Документация Engee

Photodiode

Фотодиод с входным портом для падающего светового потока.

photodiode

Описание

Блок Photodiode представляет собой фотодиод в виде управляемого источника тока и экспоненциального диода, соединенных параллельно. Управляемый источник тока генерирует ток , который пропорционален плотности светового потока:

где

  • – это отношение сгенерированного тока к плотности падающего светового потока.

    • Если для параметра Sensitivity parameterization установлено значение Specify measured current for given flux density , блок вычисляет эту переменную через отношение параметра Measured current к параметру Flux density.

    • Если для параметра Sensitivity parameterization установлено значение Specify current per unit flux density, эта переменная определяется значением параметра Device sensitivity.

  • – это плотность падающего светового потока.

Для моделирования динамического времени отклика используйте параметр Parameterization, чтобы включить в модель емкость диодного перехода.

Экспоненциальная модель диода обеспечивает следующую зависимость между током диода и напряжением диода :

где

  • – элементарный заряд электрона (1.602176e-19 Кл);

  • – постоянная Больцмана (1.3806503e-23 Дж/К);

  • – коэффициент эмиссии;

  • – ток насыщения, соответствует значению параметра Dark current.

  • – температура, при которой задаются параметры диода, соответствует значению параметра Measurement temperature.

Когда ( / ) > 80, блок заменяет на ( / - 79) , что соответствует градиенту тока диода при ( / ) = 80 и экстраполируется линейно.

Когда ( / ) < -79, блок заменяет на ( / + 80) , что также соответствует градиенту и экстраполируется линейно. Типичные электрические цепи не достигают таких больших значений. Блок Photodiode обеспечивает эту линейную экстраполяцию, чтобы помочь сходимости при решении ограничений во время симуляции.

Если установить для параметра Diode parameterization значение Use dark current and N, харатеристики диода задаются с помощью параметров Dark current и Emission coefficient.

Если установить для параметра Diode parameterization значение Use dark current plus a forward bias I-V data point для параметра, нужно задать параметр Dark current и точку измерения напряжения и тока на кривой вольт-амперной характеристики диода. Блок вычисляет из этих значений следующим образом:

где

  • – соответствует значению параметра Forward voltage VF;

  • = / ;

  • – соответствует значению параметра Current IF at forward voltage VF.

Экспоненциальная модель диода предоставляет возможность включить емкость перехода:

  • Если установить для параметра Parameterization значение Fixed or zero junction capacitance, емкость фиксирована.

  • Если установить для параметра Parameterization значение Use parameters CJO, VJ, M & FC, блок использует коэффициенты , , , и для расчета емкости перехода, которая зависит от напряжения на переходе.

  • Если установить для параметра Parameterization значение Use C-V curve data points, блок использует три значения емкости на кривой C-V емкости для оценки , и и использует эти значения с указанным значением для расчета емкости перехода, которая зависит от напряжения на переходе. Блок вычисляет , и следующим образом:

    • ,

где

  • , , и – значения в векторе параметра Reverse bias voltages [VR1 VR2 VR3].

  • , , и – значения в векторе параметра Corresponding capacitances [C1 C2 C3]. Невозможно достоверно оценить по табличным данным, поэтому вы должны указать его значение с помощью параметра Capacitance coefficient FC. При отсутствии подходящих данных для этого параметра используйте типичное значение 0.5.

Напряжения обратного смещения (числовые значения положительны) должны удовлетворять > > . Это означает, что емкости должны удовлетворять > > , поскольку обратное смещение расширяет область обеднения и, следовательно, уменьшает емкость. Нарушение этих неравенств приводит к ошибке. Напряжения и должны быть значительно больше разности потенциалов перехода . Напряжение должно быть меньше разности потенциалов перехода , при этом типичное значение для составляет 0.1 В.

Зависимость свойств p-n перехода от напряжения определяется через заряд емкости перехода как:

  • Для :

  • Для :

где

  • – напряжение на емкости перехода.

Эти уравнения аналогичны уравнениям в работе 2, за исключением того, что не моделировалась температурная зависимость параметров VJ и FC. В эту модель не включен член диффузионной емкости, который влияет на производительность переключения на высоких частотах.

Блок Photodiode включает и множество других возможностей моделирования температурной зависимости вольт-амперных характеристик диода. Температурная зависимость емкости перехода не моделируется ввиду их малости.

Тепловой порт

Вы можете включить тепловой порт, чтобы смоделировать эффекты генерируемого тепла и температуры устройства. Чтобы включить тепловой порт, установите флажок для параметра Enable thermal port.

Переменные

Чтобы установить приоритет и начальные целевые значения для переменных блока перед симуляцией, используйте раздел Initial Targets в диалоговом окне блока.

Чтобы удовлетворить всем начальным условиям, не устанавливайте приоритет на High для большего количества начальных значений переменных, чем общее количество дифференциальных переменных в уравнениях.

  • Если в разделе Junction Capacitance установить для параметра Parameterization значение Fixed or zero junction capacitance, а параметра Junction capacitance значение 0, то общее количество дифференциальных переменных в уравнениях блока будет равно нулю. Не устанавливайте приоритет переменных в разделе Initial Targets на High.

  • Если в разделе Junction Capacitance установить для параметра Parameterization значение Fixed or zero junction capacitance, а параметра Junction capacitance ненулевое значение, общее количество дифференциальных переменных в уравнениях блока равно единице. Установите приоритет на High для не более чем одной переменной в разделе Initial Targets.

  • Если в разделе Junction Capacitance установить для параметра Parameterization значение Use C-V curve data points или Use parameters Cj0, VJ, M & FC, общее количество дифференциальных переменных в уравнениях блока равно единице. Установите приоритет High не более чем для одной переменной в разделе Initial Targets.

Построение основных вольт-амперных характеристик

Вы можете построить вольт-амперные характеристики блока фотодиодов без построения полной модели. Используйте эти графики для изучения влияния выбранных вами параметров на характеристики устройства.

Если вы параметрируете блок Photodiode на основе таблицы данных, можете сравнить свои графики с таблицей данных, чтобы проверить, правильно ли вы параметрировали блок.

Если у вас есть полная рабочая модель, но вы не знаете, какую изготовленную деталь использовать, можете сравнить свои графики с даташитами, чтобы помочь себе определиться.

Чтобы включить эту опцию, снимите флажок с параметар Enable thermal port параметр.

Допущения и ограничения

  • Если установить для параметра Diode parameterization значение Use dark current plus a forward bias I-V curve data point, можно задать напряжение, близкое к напряжению включения диода. Обычно это значение находится в диапазоне от 0.05 до 1 Вольта. Использование значения за пределами этой области может привести к плохой оценке .

  • Вам может понадобиться использовать ненулевые значения омического сопротивления и емкости перехода, чтобы избежать проблем с численным моделированием, но моделирование может проходить быстрее, если эти значения будут равны нулю.

Порты

Выход

W — плотность светового потока, падающего на чувствительный элемент
скаляр

Физический порт, связанный с падающим на фотодиод световым потоком.

Ненаправленные

+ — положительный контакт (анод)
электричество

Электрический порт, связанный с анодом.

− — отрицательный контакт (катод)
электричество

Электрический порт, связанный с катодом.

H — тепловой порт
тепло

Ненаправленный тепловой порт.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите флажок для парметра Enable thermal port.

Параметры

Main

Enable thermal port — включение теплового порта
выключено (по умолчанию) | включено

При установке этого флажка отображается тепловой порт H, который позволяет подключить фотодиод к тепловой сети.

Sensitivity parameterization — параметризация чувствительности
Specify measured current for given flux density (по умолчанию) | Specify current per unit flux density

Выберите один из следующих методов параметризации чувствительности:

  • Specify measured current for given flux density – укажите измеренный ток и соответствующую плотность светового потока. Это метод по умолчанию.

  • Specify current per unit flux density – укажите чувствительность устройства вручную.

Measured current — измеренный ток
25 uA (по умолчанию) | скаляр

Ток, который используется в блоке для расчета чувствительности устройства.

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Sensitivity parameterization установлено значение Specify measured current for given flux density.

Flux density — плотность светового потока
5 W/m^2 (по умолчанию) | скаляр

Плотность светового потока, которая используется для расчета чувствительности устройства.

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Sensitivity parameterization установлено значение Specify measured current for given flux density.

Device sensitivity — чувствительность устройства
5e-06 m^2*A/W (по умолчанию) | скаляр

Ток на единицу плотности светового потока.

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Sensitivity parameterization установлено значение Specify current per unit flux density.

Diode parameterization — параметризация диода
Use dark current plus a forward bias I-V data point (по умолчанию)| Use dark current and N

Выберите один из следующих методов параметризации модели диода:

  • Use dark current plus a forward bias I-V data point – укажите ток при отсутствии светового потока и точку на вольт-амперной кривой диода. Это метод по умолчанию.

  • Use dark current and N – укажите ток при отсутствии светового потока и коэффициент эмиссии.

Current I1 — ток в точке прямого смещения
0.1 A (по умолчанию) | скаляр

Ток в точке прямого смещения на вольт-амперной кривой диода, который используется в блоке для расчета и .

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Diode parameterization установлено значение Use dark current plus a forward bias I-V data point.

Voltage V1 — напряжение в точке прямого смещения
1.3 V (по умолчанию) | скаляр

Соответствующее напряжение в точке прямого смещения на вольт-амперной кривой диода, которое используется в блоке для расчета и .

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Diode parameterization установлено значение Use dark current plus a forward bias I-V data point.

Dark current — ток при отсутствии светового потока
5e-9A (по умолчанию) | скаляр

Ток через диод, когда он не подвергается воздействию света.

Emission coefficient, N — коэффициент эмиссии
3 (по умолчанию) | скаляр

Коэффициент эмиссии диода или коэффициент идеальности.

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Diode parameterization установлено значение Use dark current and N.

Ohmic resistance, RS — последовательное сопротивление диода
0.1 Ohm (по умолчанию) | скаляр

Сопротивление, соединенное последовательно диоду.

Measurement temperature — температура измерения
25 degC (по умолчанию) скаляр

Температура, при которой была измерена кривая воль-амперной характеристики или ток при отсутствии светового потока.

Junction Capacitance

Parameterization — параметризация емкости перехода
Fixed or zero junction capacitance (по умолчанию) | Use C-V curve data points | Use parameters CJ0, VJ, M & FC

Выберите один из следующих вариантов моделирования емкости перехода:

  • Fixed or zero junction capacitance – моделирование емкости перехода как фиксированного значения.

  • Use C-V curve data points – укажите данные измерений в трех точках кривой C-V диода.

  • Use parameters CJ0, VJ, M & FC – укажите емкость перехода в нулевом смещении, контактная разность потенциалов перехода, коэффициента, учитывающий плавность перехода, и коэффициент нелинейности барьерной емкости перехода в прямом смещении.

Junction capacitance — емкость перехода
60 pF (по умолчанию) | скаляр

Фиксированное значение емкости перехода.

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Parameterization установлено значение Fixed or zero junction capacitance.

Zero-bias junction capacitance, CJ0 — емкость перехода при нулевом смещении
60 pF (по умолчанию) | скаляр

Значение емкости, расположенной параллельно экспоненциальному диоду.

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Parameterization установлено значение Use parameters CJ0, VJ, M & FC.

Reverse bias voltages [VR1 VR2 VR3] — напряжения обратного смещения
[ 0.1 10 100 ] V (по умолчанию) | вектор

Вектор значений напряжения обратного смещения в трех точках кривой C-V диода, которые блок использует для расчета , и .

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Parameterization установлено значение Use C-V curve data points.

Corresponding capacitances [C1 C2 C3] — емкости, ответствующие напряжениям обратного смещения
[ 45 3 6 ] pF (по умолчанию) | вектор

Вектор значений емкостей в трех точках кривой C-V диода, которые блок использует для расчета , и .

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Parameterization установлено значение Use C-V curve data points.

Junction potential, VJ — контактная разность потенциалов перехода
1 V (по умолчанию) | скаляр

Контактная разность потенциалов перехода.

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Parameterization установлено значение Use parameters CJ0, VJ, M & FC.

Grading coefficient, M — коэффициент плавности перехода
0.5 (по умолчанию) | скаляр

Коэффициент плавности перехода.

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Parameterization установлено значение Use parameters CJ0, VJ, M & FC.

Capacitance coefficient, FC — коэффициент нелинейности барьерной емкости прямосмещенного перехода
0.5 (по умолчанию) | скаляр

Коэффициент, количественно определяющий уменьшение разрядной емкости при приложении напряжения.

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Parameterization установлено значение Use C-V curve data points или Use parameters CJ0, VJ, M & FC.

Temperature Dependence

Parameterization — параметризация зависимости от температуры
None - Use characteristics at parametr measurement temperature (по умолчанию) | Use an I-V data point at second measurement temperature | Specify saturation current at second measurement temperature | Specify the energy gap, EG

Выберите один из следующих методов параметризации температурной зависимости:

  • None - Use characteristics at parametr measurement temperature – температурная зависимость не моделируется, или модель рассчитывается при температуре измерения (как указано в параметре Measurement temperature на вкладке Main). Это метод по умолчанию.

  • Use an I-V data point at second measurement temperature – при выборе этого значения нужно указать температуру второго измерения , а также значения тока и напряжения при этой температуре. Модель использует эти значения вместе со значениями параметров при первой температуре измерения для расчета значения ширины запрещенной зоны.

  • Specify saturation current at second measurement temperature – при выборе этого значения нужно указать температуру второго измерения , а также значение тока насыщения при этой температуре. Модель использует эти значения вместе со значениями параметров при первой температуре измерения для расчета величины ширины запрещенной зоны.

  • Specify the energy gap, EG – укажите значение ширины запрещенной зоны вручную.

Current I1 at second measurement temperature — ток I1 при температуре второго измерения
0.07 A (по умолчанию) | скаляр

Укажите значение тока диода при напряжении при второй температуре измерения.

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Parameterization установлено значение Use an I-V data point at second measurement temperature.

Voltage V1 at second measurement temperature — напряжение V1 при температуре второго измерения
1.3 V (по умолчанию) | скаляр

Укажите значение напряжения на диоде при токе при второй температуре измерения.

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Parameterization установлено значение Use an I-V data point at second measurement temperature.

Second measurement temperature — ток насыщения, IS, при температуре второго измерения
2.5e-7 A (по умолчанию) | скаляр

Укажите значение тока насыщения при температуре второго измерения.

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Parameterization установлено значение Specify saturation current at second measurement temperature.

Second measurement temperature — температура второго измерения
125 degC (по умолчанию) | скаляр

Укажите значение для второй температуры измерения.

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Parameterization установлено значение +Use an I-V data point at second measurement temperature или +Specify saturation current at second measurement temperature.

Energy gap parameterization — параметризация ширины запрещенной зоны
Use nominal value for silicon (EG=1.11eV) (по умолчанию) | Use nominal value for 4H-SiC silicon carbide (EG=3.23eV) | Use nominal value for 6H-SiC silicon carbide (EG=3.00eV) | Use nominal value for germanium (EG=0.67eV) | Use nominal value for gallium arsenide (EG=1.43eV) | Use nominal value for selenium (EG=1.74eV) | Use nominal value for Schottky barrier diodes (EG=0.69eV) | Specify a custom value

Выберите значение ширины запрещенной зоны из списка предопределенных вариантов или укажите пользовательское значение:

  • Use nominal value for silicon (EG=1.11eV) – это значение по умолчанию.

  • Use nominal value for 4H-SiC silicon carbide (EG=3.23eV)

  • Use nominal value for 6H-SiC silicon carbide (EG=3.00eV)

  • Use nominal value for germanium (EG=0.67eV)

  • Use nominal value for gallium arsenide (EG=1.43eV)

  • Use nominal value for selenium (EG=1.74eV)

  • Use nominal value for Schottky barrier diodes (EG=0.69eV)

  • Specify a custom value – если выбрать это значение, в диалоговом окне появится параметр Energy gap, EG, чтобы вы могли указать пользовательское значение для .

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Parameterization установлено значение Specify the energy gap EG.

Energy gap, EG — ширина запрещенной зоны
1.11 eV (по умолчанию) | скаляр

Укажите пользовательское значение для ширины запрещенной зоны, .

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, если для параметра Energy gap parameterization установлено значение Specify a custom value.

Saturation current temperature exponent parameterization — параметризация температурного показателя тока насыщения
Use nominal value for pn-junction diode (XTI=3) (по умолчанию) | Use nominal value for Schottky barrier diode (XTI=2) | Specify a custom value

Выберите одну из следующих опций, чтобы задать значение температурного показателя тока насыщения:

  • Use nominal value for pn-junction diode (XTI=3) – значение по умолчанию.

  • Use nominal value for Schottky barrier diode (XTI=2)

  • Specify a custom value – если выбрать это значение, в диалоговом окне появится параметр Saturation current temperature exponent, XTI, чтобы вы могли указать пользовательское значение для .

Saturation current temperature exponent, XTI — температурный показатель тока насыщения
3 (по умолчанию) | скаляр

Укажите пользовательское значение для температурного показателя тока насыщения, .

Зависимости

Этот параметр виден только в том случае, для параметра Saturation current temperature exponent parameterization установлено значение Specify a custom value.

Device simulation temperature — температура симуляции устройства
25 degC (по умолчанию) | скаляр

Укажите значение температуры , при которой будет моделироваться устройство.

Initial Targets

Diode current

Priority — приоритет
None (по умолчанию) | Higt | Low

Приоритет силы тока.

Value — значение силы тока
0 A (по умолчанию) | скаляр

Значение силы тока.

Единицы измерения – А.

Diode Voltage

Priority — приоритет
None (по умолчанию) | Higt | Low

Приоритет напряжения.

Value — значение напряжения
0 V (по умолчанию) | скаляр

Значение напряжения.

Единицы измерения – В.

Junction capacitance voltage

Priority — приоритет
Higt (по умолчанию) | None | Low

Приоритет емкости p-n-перехода.

Value — значение емкости p-n-перехода
0 V (по умолчанию) | скаляр

Значение емкости p-n-перехода.

Единицы измерения – В.

Ссылки на литературу

  1. H. Ahmed and P.J. Spreadbury. Analogue and digital electronics for engineers. 2nd Edition, Cambridge University Press, 1984.

  2. G. Massobrio and P. Antognetti. Semiconductor Device Modeling with SPICE. 2nd Edition, McGraw-Hill, 1993.