Schaltungstechnik

68 2 Entwicklungs- und Analysemethodik
2.2.3 Modellbeschreibungen einer Diode
Von besonderer Wichtigkeit sind die Modelle von Schaltkreiselementen. Werden
wesentliche Eigenschaften für die Anwendung in den Modellen nicht erfasst, so ist
das Analyseergebnis falsch. Die Systematik der Modellbildung von Halbleiterbauelementen
wird am Beispiel der Diode aufgezeigt.
Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement bestehend aus einem pn-Übergang. Der
p-Anschluss ist die Anode (A), der n-Anschluss die Kathode (K). Unterhalb einer
bestimmten Schwellspannung ist der pn-Übergang gesperrt. Die Schwellspannung
beträgt bei Silicium als Halbleitermaterial ca. 0,7 V. Erreicht die äußere Spannung
nicht die Schwellspannung der Diode, so bildet sich eine von beweglichen
Ladungsträgern freie Raumladungszone. Oberhalb der Schwellspannung wird die
Raumladungszone abgebaut, es kommt ein Stromfluss zustande.
Zum Verständnis der Modellbildung eines Schaltkreiselementes über einen
Modellparametersatz, abgelegt in einer Model Library, wird das Modell der Diode
näher betrachtet. Die Charakterisierung einer Diode in Spice erfolgt durch ein
„Intrinsic“-Modell mit Parametersatz. Im Folgenden soll das Modell einer Diode
und deren Modellparameter erläutert werden (Bild 2.2-29). Gleiches gilt im Prinzip
in erweiterter Form für Bipolartransistoren bzw. Feldeffekttransistoren.
u D
A
K
i
R S
I D
TT diD ------dt
Bild 2.2-29: Modell einer Diode mit Bahnwiderstand RS, verzögerter Stromkomponente
charakterisiert durch TT und Sperrschichtkapazität Cj
Die Gleichung für den Strom im obigen Dioden-Modell lautet:
i IDTT di =
D duD + ------- + C --------dt
j dt
C j
RS : Bahnwiderstand
ID : Diodenstrom
TT diD ------- : Verzögerte Stromkomponente
dt
Cj : Sperrschichtkapazität
(2.2-2)
Der Strom ID ist der Diodenstrom, eingeteilt in Flussbereich und Sperrbereich. Die
verzögerte Stromkomponente charakterisiert durch den Parameter TT setzt einen
dynamischen Stromfluss voraus, wirkt also im Flussbereich. Die Sperrschichtkapazität
Cj stellt die Kapazität der Raumladungszone bei Sperrbetrieb dar. Die Sperrschichtkapazität
ist zudem abhängig von der Sperrspannung.
Ermittlung der statischen Kennlinie einer Diode: Die Ermittlung der statischen
Kennlinie einer Diode lässt sich mit nachfolgender Testanordnung (Bild 2.2-
30) durchführen. Entscheidend dabei sind die Modellparameter, mit denen das
Verhalten einer Diode im Durchlassbereich (Bild 2.2-31), im Hochstrombereich,
im Sperrbereich und im Durchbruchbereich (Bild 2.2-32) festgelegt wird. Von