV, IBV)이 고전압 응용 중요.
• 동적 거동은 TT와 CJO에 의존; 정확한 과도 시뮬레이션 위해 포함 필수.
• 제조사 제공 모델 선호; 불가시 데이터시트 데이터나 실측으로 도출.