SPICEダイオードモデリング：正確なシミュレーションのための実践ガイド

SPICEは回路シミュレーションの業界標準であり、ダイオードは最も頻繁にモデリングされるコンポーネントの一つです。ダイオードの振る舞いは、デバイス要素文とモデル定義文の2つのステートメントでSPICEに取り込まれます。要素文がダイオードを回路に接続し、モデル文が電気的特性を指定します。

SPICEでのダイオード定義

すべてのダイオード要素は、任意の識別子に続く文字dで開始しなければなりません（例：d1、dtest、d101）。続く2つの数値がアノードとカソードのノード番号。最後のトークンが後で定義されるモデル名です。

例：

 d1 1 2 mod1 

対応するモデル文は.modelで始まり、モデル名、キーワードd、続いてParameter=Value形式のオプションパラメータ割り当てが続きます。省略パラメータは以下のテーブルに示すデフォルト値になります。

例：

 .model mod1 d 

パラメータ付き例：

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

主要ダイオードパラメータ

記号	名前	パラメータ	単位	デフォルト
IS	IS	飽和電流（ダイオード方程式）	A	1E‑14
RS	RS	寄生抵抗（直列抵抗）	Ω	0
n	N	放出係数、1〜2	-	1
τD	TT	通過時間	s	0
CD(0)	CJO	ゼロバイアス接合容量	F	0
ϕ0	VJ	接合ポテンシャル	V	1
m	M	接合グレーディング係数	-	0.5
Eg	EG	活性化エネルギー（eV）	-	1.11
pi	XTI	IS温度指数	-	3.0
kf	KF	フリッカーノイズ係数	-	0
af	AF	フリッカーノイズ指数	-	1
FC	FC	順バイアス空乏容量係数	-	0.5
BV	BV	逆ブレークダウン電圧	V	∞
IBV	IBV	逆ブレークダウン電流	A	1E‑3

信頼できるモデルの入手

最も正確なSPICEモデル入手法は、メーカーWebサイトから直接ダウンロードすることです。入手不能な場合、データシートから上記主要パラメータを抽出してモデルを構築できます。第3の選択肢として、実デバイスを測定し、SPICEパラメータを実測I-V曲線にフィットさせる方法があります。

パラメータ抽出例 – 1N4004

プロセスを説明するため、一般的な1N4004整流器のモデルを導出します。まず、Si整流器に典型的な放出係数Nとして2.0を選択。ダイオード方程式

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

とデータシート点（V_D = 0.925 V at I_D = 1 A, V_T = 26 mV at 25°C）を用いてI_Sを解きます：

 I_S = 18.8 nA 

他パラメータはデータシート指定がない限りデフォルト値：

• RS = 0 Ω（最初、後でフィット改善のため調整）
• TT = 0 s（Q_RRデータなし）
• CJO = 30 pF（V_R-C_Jグラフから）
• M = 0.333（線形グレード接合）
• VJ = 1 V, EG = 1.11 eV, XTI = 3.0
• BV = 400 V, IBV = 5 µA（逆ブレークダウン仕様）

結果モデル文：

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

モデルの微調整

導出モデルをメーカーモデルとデータシートI-V曲線と比較すると、1.4 Vでの電流がスペック超過（12 A）。直列抵抗を28.6 mΩに調整すると、1.4 Vで曲線が整合しつつ1 A点も維持。NとRSをイテレーションして、シミュレーション曲線をデータシート曲線全域で一致させるさらなる微調整が可能です。

モデル比較

以下のSPICE回路で、メーカー、データシート導出、デフォルトの3モデルを並列比較可能：

メーカー、データシート導出、デフォルトモデル比較用SPICE回路。

ネットリスト抜粋：

 *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 

ツェナー、トンネル、ガンダイオード

ツェナーダイオードには2つのモデリング戦略があります：

• BVパラメータをツェナー電圧に設定（例：.model D1N4469 D (BV=15 IBV=17m)）。最もシンプルなアプローチ。
• ダイオードクランパーでブレークダウン電圧を強制するサブサーキット使用（1N4477Aモデルのサブサーキット参照）。

サブサーキット例：

 .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 

トンネルダイオードは、負微分抵抗領域をエミュレートするためにJFETの組み合わせでモデル化可能（参照[KHM]）。同様に、ガンダイオードも2つのJFETでマイクロ波発振振る舞いを取得可能（[ISG]）。

重要なポイント

• diode要素でデバイス接続；.model文で電気的振る舞い定義。
• 静的パラメータ（N、IS、RS）が低周波性能を支配；逆ブレークダウン仕様（BV、IBV）が高電圧用途で重要。
• 動的振る舞いはTTとCJOにかかる；正確な過渡シミュレーションにはこれらを含める。
• メーカー提供モデルが最優先；入手不能ならデータシートデータや実測から導出。