限制安全工作区的超结MOSFETSPICE模型建立方法技术

本发明专利技术公开一种具有安全工作区SOA限制的超结MOSFET SPICE模型建立方法，应用于电子元器件建模领域。常用功率MOSFET SPICE模型仅用反偏二极管实现对定值击穿的模拟，以限制器件的工作范围；本发明专利技术基于超结MOSFET特有的叠加电场模型，提出了一种可模拟击穿与热失效的超结MOSFET SPICE模型，可辅助确认超结MOSFET器件是否在SOA范围内工作；同时可模拟近SOA边界的器件雪崩与短路特性，以适应极端电应力条件下的超结MOSFET模型验证与应用电路仿真。下的超结MOSFET模型验证与应用电路仿真。下的超结MOSFET模型验证与应用电路仿真。

【技术实现步骤摘要】
限制安全工作区的超结MOSFET SPICE模型建立方法


[0001]本专利技术属于电子元器件建模领域，特别涉及一种限制工作区域的超结MOSFET SPICE模型建立方法。

技术介绍

[0002]基于SPICE的计算机辅助设计可以进行大量的虚拟实验和虚拟测试，对器件、电路以及系统级别的工作状态进行预测，辅助电路系统的开发设计，以实现更高的成本效益和更短的开发周期。其中高精度的SPICE器件模型是提高应用电路的设计效率及适用性的重要保障。
[0003]相比于传统垂直型功率MOSFET，超结MOSFET器件因为具有PN柱周期排列的特殊漂移区结构而优化了耐压与导通电阻的折衷关系，这也使得器件机理与行为描述都具有特殊性，需要使用专用的超结MOSFET SPICE模型以保证对电路和系统行为预测的准确性。随着电源管理模块的复杂度及系统的集成度不断提高，对SPICE系统仿真在可靠性问题与抗极端应力环境方面的处理也提出了更高要求。包含可靠性仿真设计在内的超结MOSFET SPICE模型将辅助电路设计人员在早期仿真阶段发现更多设计错误，进行更合理的器件设计或选型，尽量避免可靠性问题引进到制造阶段后付出更高昂的代价。
[0004]在实际工程应用中，需要定义SOA(安全工作区)以确保器件永远不会在定义的极限界限之外工作，否则将不可能实现可靠的电路设计。尤其是在典型开关电源电路应用中，每个开关周期功率MOSFET都会经过饱和区并同时承受较高电压与电流脉冲，且为实现更低EMI而降低开关频率时，更大的脉冲长度会使SOA限制范围更小。对功率MOSFET进行适用性确认的手段主要是采集系统仿真或制版测试的器件数据并进行分析，判断各测试项是否处于最大额定值范围内，对照SOA图表判断是否超过热稳定限制以及封装最大电流限制，以及确认连续脉冲下的器件平均功耗是否在额定范围内。目前器件厂商提供的超结MOSFET器件模型主要服务于超结MOSFET保持正常工作的电路的模拟，这种基础模型仅以反偏二极管反映器件的阻断特性从而限制器件的工作范围，对于确认器件是否在电路系统仿真中安全可靠是远不够的；同时这种模型由于没有对超结MOSFET在SOA边界附近的特殊电学特性进行描述，限制了极端电应力条件下的器件应用电路仿真，如对超结MOSFET的雪崩与短路特性的验证。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种限制安全工作区的超结MOSFET SPICE模型建立方法，在应用电路仿真中，当超结MOSFET的工作电流电压超越最大额定值、容许功率或热稳定限制时将发生等效击穿，从而将器件正常工作范围限制在SOA以内，并实现近SOA边界极端电应力条件下的超结MOSFET模型验证与应用电路仿真；
[0006]本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种限制安全工作区的超结MOSFET SPICE模型建立方法，包括如下步骤：
[0008]S1、取待进行SPICE模型开发的超结MOSFET器件产品，通过测试及查阅产品手册分别确认器件在一定环境温度及脉冲宽度的工作条件下的绝对最大额定值，包括最大漏极
‑
源极间电压、封装决定的最大电流能力、最大工作结温；并获取器件的输出特性、第三象限导通特性、电容特性及等效热网络；
[0009]S2、根据直流及电容测试数据，反向提取超结MOSFET元胞结构及工艺参数；
[0010]S3、依据超结MOSFET电荷及电场叠加模型，分别建立一次击穿电压、二次击穿电压随漏源电流变化关系的计算模型，以及两次击穿的电压区间内漏极电流随漏源极间电压变化关系的计算模型；
[0011]S4、以超结MOSFET的物理击穿模型为基础，建立限制安全工作区SOA的超结MOSFET等效电路模型，其中以直流导通支路或现有常规超结MOSFET等效电路为核心，在外围设计具有安全工作区SOA限制能力的电路拓扑，包括一次击穿电流与限制支路、二次击穿限制支路及功率限制支路；建立耦合热网络电路及判定电路；
[0012]S5、由步骤S1的数据及步骤S3的模型计算结果分别确定直流导通支路、一次击穿电流支路、最大漏源极间电压限制支路、二次击穿限制支路、功率限制支路、判定电路及等效热网络的电路参数；
[0013]S6、确定SPICE模型中需使用的元件、函数和模型参数，编写并根据需求封装相关支路，获得最终可直接在SPICE仿真器中调用的限制安全工作区SOA的超结MOSFET模块或限制安全工作区SOA的外围子电路模块。
[0014]作为优选方式，步骤S2所述反向提取超结MOSFET元胞结构及工艺参数的过程为：
[0015]假设工艺参数的提取对象为电荷平衡的理想超结MOSFET器件，PN柱宽pitch为W，PN柱外延长度或刻槽深度为L，PN柱掺杂浓度为N，元胞并联长度为Z；产品阻断电压为BV
DSS
，临界电场为E
c
，由矩形电场分布有：
[0016]BV
DSS
≈E
C
L
ꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(1)
[0017]对于输出电容C
oss
，在高漏源电压V
h
下逐渐趋近于稳定值，介电常数为ε，此时超结漂移区几乎被全耗尽，该值约为：
[0018][0019]对于米勒电容C
rss
，取C
rss
‑
V
DS
曲线上斜率突变的转折电压为夹断电压V
pin
，PN柱相互耗尽形成的耗尽区发生夹断，元电荷为q，该电压与柱宽及掺杂浓度关系为：
[0020][0021]设迁移率为μ，电阻Ron近似为：
[0022][0023]由方程(1)(2)(3)(4)提取超结MOSFET的L、W、N、Z。
[0024]作为优选方式，设超结MOSFET漂移区是由掺杂实现电荷平衡的理想PN柱，漏极电流的增加，自由电子使N柱等效浓度下降，此时的等效非平衡PN柱可视为平衡PN柱叠加P型半导体的叠加，设电子饱和速度为v
sat
，介电常数为ε，饱和电流I
Dsat
，电子电流密度J
n
为：
[0025][0026]P/N柱掺杂均为N，等效N柱浓度N
Deff
，则叠加模型中平衡PN柱浓度N
pn
为：
[0027][0028]其中叠加P型半导体浓度N
pcon
为：
[0029][0030]漂移区平衡PN柱施加电压为漏源电压V
DS
，叠加P型半导体形成的P
+
PN
+
二极管两端电压差为0，则在底部形成电场峰值E
peak
为：
[0031][0032]当电场峰值E
peak
达到临界电场E
c
发生一次击穿，击穿电压BV1随饱和漏极电流I
Dsat
线性减小：
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种限制安全工作区的超结MOSFET SPICE模型建立方法，其特征在于包括如下步骤：S1、取待进行SPICE模型开发的超结MOSFET器件产品，通过测试及查阅产品手册分别确认器件在一定环境温度及脉冲宽度的工作条件下的绝对最大额定值，包括最大漏极
‑
源极间电压、封装决定的最大电流能力、最大工作结温；并获取器件的输出特性、第三象限导通特性、电容特性及等效热网络；S2、根据直流及电容测试数据，反向提取超结MOSFET元胞结构及工艺参数；S3、依据超结MOSFET电荷及电场叠加模型，分别建立一次击穿电压、二次击穿电压随漏源电流变化关系的计算模型，以及两次击穿的电压区间内漏极电流随漏源极间电压变化关系的计算模型；S4、以超结MOSFET的物理击穿模型为基础，建立限制安全工作区SOA的超结MOSFET等效电路模型，其中以直流导通支路或现有常规超结MOSFET等效电路为核心，在外围设计具有安全工作区SOA限制能力的电路拓扑，包括一次击穿电流与限制支路、二次击穿限制支路及功率限制支路；建立耦合热网络电路及判定电路；S5、由步骤S1的数据及步骤S3的模型计算结果分别确定直流导通支路、一次击穿电流支路、最大漏源极间电压限制支路、二次击穿限制支路、功率限制支路、判定电路及等效热网络的电路参数；S6、确定SPICE模型中需使用的元件、函数和模型参数，编写并根据需求封装相关支路，获得最终可直接在SPICE仿真器中调用的限制安全工作区SOA的超结MOSFET模块或限制安全工作区SOA的外围子电路模块。2.如权利要求1所述的一种限制安全工作区的超结MOSFET SPICE模型建立方法，其特征在于步骤S2所述反向提取超结MOSFET元胞结构及工艺参数的过程为：假设工艺参数的提取对象为电荷平衡的理想超结MOSFET器件，PN柱宽pitch为W，PN柱外延长度或刻槽深度为L，PN柱掺杂浓度为N，元胞并联长度为Z；产品阻断电压为BV
DSS
，临界电场为E
c
，由矩形电场分布有：BV
DSS
≈E
C
L
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公式(1)对于输出电容C
oss
，在高漏源电压V
h
下逐渐趋近于稳定值，介电常数为ε，此时超结漂移区几乎被全耗尽，该值约为：对于米勒电容C
rss
，取C
rss
‑
V
DS
曲线上斜率突变的转折电压为夹断电压V
pin
，PN柱相互耗尽形成的耗尽区发生夹断，元电荷为q，该电压与柱宽及掺杂浓度关系为：设迁移率为μ，电阻Ron近似为：由方程(1)(2)(3)(4)提取超结MOSFET的L、W、N、Z。3.如权利要求2所述的一种限制安全工作区的超结MOSFET SPICE模型建立方法，其特
征在于步骤S3具体为：设超结MOSFET漂移区是由掺杂实现电荷平衡的理想PN柱，漏极电流的增加，自由电子使N柱等效浓度下降，此时的等效非平衡PN柱可视为平衡PN柱叠加P型半导体的叠加，设电子饱和速度为v
sat
，介电常数为ε，饱和电流I
Dsat
，电子电流密度J
n
为：P/N柱掺杂均为N，等效N柱浓度N
Deff
，则叠加模型中平衡PN柱浓度N
pn
为：其中叠加P型半导体浓度N
pcon
为：漂移区平衡PN柱施加电压为漏源电压V
DS
，叠加P型半导体形成的P
+
PN
+
二极管两端电压差为0，则在底部形成电场峰值E
peak
为：当电场峰值E
peak
达到临界电场E
c
发生一次击穿，击穿电压BV1随饱和漏极电流I
Dsat
线性减小：雪崩倍增在N+N结处产生大量的电子空穴对，产生的电子直接从漏极流出；产生的空穴流密度J
p
则通过P柱与P
‑
body区域流出源区接触孔，这使N柱的自由电子得到补偿，而最大电场强度维持在临界值E
c
附近，这一阶段空穴电流密度与电压的关系为：漏源电流I
DS
与漏源电压V
DS
的关系为：当空穴流在P
‑
body基区寄生电阻R
pb
上产生的电压降超过PN结内建电势，则寄生NPN三极管开启，电子开始注入即电流继续增大时，电场分布曲线的下面积减小即电压急速下降，出现负微分电阻效应，发生二次击穿，此时：0.6＝ZWJ
P
R
pb
＝R
pb
(I
DS
‑
I
Dsat
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
公式(12)二次击穿电压为BV2，满足：可见电压BV2与BV1有相同的变化规律，随漏极电流线性减小。4.如权利要求3所述的限制安全工作区的超结MOSFET SPICE模型建立方法，其特征在
于，步骤S4所述限制安全工作区SOA的超结MOSFET等效电路模型具体为：所述直流导通支路包括第一电压控制电流源G1、第二电压控制电流源G2、第一电阻R1和第一电压源V1，其中G1、G2和V1串联，G2与R1并联；所述一次击穿电流支路包括第一二极管D1、第一电流控制电流源F1、第二电压源V2、第二电阻R2，其中V2与R2串联后与F1并联，D1的阴极与F1正极、V2阳极相连；所述一次击穿限制支路包括第二二极管D2；所述二次击穿限制支路为第三二极管D3、第四二极管D4与第一电流控制电压源H1串联，其中D3、D4反向串联；所述功率限制支路为第五二极管D5、第六二极管D6与第一电流控制电压源E1串联，其中D5、D6反向串联；D1阳极、D2阴极、D3阴极、D5阴极与G1正极相连，并引出为漏极D；V1负极、F1负极、D2阳极、H1阳极、E1阳极相连，该连接点接第三电压源V3正极，V3负极引出为源极S；第三电阻R3第一端引出为栅极G，第二端与...

【专利技术属性】
技术研发人员：任敏，雷清滢，李东野，马荣耀，唐开锋，丁继，李泽宏，张波，
申请(专利权)人：华润微电子重庆有限公司，
类型：发明
国别省市：