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Light Emitting Diode

LED の SPICE モデルについて目次
1. 概要 ................................................................................... 2
2. SPICE とは....................................................................... 2
3. 弊社提供 LED モデル................................................ 2
4. モデルパラメータについて ....................................... 4
5. LED モデル使用上の注意点 ................................... 96. まとめ ................................................................................ 9This document contains tentative information, Nichia may change the contents without notice.
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1. 概要
電子機器は年々制御が複雑化しており、内蔵される制御回路も大規模かつ複雑なものになっています。その反面、開発現場では開発期間の短縮やコストダウンが求められており開発現場における回路シミュレーションの重要性は日々高まってきています。このような回路シミュレーションの需要にこたえるため、弊社では回路シミュレータの一種である SPICE に対応した LED モデルを提供しています。
本書では弊社が提供する SPICE モデルの説明および使用上の注意点を示します。

2. SPICE とは
SPICE とは“Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis”の略で、電気回路の動作をコンピューター上でシミュレーションする回路シミュレータのことを指します。テキストコマンド、または GUI（Graphical UserInterface）による回路入力により一般的な DC 解析のほか AC(過渡)解析、ノイズ解析など様々な回路動作をシLight Emitting Diode

ミュレーションすることが可能です。
元は米国カリフォルニア・バークレイ校（以下 UCB）で開発されたものですがソースコードが無料で公開されているため、多くの企業がこれをもとに独自に改良したシミュレータを開発、販売しています。よって SPICE は数ある回路シミュレータの中でも最も普及している回路シミュレータであると言えます。

3. 弊社提供 LED モデル
3.1. 弊社 LED モデルの適応範囲
弊社では図 1 のようなダイオードモデル形式の LED モデルを提供しています。弊社 LED モデルでは製品仕様書に記載されている代表特性のうち、以下の 2 特性を再現することが可能です。
①順方向特性： ジャンクション温度 25℃における順電圧-順電流特性（次頁 図 2 参照）②温度特性： 製品定格電流値におけるジャンクション温度-順電圧特性（次頁 図 3 参照）
その他の容量特性や逆方向特性、AC（過渡）特性などに関しては弊社 LED モデルでは対応していません。

***********************************************************Document No.:SE-KSExxxxxx*Date:10/14/2020*Part Number :xxxxxxxx*Spec Ref. :SE-KSExxxxxx*All Rights Reserved Copyright (c) Nichia Corporation 2020**********************************************************.model xxxxxxxx D+ IS=2.5939E-13+ N=4.0113+ RS=0.24229+ IKF=0+ EG=3+ XTI=25*$
図 1. 弊社提供 LED モデル例
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NVSW219F
NVSW219F
管理番号
No. STS-DA7-15330
管理番号
No. STS-DA7-15330* 本特性は参考です。
* 本特性は参考です。
All characteristics
shown
arereference
for reference
only areandnot
areguaranteed.
not guaranteed.
All characteristics
shown
are foronly and* パルス駆動により測定しています。
* パルス駆動により測定しています。
The following
graphsthe characteristics
measuredin pulse
mode.
The following
graphsshowshowthe characteristics
measuredin pulsemode.
順電圧-順電流特性
順電圧-順電流特性
ForwardVoltage
ForwardVoltagevs vsForwardCurrent
ForwardCurrent

VfIf

ジャンクション温度-順電圧特性
ジャンクション温度-順電圧特性
Junction
Temperature
Junction
Temperaturevs vsTaVf TaVf
ForwardVoltage
ForwardVoltage
IFP=700mA
IFP=700mA
4.0 4.0

VfIfTJ =25°C
TJ =25°C

30003000
25002500
24002400

順電圧
Forward Voltage(V)順電圧
Forward Voltage(V)

順電流
Forward Current(mA)
順電流
Forward Current(mA)

3.5 3.5

20002000
15001500

3.0 3.010001000

2.5 2.5700 700
500 50000
2.0 2.0 2.5 2.5 3.0 3.0 3.5 3.5 4.0 4.0

2.0 2.0-60 -60-30 -300

3.2. 動作確認

3.5 3.5

IfIv

030306060
90 12090 120150 150
180 180

ジャンクション温度
ジャンクション温度
Junction
Temperature(°C)
Junction
Temperature(°C)

図 2. 順方向特性例※1

順電流-相対光束特性
順電流-相対光束特性
ForwardCurrent
ForwardCurrentvs vsRelative
Luminous
Relative
Luminous
Flux Flux IfIv

図 3. 温度特性例※1

ジャンクション温度-相対光束特性
ジャンクション温度-相対光束特性
Junction
Temperature
Junction
Temperaturevs vsRelative
Luminous
Relative
Luminous
Flux Flux
TaIv TaIv
IFP=700mA
IFP=700mA
1.4 1.4

TJ =25°C
TJ =25°C※23.0
弊社では OrCAD 3.0
PSPICEにて LED モデルの動作確認を行っています。動作確認では順電圧-順電流特相対光束 (IFP=700mAで正規化)
Relative Luminous Flux(a.u.)(IFP=700mAで正規化)
相対光束at IFP= 700mA)(Normalized
Relative Luminous Flux(a.u.)(Normalized at IFP= 700mA)

1.2 1.2

相対光束(T J =25°Cで正規化)
Relative Luminous Flux(a.u.)
相対光束(Tat T J =25°C)(NormalizedJ =25°Cで正規化)
Relative Luminous Flux(a.u.)(Normalized at T J =25°C)

Light Emitting Diode

順電圧
順電圧
ForwardVoltage(V)ForwardVoltage(V)性およびジャンクション温度-順電圧特性の再現性のみを確認しています。なおPSPICE 以外のツールにおい
2.5 2.5ても UCB SPICE をベースとしたものであればパラメータを共用できる場合がありますが、条件によってシミュレ
1.0 1.0
2.0
2.0

ーション結果が異なる場合があるためご注意ください。
1.5 1.5

0.8 0.8

1.0 1.0

0.6 0.6

0.5 0.5
0.0 0.00500 500
010001000
1500150020002000
25002500
30003000

0.4 0.4-60 -60-30 -300

順電流
順電流ForwardCurrent(mA)
ForwardCurrent(mA)

030306060
90 12090 120150 150
180 180

ジャンクション温度
ジャンクション温度
Junction
Temperature(°C)
Junction
Temperature(°C)* 本特性は色温度2700K~4500K、演色性ランクR70に対応しています。
* 本特性は色温度2700K~4500K、演色性ランクR70に対応しています。
The graphs
above
the characteristics
for 2700K~4500K,
R70 LEDsof product.
this product.
The graphs
aboveshowshowthe characteristics
for 2700K~4500K,
R70 LEDsof this※1. 例として型番 NVSW219F の製品仕様書に記載されている代表特性を示します。
※2. OrCAD 及び PSPICE は米国ケイデンス・デザイン・システムズ社の商標です。弊社では Ver.9 以上の OrCAD で動作確認を行っています。

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4. モデルパラメータについて一般的なダイオードモデルで使用されるパラメータの一覧を表 1 に示します。弊社モデルでは IS、N、RS、IKF、EG、XTI という順方向(DC)特性および温度特性に対応する 6 パラメータに対応しています。それ以外のパラメータは非対応としモデルファイルには記載されていませんのでご了承ください。
本章では各パラメータの意味および弊社における調整方法を説明します。
表 1. 一般的なダイオードモデルパラメータ

Light Emitting Diode

特性パラメータ

意味

弊社モデルIS

逆方向飽和電流対応

順方向N

放射係数対応（DC）RS

直列抵抗対応IKF

高注入折れ曲がり電流

対応

EG

エネルギーギャップ

対応

XTI

IS の温度係数

対応

CJO

ゼロバイアス接合容量

非対応

M

接合傾斜係数

非対応

VJ

拡散電位

非対応

ISR

再結合電流

非対応

逆方向NR

ISR の拡散効果

非対応（DC）

BV

逆方向降伏電圧非対応

IBV

逆方向降伏電流非対応

TT

逆方向回復特性

非対応

温度容量

逆方向（AC）

4.1. 順方向(DC)特性パラメータ
順方向における電圧-電流特性を再現するために IS、N、RS、IKF が使用されます。いずれも一般的なダイオードの電気特性を示すパラメータですが、弊社モデルでは順方向特性の再現精度を優先してパラメータの値を決定しています。

4.1.1. IS：逆方向飽和電流
IS は逆方向（負電圧）側に流れる飽和電流を意味します。一般的なダイオードモデルの場合、図 4 のようにIS が大きいほど逆方向に流れる電流が大きくなります。またそれに伴い順方向の立ち上がり（電流が流れ始める電圧）にも影響を与え IS が大きいほど低い電圧で立ち上がるようになります。LED の動作領域においても同様に IS が大きいほど低い電圧で立ち上がるため、図 5 のように順方向特性の立ち上がりを調整することができます。

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1.5E-113
IS_小IS_中IS_大IS_中
IS_大

2
[A]

[A]

1E-11

IS_小

2.55E-121.5
100.5-5E-120-1-0.5

00.5

[V]

2.5

2.7

2.9
[V]

3.1

図 4. ダイオードの特性例

図 5. LED の特性例

3.34.1.2. N：放射係数
N は注入したキャリアの再結合の度合いを意味します。一般的なダイオードモデルでは 1～2 の間の値を取電圧は高くなります。LED においても同様に順電圧を調整することができますが（図 7 参照）、一般的なダイオードよりも順電圧が高い LED では 2 よりも大きい値で調整する場合があります。

1003N_小10

N_大N_中N_大2[A][A]

N_小2.5

N_中1

1.5

0.1

10.01

0.50.001

000.5

1
[V]

1.522.5

図 6. ダイオードの特性例

2.72.9[V]3.13.3図 7. LED の特性例

4.1.3. RS：直列抵抗
RS はダイオード(LED)に直列に接続された抵抗成分を意味します。一般的な LED ではボンディングワイヤ―などの接続部材が抵抗成分として考えられます。図 8 および図 9 のように抵抗成分である RS が大きくなるほど電流は流れにくくなるため、高電流領域での傾きを調整することができます。

1003RS_小10RS_中2.5

RS_大2[A]1[A]Light Emitting Diodeり、1 に近いほど再結合成分を含まない理想的なダイオードの特性を示します。N が大きいほど図 6 のように順0.1

RS_小RS_中RS_大1.5
10.01

0.50.001

000.5

1[V]

1.5

図 8. ダイオードの特性例

22.5

2.7

2.9[V]

3.13.3

図 9. LED の特性例

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4.1.4. IKF：高注入折れ曲がり電流
IKF は高注入状態時の折れ曲がり電流を意味します。UCB のダイオードモデルには含まれていませんがPSPICE など代表的な SPICE シミュレータで使用されるパラメータです。順方向特性の傾きを途中で変えたい
場合に使用し、図 10 および図 11 のように値が大きいほど高い電流値で傾きが変化するようになります。
ただし値が大きくなるほど傾きの変化点が高電流側に移っていくため実仕様領域においては IKF=0 の特性に収束していきます。

1003IKF=010

IKF_中
IKF_大0.1

IKF_大1.5
10.01

0.50.001

000.5

1[V]

1.5

22.5

図 10. ダイオードの特性例

2.7

2.9[V]

3.1

3.3

図 11. LED の特性例

4.2. 温度特性パラメータ
ジャンクション温度-電圧特性を再現するために EG、XTI が使用されます。ただし LED ジャンクション温度が25℃以上の場合での使用を想定してパラメータを調整しているため、LED ジャンクション温度が 25℃を大きく下回る条件では誤差が大きくなる場合があります。

4.2.1. EG：エネルギーギャップ
EG は一般的な半導体のバンド構造におけるエネルギーギャップ（禁制帯）を意味します。通常は半導体を構成する材質によって決まっている固有値を使用します。（Si=1.11eV など） ただし弊社 SPICE モデルでは温度特性の再現精度を優先してパラメータの値を調整しています。
4.2.2. XTI：IS の温度係数
XTI は順方向特性の調整で使用するパラメータ IS の温度係数です。ジャンクション温度による IS の変化量を調整でき、図 12 のように XTI が大きくなるほど温度特性の傾きは小さく（右肩下がりに）なります。弊社 SPICEモデルは 25℃を基準温度としているため 25℃を基点として傾きが変わります。なお基点となる電圧値はパラメータ IS、N、RS、IKF で決まります。

4XTI_小XTI_中
XTI_大3.5[V]

Light Emitting DiodeIKF_中2[A][A]

1

IKF=02.5

32.5-60 -40 -20 020 40 60 80 100 120 140 160[°]

図 12. LED の特性例

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4.3. 容量特性パラメータダイオード（LED）にはコンデンサとして働く容量成分が存在します。ただし一般的なコンデンサとは異なり印加電圧値によって容量値が変動します。この電圧-容量特性を再現するためのパラメータが CJO、M、VJ です。

4.3.1. CJO：ゼロバイアス接合容量
CJO はゼロバイアス（電圧を印加せず電流が流れていない状態）での接合容量値を意味します。

4.3.2. M：接合傾斜係数
M は接合傾斜係数を意味します。空乏層内の不純物濃度が pn 接合面でステップ状に変化するものを階段接合、徐々に変化していくものを傾斜接合と言います。この値を調整することにより電圧-容量特性の傾きを変Light Emitting Diode化させることができます。通常は階段接合（M=1/2）と傾斜接合（M=1/3）の間で調整します。

4.3.3. VJ：拡散電位
VJ は拡散電位を意味します。拡散電位とは電圧を印加していない状態での空乏層の電圧差のことです。パラメータ値は基本的に半導体材質によって決まります。

4.4. 逆方向(DC)特性パラメータ
逆方向における DC 特性として、漏れ電流や降伏現象（逆方向に高い電圧をかけた場合、ある電圧値から急激に逆方向電流が流れ始める）を再現するためのパラメータが ISR、NR、BV、IBV です。
なお保護素子（ツェナーダイオードなど）を搭載する LED では逆方向特性は保護素子の順方向特性に依存するため、保護素子を搭載しない LED とは特性が大きく異なることがあります。（図 13 参照）

順方向電流
逆方向電流

AAKK

保護素子非搭載

保護素子搭載図 13. LED の逆方向特性

4.4.1. ISR：再結合電流
ISR は再結合電流を意味します。逆方向の漏れ電流値を調整することができますが再結合電流の影響が大きい順方向の低電流領域特性にも影響を与えるため IS と一緒に調整する必要があります。

4.4.2. NR：再結合電流 ISR の放射係数
NR は ISR の影響度の調整に使用する係数です。

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4.4.3. BV：逆方向降伏電圧
BV は降伏現象が起こる電圧値を意味します。ただし保護素子を搭載している LED では保護素子の順方向特性に依存するため一般的な降伏現象とは異なり、低い電圧から電流が流れ始めます。

4.4.4. IBV：逆方向降伏電流
逆方向降伏電圧（BV）で流れる逆方向電流値です。

4.5. 逆方向(AC)特性パラメータ
逆方向における AC（過渡）特性を再現するためのパラメータが TT です。逆方向(DC)特性同様、保護素子の影響を受けます。

Light Emitting Diode4.5.1. TT：逆回復特性
TT は逆回復特性を意味します。順方向駆動状態から逆方向に切り替えると、蓄積されていたキャリアが逆方向に移動（拡散）するため逆方向に電流が流れます。その後キャリア濃度が減少すると電流が流れなくなります。（図 14 参照） 逆回復特性は逆方向に切り替えた瞬間から逆方向電流が流れなくなるまでの時間を示します。この時間が短いほど応答特性に優れていると言えます。

ITTTime

図 14. 逆回復特性波形

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5. LED モデル使用上の注意点
・ 弊社が提供する SPICE モデルは製品の特性を保証するものではありません。また特性を完全に再現できているわけではなく誤差が生じます。SPICE モデルを使用したシミュレーション結果はあくまでも参考とし、必ず実機による評価を行ってください。
・ 順方向特性（順電流-順電圧）および温度特性（ジャンクション温度-順電圧）のみを再現したモデルとなります。その他の容量特性や逆方向特性、過渡特性などには対応していません。
・ 再現される特性は製品の代表特性であり個々のばらつきや選別ランクを考慮したものではありません。
・ 製品のジャンクション温度が 25℃以上での使用を想定してモデルを作成しているため、低温度条件下のシミュレーションでは実特性との差が大きくなることがあります。
・ 製品のジャンクション温度は器具の放熱仕様や駆動条件によって異なります。測定方法については製品仕Light Emitting Diode様書およびアプリケーションノートを参照してください。
・ 低電流領域におけるシミュレーション結果は実特性との差が大きくなる傾向にあります。このため定格電流の 10%以上でのシミュレーションを推奨します。
・ 一部のパラメータでは構成部材や構造によって値が決まるものがありますが、弊社 SPICE モデルは特性の再現精度を優先してモデルを作成しているため、パラメータが意味する理論値とは異なる場合があります。
・ 弊社では OrCAD PSPICE でモデルの動作確認を行っています。その他のシミュレータに関しては動作確認を行っておりません。
・ 弊社が提供するのはパラメータファイルのみであり回路図で使用するシンボルファイルは含まれません。お使いのシミュレータに適した LED のシンボルファイルをご準備ください。
・ パラメータファイルはテキストファイル形式(.txt)で提供します。お使いのシミュレータに対応するファイル形式に変換していただくか、事前にご準備いただいたパラメータファイルを上書きしてご使用ください。
・ ”*”（アスタリスク）から始まる行は弊社管理のためのコメント行でありシミュレーションには影響ありません。

6. まとめSPICE モデルは完全に製品の特性を再現できているわけではなく誤差を含みます。これに製品個々の特性ばらつきや測定誤差などが積み重なると、実機による実測結果とシミュレーション結果の差が大きくなることがあります。SPICE モデルを使用したシミュレーション結果はあくまでも参考とし、必ず実機にて設計通りの性能が出ていることをご確認ください。

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