超结MOSFET器件漂移区抛物线可变电阻模型及建模方法技术

本发明专利技术涉及一种超结MOSFET器件漂移区抛物线可变电阻模型及建模方法，包括：构建超结MOSFET电路模型，模型由MOSFET、漂移区抛物线可变电阻、体二极管和第一电阻Ⅰ、第一电阻Ⅱ构成；针对超结MOSFET物理结构参数对超结MOSFET器件的漂移区进行电阻建模，采用抛物线近似得到漂移区抛物线可变电阻模型；引入泰勒多项式来描述器件自加热第一电阻模型。通过超结MOSFET器件的物理结构参数获取漂移区抛物线可变电阻模型参数，通过器件的实测数据来获取常规MOSFET模型参数，体二极管模型参数以及自加热第一电阻模型参数。本发明专利技术能够很好的模拟超结MOSFET器件在各工作区域的特性，仿真精确度高。度高。度高。

【技术实现步骤摘要】
超结MOSFET器件漂移区抛物线可变电阻模型及建模方法


[0001]本专利技术涉及半导体器件的仿真领域，具体涉及一种超结MOSFET器件漂移区抛物线可变电阻模型及建模方法。

技术介绍

[0002]近年来，得益于计算机技术的迅猛发展，电路仿真越来越多的为人们所熟悉和利用，逐渐成为电路设计中必不可少的关键环节。SPICE(Simulation Program for Integrated CircuitsEmphasis)是由美国加州大学伯克利分校的电子研究实验室于1975年开发，集成电路设计、 PCB板级和系统级设计均离不开SPICE仿真。器件模型被看作是连接电路设计与工艺生产的桥梁，借助于电路仿真器，使用器件模型可以进行大量的虚拟实验－仿真，来预测电路的性能，从而提高设计效率，降低设计成本。
[0003]器件模型的精度直接影响电路行为仿真和性能评估的结果；然而传统的MOSFET模型都是面向横向结构的小功率MOS器件设计的，无法准确的描述功率超结MOSFET器件的特性，在电路设计应用到超结MOSFET器件时，仿真结果偏差较大；因此，需要一种或多种方法解决上述问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对传统的MOSFET模型无法准确的描述超结MOSFET器件特性的问题，一方面提供一种超结MOSFET器件漂移区抛物线可变电阻模型；另一方面提供一种超结MOSFET 器件建模方法，具体技术方案如下。
[0005]一种超结MOSFET器件漂移区抛物线可变电阻模型，包括：
[0006]MOSFET1、漂移区抛物线可变电阻2、体二极管3和第一电阻Ⅰ41、第一电阻Ⅱ42；
[0007]根据超结MOSFET器件的源极、栅极、源区和阱区之间载流子的移动特性，将所述源极、栅极、源区和阱区等效为MOSFET1；根据超结MOSFET器件的JFET区和N柱之间载流子的移动特性，将JFET区和N柱这两个区域等效为漂移区抛物线可变电阻2与第一电阻Ⅰ41 并联；将超结MOSFET器件的衬底等效为第一电阻Ⅱ42；根据超结MOSFET器件的阱区、P 柱和N柱之间载流子的移动特性，将所述阱区、P柱和N柱区域等效为体二极管3；
[0008]MOSFET的漏极12与漂移区抛物线可变电阻2的第一端连接；MOSFET源极11与体二极管3正极连接；第一电阻Ⅰ41的第一端与漂移区抛物线可变电阻2的第二端连接，第一电阻Ⅰ41的第二端与第一电阻Ⅱ42的第一端连接；第一电阻Ⅱ42的第二端与体二极管3负极连接；
[0009]MOSFET栅极引出电路模型栅极51，MOSFET源极11引出电路模型源极52，体二极管 3负极引出电路模型漏极53。
[0010]作为优选方式，第一电阻为Ⅰ41为压控电阻；第一电阻Ⅱ42为定值电阻，第一电阻I与第一电阻II等效为第一电阻，第一电阻实际为温控电阻。
[0011]本专利技术还提供一种超结MOSFET器件建模方法，包括如下步骤：
[0012](1)构建超结MOSFET电路模型拓扑结构；
[0013](2)对超结MOSFET的漂移区进行电阻建模，采用抛物线近似得到漂移区抛物线可变电阻模型；引入泰勒多项式来描述器件自加热效应第一电阻模型；
[0014](3)通过超结MOSFET器件的物理结构参数获取漂移区抛物线可变电阻模型参数，通过器件的实测数据来获取MOSFET模型参数，体二极管模型参数以及自加热第一电阻模型参数。
[0015]作为优选方式，步骤(2)中漂移区抛物线可变电阻模型为通过物理公式计算推出，推导方式如下：
[0016]因为JFET区的电阻也会随着漏极电压的变化而变化，为了使模型具有连续性，将在模型建立过程中将对超结结构进行简化，超结MOSFET在正常导通时，器件电阻主要由沟道区电阻R
ch
，JFET电阻R
JFET
和N柱漂移区电阻R
Drift
三部分构成，其他电阻如源区电阻R
N+
、衬底电阻R
sub
以及金属电阻可忽略不计，因此导通时器件的总电阻R
on
可以表示为
[0017]R
on
＝R
ch
+R
JFET
+R
Drift
[0018]当超结MOSFET导通时，对于漂移区任一高度y位置，其电势V(y)大小可以通过串联电阻的分压公式表示为
[0019][0020]式中，R(y)为漂移区高度从0到高度为y的电阻值，V
ds
为漏源电压，R
ch
为沟道区电阻， R
varied
为漂移区抛物线可变电阻。当栅极电压在阈值电压附近时，可变电阻的变化相对于沟道电阻可忽略不计，此时将可变电阻看成一个定值R0，而当栅极电压增大到沟道载流子表面散射占优时，随着漏极电压的增大，沟道电阻相对于漂移区的可变电阻可视为零，因此在高度 y处的电势为
[0021][0022]考虑到PN柱电荷平衡，当PN柱宽度相同时，则有P柱的掺杂浓度N
P
等于N柱的掺杂浓度N
N
，此时同一高度y处PN柱在N柱的耗尽区宽度可以求得
[0023][0024]式中，N
Drift
为漂移区掺杂浓度，其大小即为P、N柱的掺杂浓度，V
bi
为PN结的内建电势，ε
si
为硅的介电常数，q为电荷量，对于整个元胞而言，在N柱高度为y的位置耗尽区总宽度为2W
DN
(y)，则电流在该高度的宽度W
i
(y)为
[0025][0026]其中，W
cell
为超结MOSFET的元胞宽度，通过上述分析，容易知道电流从漂移区底部流向漂移区顶部的路径是由窄到宽，将耗尽线看成顶点在N柱中轴线上的抛物线，易知抛物
线开口向上，且经过N柱右侧耗尽线的最高处点A、N柱右侧耗尽线的最低处点B两点，将中轴线作为y轴且向下为正方向，则抛物线的表达式为
[0027]y＝Px2+Q
[0028]式中P与Q均为常数，容易知道A、B两点坐标分别为(W
top
/2,0)、(W
bot
/2,H)，H为超结MOSFET外延层的厚度，W
top
为高度为0处电流的宽度，W
bot
为高度为H处电流的宽度，于是通过待定系数法可以求得P、Q分别为4H/(W
bot2
‑
W
top2
)、W
top2 H/(W
top2
‑
W
bot2
)；于是上式可以表示为
[0029][0030]因此，漂移区在高度为y位置处的电流宽度为
[0031][0032]因此在高度为y位置处的电阻dR(y)大小可以表示为
[0033][0034]其中，Z为超结MOSFET元胞沿着垂直方向本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超结MOSFET器件漂移区抛物线可变电阻模型，其特征在于，包括：MOSFET(1)、漂移区抛物线可变电阻(2)、体二极管(3)和第一电阻Ⅰ(41)、第一电阻Ⅱ(42)；根据超结MOSFET器件的源极、栅极、源区和阱区之间载流子的移动特性，将所述源极、栅极、源区和阱区等效为MOSFET(1)；根据超结MOSFET器件的JFET区和N柱之间载流子的移动特性，将JFET区和N柱这两个区域等效为漂移区抛物线可变电阻(2)与第一电阻Ⅰ(41)并联；将超结MOSFET器件的衬底等效为第一电阻Ⅱ(42)；根据超结MOSFET器件的阱区、P柱和N柱之间载流子的移动特性，将所述阱区、P柱和N柱区域等效为体二极管(3)；MOSFET的漏极(12)与漂移区抛物线可变电阻(2)的第一端连接；MOSFET源极(11)与体二极管(3)正极连接；第一电阻Ⅰ(41)的第一端与漂移区抛物线可变电阻(2)的第二端连接，第一电阻Ⅰ(41)的第二端与第一电阻Ⅱ(42)的第一端连接；第一电阻Ⅱ(42)的第二端与体二极管(3)负极连接；MOSFET栅极引出电路模型栅极(51)，MOSFET源极(11)引出电路模型源极(52)，体二极管(3)负极引出电路模型漏极(53)。2.根据权利要求1所述的一种超结MOSFET器件漂移区抛物线可变电阻模型，其特征在于，第一电阻为Ⅰ(41)为压控电阻；第一电阻Ⅱ(42)为定值电阻，第一电阻I(41)与第一电阻II(42)等效为第一电阻，第一电阻实际为温控电阻。3.一种超结MOSFET器件建模方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)构建超结MOSFET电路模型拓扑结构；(2)对超结MOSFET的漂移区进行电阻建模，采用抛物线近似得到漂移区抛物线可变电阻模型；引入泰勒多项式来描述器件自加热效应第一电阻模型；(3)通过超结MOSFET器件的物理结构参数获取漂移区抛物线可变电阻模型参数，通过器件的实测数据来获取MOSFET模型参数，体二极管模型参数以及自加热第一电阻模型参数。4.根据权利要求3所述的一种超结MOSFET器件建模方法，其特征在于，步骤(2)中漂移区抛物线可变电阻模型(2)为通过物理公式计算推出，推导方式如下：因为JFET区的电阻也会随着漏极电压的变化而变化，为了使模型具有连续性，将在模型建立过程中将对超结结构进行简化，超结MOSFET在正常导通时，器件电阻主要由沟道区电阻R
ch
，JFET电阻R
JFET
和N柱漂移区电阻R
Drift
三部分构成，其他电阻如源区电阻R
N+
、衬底电阻R
sub
以及金属电阻可忽略不计，因此导通时器件的总电阻R
on
可以表示为R
on
＝R
ch
+R
JFET
+R
Drift
当超结MOSFET导通时，对于漂移区任一高度y位置，其电势V(y)大小可以...

【专利技术属性】
技术研发人员：任敏，陶霖，张淑萍，周通，李东野，李泽宏，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：