Полевой транзистор металлооксидного полупроводника N-канала с помощью или уравнения Шичмен-Ходжеса или поверхностной-потенциалом модели
Simscape / Электрический / Semiconductors & Converters
Блок N-Channel MOSFET обеспечивает два основных варианта моделирования:
На основе порогового напряжения — Использование уравнение Шичмен-Ходжеса, чтобы представлять устройство. Этот подход моделирования, на основе порогового напряжения, обладает преимуществами простой параметризации и простых выражений текущего напряжения. Однако эти модели испытывают затруднения в точном получении переходов через пороговое напряжение и испытывают недостаток в некоторых важных эффектах, таких как скоростное насыщение. Для получения дополнительной информации см. пороговую Модель.
Этот вариант обеспечивает четыре способа параметрировать N-Channel MOSFET:
Путем определения параметров от таблицы данных.
Путем определения параметров уравнения непосредственно.
Приближением двумерной интерполяционной таблицы к I-V (текущее напряжение) кривая. Для получения дополнительной информации смотрите Представление двумерной интерполяционной таблицей.
3-D приближением интерполяционной таблицы к I-V кривая (текущего напряжения), которая включает температурные данные. Для получения дополнительной информации смотрите Представление 3-D Интерполяционной таблицей.
На основе поверхностного потенциала — Использование поверхностно-потенциальное уравнение, чтобы представлять устройство. Этот подход моделирования обеспечивает больший уровень точности модели, чем простой квадратичный закон, который могут обеспечить (пороговые-напряжением) модели. Компромисс - то, что существует больше параметров, которые требуют экстракции. Для получения дополнительной информации см. поверхностную-потенциалом Модель.
Вместе с тепловыми вариантами порта (см. Тепловой Порт), блок поэтому предоставляет вам четыре варианта. Чтобы выбрать желаемый вариант, щелкните правой кнопкой по блоку по своей модели. Из контекстного меню выберите Simscape> Block choices, и затем одна из следующих опций:
Threshold-based — Базовая модель, которая представляет устройство с помощью уравнения Шичмен-Ходжеса (на основе порогового напряжения) и не симулирует термальные эффекты. Это значение по умолчанию.
Threshold-based with thermal — Основанный на модели на пороговом напряжении и с осушенным тепловым портом.
Surface-potential-based — Основанный на модели на поверхностном потенциале. Эта модель не симулирует термальные эффекты.
Вариант Surface-potential-based with thermal — Thermal основанного на модели на поверхностном потенциале.
Пороговый вариант блока использует уравнения Шичмена и Ходжеса [1] для полевого транзистора с изолированным затвором, чтобы представлять N-Channel MOSFET.
Текущий источник дренажа, IDS, зависит от области операции:
В от области (VGS <Vth), текущий источник дренажа:
В линейной области (0 <VDS <VGS –Vth), текущий источник дренажа:
Во влажной области (0 <VGS –Vth <VDS), текущий источник дренажа:
В предыдущих уравнениях:
K является транзисторным усилением.
VDS является положительным напряжением источника дренажа.
VGS является напряжением источника логического элемента.
Vth является пороговым напряжением. Для четырех терминальной параметризации Vth получен с помощью этих уравнений:
Область значений VBS | Уравнение Vth |
---|---|
λ является модуляцией канала.
Емкости перехода моделей блока или фиксированными значениями емкости, или сведенными в таблицу значениями в зависимости от напряжения источника дренажа. В любом случае можно или непосредственно задать источник логического элемента и значения емкости перехода дренажа логического элемента, или позволить блоку вывести их из входа и инвертировать значения емкости передачи. Поэтому опции Parameterization для модели заряда на вкладке Capacitance:
Specify fixed input, reverse transfer and output capacitance
— Обеспечьте зафиксированные значения параметров от таблицы данных и позвольте блоку преобразовать вход и инвертируйте значения емкости передачи к значениям емкости перехода, аналогичным описанному ниже. Это - метод по умолчанию.
Specify fixed gate-source, gate-drain and drain-source capacitance
— Введите фиксированные значения для параметров емкости перехода непосредственно.
Specify tabulated input, reverse transfer and output capacitance
— Обеспечьте сведенную в таблицу емкость и значения напряжения источника дренажа на основе графиков таблицы данных. Блок преобразует вход и противоположные значения емкости передачи к значениям емкости перехода, аналогичным описанному ниже.
Specify tabulated gate-source, gate-drain and drain-source capacitance
— Введите сведенные в таблицу значения для напряжения источника дренажа и емкостей перехода.
Используйте одну из сведенных в таблицу опций емкости (Specify tabulated input, reverse transfer and output capacitance
или Specify tabulated gate-source, gate-drain and drain-source capacitance
) когда таблица данных предоставляет график емкостей перехода в зависимости от напряжения источника дренажа. Используя сведенную в таблицу емкость значения дают более точные динамические характеристики и избегают потребности в интерактивной настройке параметров, чтобы соответствовать динамике.
Если вы используете Specify fixed gate-source, gate-drain and drain-source capacitance
или Specify tabulated gate-source, gate-drain and drain-source capacitance
опция, вкладка Capacitance позволяет вам задать Gate-drain junction capacitance, Gate-source junction capacitance и значения параметров Drain-source junction capacitance (зафиксированный или сведенный в таблицу) непосредственно. В противном случае блок выводит их из Input capacitance, Ciss, Reverse transfer capacitance, Crss и значений параметров Output capacitance, Coss. Эти два метода параметризации связаны можно следующим образом:
CGD = Crss
CGS = Ciss – Crss
CDS = Coss – Crss
Для этих четырех параметризации терминалов Input capacitance, Ciss, Reverse transfer capacitance, Crss и Output capacitance, Coss получены с помощью этих уравнений:
CGD = Crss
CGS + CGB = Ciss – Crss
CDB = Coss – Crss
Модель емкости упрощенного Мейера используется, чтобы описать емкость затвор-исток, CGS, объемную логическим элементом емкость, CGB, и емкость затвор-сток, CGD. Эти рисунки показывают, как объемные логическим элементом и емкости затвор-исток изменяются мгновенно, в то время как
Объемная логическим элементом и емкость затвор-исток изменяется мгновенно.
Две фиксированных опции емкости (Specify fixed input, reverse transfer and output capacitance
или Specify fixed gate-source, gate-drain and drain-source capacitance
) позвольте вам, модель пропускает емкость перехода как фиксированную емкость затвор-исток CGS и или фиксированное или нелинейная емкость затвор-сток CGD. Если вы выбираете Gate-drain charge function is nonlinear
опция для параметра Gate-drain charge-voltage linearity, затем отношение заряда дренажа логического элемента задано кусочной линейной функцией, показанной в следующем рисунке.
Для получения инструкций по тому, как сопоставить ответ времени на значения емкости устройства, смотрите страницу с описанием блока N-Channel IGBT. Однако это отображение является только аппроксимированным, потому что напряжение Миллера обычно варьируется больше от порогового напряжения, чем в случае для IGBT.
Примечание
Поскольку эта реализация блока включает модель заряда, необходимо смоделировать импеданс схемы, управляющей логическим элементом, чтобы получить представительный поворот - на и выключить динамику. Поэтому, если вы упрощаете управляющую схему логического элемента путем представления его как управляемого источника напряжения, необходимо включать подходящий последовательный резистор между источником напряжения и логическим элементом.
Для представления интерполяционной таблицы подробного варианта блока вы вводите сведенные в таблицу значения для токов источника дренажа в зависимости от напряжения источника логического элемента и напряжения источника дренажа. Основным преимуществом использования этой опции является скорость симуляции. Это также позволяет вам параметрировать устройство или от результатов измерений или из данных, полученных из другой среды симуляции.
Этот рисунок показывает реализацию опции двумерной интерполяционной таблицы, когда вы устанавливаете Ids-Vds parameterization на Provide negative and positive Vds data
:
Этот рисунок показывает реализацию опции двумерной интерполяционной таблицы, когда вы устанавливаете Ids-Vds parameterization на Provide positive Vds data only
:
Для четырех терминалов MOSFET, поверхностный потенциал и значения фактора тела вычисляются на основе самого близкого порогового напряжения как показано в этом изображении:
Для температурно-зависимого представления интерполяционной таблицы подробного варианта блока вы вводите сведенные в таблицу значения для токов источника дренажа в зависимости от напряжения источника логического элемента, напряжения источника дренажа и температуры.
Поверхностный-потенциалом вариант блока обеспечивает больший уровень точности модели, чем простой квадратичный закон (пороговая-напряжением) модель. Поверхностный-потенциалом вариант блока включает следующие эффекты:
Полностью нелинейная модель емкости (включая нелинейную емкость Миллера)
Заряжайте сохранение в модели, таким образом, можно использовать модель для заряда чувствительные симуляции
Скоростное насыщение и модуляция длины канала
Внутренний диод тела
Противоположное восстановление в диодной модели тела
Температурное масштабирование физических параметров
Для теплового различного, динамического самонагревания (то есть, можно симулировать эффект самонагревания на электрических характеристиках устройства),
Эта модель является минимальной версией мировой стандартной модели PSP (см. https://briefs.techconnect.org/papers/introduction-to-psp-mosfet-model/), только включая определенные эффекты из модели PSP для того, чтобы установить равновесие между точностью модели и сложностью. Для получения дополнительной информации физического образования к явлениям, включенным в эту модель, см. [2].
Базисом модели является уравнение Poisson:
где:
ψ является электростатическим потенциалом.
q является величиной электронного заряда.
NA является плотностью получателей в подложке.
ɛSi является диэлектрической проницаемостью полупроводникового материала (например, кремний).
ϕB является различием между внутренним параметром уровень Ферми и уровнем Ферми в объемном кремнии.
VCB является потенциалом квазиферми поверхностного слоя, на который ссылаются к объему.
ϕT является тепловым напряжением.
kB является константой Больцманна.
T является температурой.
Уравнение Poisson используется, чтобы вывести поверхностно-потенциальное уравнение:
где:
VGB является приложенным напряжением тела логического элемента.
VFB является flatband напряжением.
ψs является поверхностным потенциалом.
γ является фактором тела,
Cox является областью емкости на единицу длины.
Блок использует явное приближение для поверхностно-потенциального уравнения, чтобы избежать потребности в числовом решении этого неявного уравнения.
Если поверхностный потенциал известен, дренаж, которым дан текущий ID
где:
W является шириной устройства.
L является длиной канала.
μ0 является мобильностью низкого поля.
θsat является скоростным насыщением.
Δψ является различием в поверхностном потенциале между дренажом и источником.
Qinv0 и QinvL являются плотностью инверсионного заряда в источнике и дренаже, соответственно.
средняя плотность инверсионного заряда через канал.
Gmob является фактором сокращения мобильности. Для получения дополнительной информации см. описание параметра Surface roughness scattering factor в основном разделе (Surface-Potential-Based Variant).
GΔL является модуляцией длины канала.
где:
α является фактором модуляции длины канала.
VDB является напряжением тела дренажа.
VDB,eff является напряжением тела дренажа, отсеченным к максимальному значению, соответствующему скоростному насыщению или повышению - прочь (какой бы ни происходит сначала).
Vp является напряжением модуляции длины канала.
Блок вычисляет плотность инверсионного заряда непосредственно из поверхностного потенциала.
Блок также вычисляет нелинейные емкости из поверхностного потенциала. Источник и вклады заряда дренажа присвоены с помощью зависимой смещением схемы выделения разделов заряда Опеки-Dutton, как описано в [3]. Эти заряды вычисляются явным образом, таким образом, эта модель является сохранением заряда. Емкостные токи вычисляются путем взятия производных времени соответствующих зарядов. На практике заряды в рамках симуляции нормированы к окисной емкости и вычислены в модулях вольт.
Усилением MOSFET, β, дают
Пороговым напряжением для закороченной объемной источником связи приблизительно дают
где:
2ϕB поверхностный потенциал при сильной инверсии.
Полные три и четыре терминальных модели состоят из внутреннего MOSFET, заданного поверхностно-потенциальной формулировкой, диодом тела, серийными сопротивлениями и зафиксированными емкостями перекрытия, как показано в схематике.
Блок моделирует диод тела или как идеал, экспоненциальный диод или как сведенный в таблицу диод.
Когда вы устанавливаете Model body diode на Exponential
, соединение и емкости диффузии:
где:
Idio является током через диод.
Is является противоположным текущим насыщением.
VDB является напряжением тела дренажа.
n является фактором идеальности.
ϕT является тепловым напряжением.
Cj является емкостью перехода диода.
Cj0 является емкостью перехода нулевого смещения.
Vbi является встроенным напряжением.
Cdiff является емкостью диффузии диода.
τ является временем транспортировки.
Емкости заданы посредством явного вычисления зарядов, которые затем дифференцируются, чтобы дать емкостные выражения выше. Блок вычисляет емкостные диодные токи как производные времени соответствующих зарядов, похожих на расчет в поверхностной-потенциалом модели MOSFET.
Чтобы смоделировать сведенный в таблицу диод, установите параметр Model body diode на Tabulated I-V curve
. Этот рисунок показывает реализацию сведенной в таблицу диодной опции:
При выборе этой параметризации необходимо обеспечить данные для прямого смещения только.
Блок реализует диод с помощью опции сплайн-интерполяции. Если диод превышает предоставленный спектр табличных данных, блок использует линейный метод экстраполяции в последней текущей напряжением точке данных.
Примечание
Сведенный в таблицу диод не моделирует противоположный отказ.
Поведение по умолчанию состоит в том, что зависимость от температуры не моделируется, и устройство симулировано при температуре, для которой вы обеспечиваете параметры блоков. Чтобы смоделировать зависимость от температуры в процессе моделирования, выберите Model temperature dependence
для параметра Parameterization на вкладке Temperature Dependence.
Пороговая модель
Для порогового варианта можно включать моделирование зависимости транзистора статическое поведение на температуре в процессе моделирования. Температурная зависимость емкостей перехода не моделируется, этот являющийся намного меньшим эффектом.
Когда включая температурную зависимость, транзисторные уравнения определяющего остаются то же самое. Усиление, K, и пороговое напряжение, Vth, становится функцией температуры согласно следующим уравнениям:
Vths = Vth1 + α (Ts – Tm1)
где:
Tm1 является температурой, при которой параметры транзистора заданы, как задано значением параметров Measurement temperature.
Ts является температурой симуляции.
KTm1 является транзисторным усилением при температуре измерения.
KTs является транзисторным усилением при температуре симуляции. Это - транзисторное значение усиления, используемое в уравнениях MOSFET, когда температурная зависимость моделируется.
Vth1 является пороговым напряжением при температуре измерения.
Vths является пороговым напряжением при температуре симуляции. Это - пороговое значение напряжения, используемое в уравнениях MOSFET, когда температурная зависимость моделируется.
BEX является экспонентой температуры мобильности. Типичное значение BEX-1.5.
α является пороговым коэффициентом температуры напряжения логического элемента, d Vth/dT.
Для этих четырех параметризации терминалов Vth получен с помощью этих уравнений:
Область значений VBS | Уравнение Vth |
---|---|
Где:
поверхностный потенциал и .
Eg(0) является экстраполируемой нулевой запрещенной зоной степени, которая равна 1.16
eV
для кремния.
VBS является напряжением объемного источника.
Для большинства MOSFETS можно использовать значение по умолчанию -1.5
для BEX. Некоторые таблицы данных заключают значение в кавычки для α, но как правило они обеспечивают температурную зависимость для источника дренажа на сопротивлении, RDS(on). В зависимости от метода параметризации блока у вас есть два способа задать α:
Если вы параметрируете блок из таблицы данных, необходимо обеспечить RDS(on) при второй температуре измерения. Блок затем вычисляет значение для α на основе этих данных.
Если вы параметрируете путем определения параметров уравнения, необходимо ввести значение для α непосредственно.
Если у вас есть больше данных, включающих дренаж, текущий в зависимости от напряжения источника логического элемента больше чем для одной температуры, то можно также использовать программное обеспечение Simulink® Design Optimization™, чтобы помочь настроить значения для α и BEX.
Поверхностная-потенциалом модель
Поверхностная-потенциалом модель включает температурные эффекты на характеристиках емкости, а также моделирование зависимости транзистора статическое поведение на температуре в процессе моделирования.
Параметр Measurement temperature на вкладке Main задает температурный T m1, в котором были извлечены другие параметры устройства. Вкладка Temperature Dependence обеспечивает температуру симуляции, T s и температурные масштабные коэффициенты для других параметров устройства. Для получения дополнительной информации смотрите Температурную Зависимость (поверхностный-потенциалом Вариант).
Блок имеет дополнительный тепловой порт, скрытый по умолчанию. Чтобы осушить тепловой порт, щелкните правой кнопкой по блоку по своей модели и выберите соответствующий вариант блока:
Для основанного на модели на пороговом напряжении и с осушенным тепловым портом, выберите Simscape> Block choices> Threshold-based with thermal.
Для теплового варианта основанного на модели на поверхностном потенциале выберите Simscape> Block choices> Surface-potential-based with thermal.
Это действие отображает тепловой порт H на значке блока и отсоединяет параметры Thermal Port.
Используйте тепловой порт, чтобы симулировать эффекты выработанного тепла и температуры устройства. Для получения дополнительной информации об использовании тепловых портов и на параметрах Thermal Port, смотрите Термальные эффекты Симуляции в Полупроводниках.
При моделировании температурной зависимости для порогового варианта блока рассмотрите следующее:
Блок не составляет температурно-зависимые эффекты на емкостях перехода.
Когда вы задаете RDS(on) при второй температуре измерения, он должен быть заключен в кавычки для той же рабочей точки (то есть, тот же текущий дренаж и напряжение источника логического элемента) что касается другого значения RDS(on). Противоречивые значения для RDS(on) при более высокой температуре приведут к нефизическим значениям для α и нетипичных результатов симуляции. Обычно RDS(on) увеличивается на коэффициент приблизительно 1,5 для ста увеличений степени температуры.
Вы, возможно, должны настроить значения BEX и порогового напряжения, V th, реплицировать IDS –VGS отношение (при наличии) для данного устройства. Увеличение Vth перемещает IDS-–VGS графики направо. Значение BEX влияет, пересекает ли IDS –VGS кривые для различных температур друг друга, или нет, для областей значений VDS и рассмотренного VGS. Поэтому несоответствующее значение может привести к различным температурным кривым, кажущимся быть переупорядоченными. Заключение в кавычки значений RDS(on) для более высоких токов, предпочтительно близко к току, в котором это будет действовать в вашей схеме, будет уменьшать чувствительность к точному значению BEX.
[1] Шичмен, H. и Д. А. Ходжес. “Моделирование и симуляция переключающих схем полевого транзистора с изолированным затвором”. IEEE J. Твердотельные схемы. SC-3, 1968.
[2] Ван Лэнджевелд, R., А. Дж. Шолтен и D. B.M. Клаассен. "Физическое образование модели 11 MOS. Уровень 1101". Nat.Lab. Несекретный отчет 2003/00239. Апрель 2003.
[3] О, S-Y., Д. Э. Уорд и Р. В. Даттон. “Анализ переходных процессов МОП-транзисторов”. IEEE J. Твердотельные схемы. SC-15, стр 636-643, 1980.