4. 创建二极管子电路模型

任务说明

本案例基于二极管物理方程，创建一个包含寄生电阻效应的二极管子电路模型，并通过直流扫描仿真验证其正向与反向I-V特性。子电路模型将使用SPICE的.SUBCKT结构封装，核心电流源由受控源实现，确保模型可被外部电路直接调用。

二极管物理模型

二极管电流采用Shockley方程，并串联体电阻\(R_S\)以反映实际器件的压降偏移：

\(I_D = I_S \cdot \left( e^{\frac{V_D}{n V_T}} - 1 \right)\)

其中\(V_D\)为结电压，\(V_T = kT/q \approx 25.85\text{mV}@300K\)，\(n\)为理想因子，\(I_S\)为饱和电流。子电路内部通过节点电压差控制受控电流源\(G_D\)，同时串联电阻\(R_S\)模拟寄生效应。

子电路实现

创建文件diode_subckt.cir，内容如下：

* Diode subcircuit model with series resistance
.SUBCKT DIODE_MOD 1 2
* Parameters: IS=1e-14, N=1.0, RS=0.5, VT=0.02585
.param IS=1e-14
.param N=1.0
.param RS=0.5
.param VT=0.02585

* Internal node for junction voltage
R_S 1 3 {RS}
V_SENSE 3 2 DC 0
* Controlled current source: I = IS*(exp(V(3,2)/(N*VT))-1)
G_D 3 2 VALUE = {IS * (exp(V(3,2)/(N*VT)) - 1)}
.ENDS DIODE_MOD

说明：V_SENSE为零值电压源，用于检测流过支路的电流；G_D为非线性压控电流源，其表达式直接对应Shockley方程。外部节点1为阳极，节点2为阴极。

测试电路与直流扫描

创建测试文件test_diode.cir，对子电路进行正向与反向扫描：

* Test bench for diode subcircuit
.include diode_subckt.cir
X1 1 0 DIODE_MOD
V1 1 0 DC 0

* Forward sweep: 0V to 1.0V step 0.01V
.DC V1 0 1.0 0.01
.PRINT DC I(V1) V(1)
* Reverse sweep: 0V to -5V step 0.1V
.DC V1 0 -5 -0.1
.PRINT DC I(V1) V(1)
.END

运行命令（以ngspice为例）：

ngspice -b test_diode.cir

验证方法

仿真完成后，检查输出数据：

• 正向特性：当\(V_1\)从0升至约0.3V时，电流接近0；超过0.5V后电流指数上升。在\(V_1=0.7V\)时，预期电流约为\(I_S \cdot e^{0.7/(1 \cdot 0.02585)} \approx 1e-14 \cdot e^{27.1} \approx 5.4\text{mA}\)（考虑\(R_S\)压降后实际略低）。
• 反向特性：当\(V_1\)为负值时，电流趋近于\(-I_S = -1e-14\text{A}\)，几乎不随反向电压变化，体现截止特性。
• 判定标准：若正向0.7V时电流在mA量级，反向-5V时电流值小于1e-12A，且曲线单调无振荡，则模型正确。

预期输出示例

根据电路参数直接推导，正向扫描时在\(V_1=0.7V\)处，若不考虑\(R_S\)压降，理论电流为\(1e-14 \times e^{27.08} \approx 5.7\text{mA}\)；实际因\(R_S=0.5\Omega\)分压，结电压略低，电流约为5.4mA。反向-5V时电流为\(-1e-14\text{A}\)。此结果由模型方程唯一确定，可作为验证参考。

判定标准

完成上述仿真后，若正向0.7V附近电流达到毫安级（约5.4mA），反向-5V时电流值小于1e-12A，且曲线连续无异常跳变，则判定二极管子电路模型实现正确，I-V特性符合物理预期。