Exponenta Banner
exponenta event banner

N-канальный полевой транзистор LDMOS

N-канальные латерально диффузные металлоксидные полупроводниковые транзисторы или вертикально диффузные металлоксидные полупроводниковые транзисторы, подходящие для высокого напряжения

развернуть все на странице
  • Библиотека:

  • Simscape/Электрические/Полупроводники и преобразователи

  • N-Channel LDMOS FET block

Описание

Блок N-Channel LDMOS FET позволяет моделировать транзисторы LDMOS (или VDMOS), подходящие для высокого напряжения. Модель основана на потенциале поверхности и включает эффекты из-за расширенной области стока (дрейфа):

  • Нелинейные емкостные эффекты, связанные с областью дрейфа

  • Поверхностное рассеяние и насыщенность скоростью в области дрейфа

  • Насыщенность скоростью и модуляция длины канала в области канала

  • Сохранение заряда внутри модели, чтобы можно было использовать модель для моделирования, чувствительного к заряду

  • Внутренний корпусной диод

  • Обратное восстановление в модели боди-диода

  • Температурное масштабирование физических параметров

  • Для варианта охлаждения (см. «Тепловой порт») динамический самонагрев

Физическая структура модели показана на следующем рисунке.

Область канала находится в области p + от сильно легированной n-образной исходной скважины до конца области p +. Область дрейфа представляет собой слегка легированный дренажный выступ. Далее вниз, имеется эпи-слой p-типа, и тогда вся структура находится на сильно легированной p-слоем подложке. Оксид затвора является тонким по всей области канала и по части области дрейфа. Далее в область дрейфа оксид затвора имеет большую толщину в области локального окисления кремния (LOCOS).

На следующем рисунке показана эквивалентная схема модели.

Подход моделирования аналогичен [1]. Перекрытия контакта затвора с истоковой и дренажной n-скважинами смоделированы как кусковые линейные емкости. Область канала (p +) моделируется с использованием модели МОП-транзистора на основе поверхностного потенциала. pn-переход между истоком/насыпью и стоком моделируется с использованием идеального диода, включающего как переходные, так и диффузионные емкости. Область дрейфа под тонким оксидом затвора моделируется в соответствии с композицией поверхностного потенциала, которая включает в себя:

  • Ток, обусловленный накопительным слоем на полупроводниково-оксидной границе раздела

  • Ток из-за электронов, протекающих в направлении стока глубже внутри области дрейфа

Область пространственного заряда между эпи-слоем и областью дрейфа представлена с использованием сжимающего эффекта на ток, протекающий через основную часть области дрейфа. Часть LOCOS области дрейфа моделируется как комкованный последовательный резистор, а также имеются последовательные сопротивления, добавленные к контактам истока и затвора.

Подробное описание модели канала см. в модели на основе поверхностного потенциала блока N-Channel MOSFET. Модель области дрейфа аналогично выводится из потенциала поверхности с помощью уравнения Пуассона. Для полупроводника n-типа при постепенном приближении канала определяющими уравнениями являются:

∂2ψ  y2qNDεSi [−1−exp (−ψ−2ϕBϕT) +exp (ψ−VCBϕT)]

ϕT=kBTq

где:

  • start- электростатический потенциал.

  • q - величина электронного заряда.

  • ND - плотность легирования области дрейфа.

  • ɛSi - диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала (например, кремния).

  • В - разница между собственным уровнем Ферми и уровнем Ферми в глубине области дрейфа.

  • VCB представляет собой квазиферми потенциал области дрейфа, относящейся к массе.

  • β T - тепловое напряжение.

  • kB - постоянная Больцмана.

  • T - температура.

Если мы пренебрегаем инверсией для модели постоянного тока, мы получаем следующее выражение тока:

ID=11+θsatVDK[flinRDVDK+β2⋅VGK2−VGD21+θsurf2 (VGK + VGD)]

где:

  • ID - ток стока.

  • startsat - насыщенность скоростью.

  • Vij - разность напряжений между узлами i и j, где подстрочные индексы D и K относятся к стоку и к соединению каналов и областей дрейфа соответственно, а подстрочный индекс G относится к затвору с поправкой из-за прилагаемого напряжения плоской полосы.

  • flin/RD представляет проводимость основной части области дрейфа, включая эффект сжатия из-за истощения от границы эпи-дрейфа.

  • β - коэффициент усиления слоя накопления на границе раздела между областью дрейфа и тонким оксидом затвора.

  • startsurf - параметр, учитывающий рассеяние в накопительном слое вследствие вертикального электрического поля.

Отщипывание объемной части области дрейфа описывается

flin = 1 − λ DVbi + VSB − VbiVbi

где:

  • λ D - параметр, представляющий вертикальную глубину n-стороны области пространственного заряда вдоль границы раздела эпи-дрейфа при нулевом смещении, деленный на вертикальную глубину недеефилированной части области дрейфа при нулевом смещении.

    На чертеже верхней сплошной линией является полупроводниковая поверхность. Нижняя сплошная линия является соединением между областью дрейфа и слоем эпи. Пунктирные линии показывают протяженность области пространственного заряда вокруг интерфейса дрифт-эпи. λ D - y1/y2 при нулевом смещении.

  • Vbi - встроенное напряжение для эпи-дрейфового диода.

  • VSB - напряжение источник-тело, используемое в качестве аппроксимации смещения, приложенного к эпи-дрейфовому диоду. Использование этого напряжения вместо VKB является более стабильным в числовом отношении и оправдано, поскольку большая часть напряжения стока-истока падает в области дрейфа в включенном состоянии транзистора.

Модель заряда аналогична модели МОП-транзистора на основе поверхностного потенциала с дополнительными выражениями для учета заряда в области дрейфа. Блок использует производные уравнения, описанные в [1], которые включают как инверсию, так и накопление в области дрейфа.

Моделирование корпусного диода

Блок моделирует корпусной диод как идеальный, экспоненциальный диод с как переходными, так и диффузионными ёмкостями:

Idio=Is [exp (−VDBnϕT) −1]

Cj = Cj01 + VDBVbi

Cdiff =

где:

  • Идио - ток через диод.

  • Является током обратного насыщения.

  • VDB - напряжение стока.

  • n - фактор идеальности.

  • β T - тепловое напряжение.

  • Cj - переходная емкость диода.

  • Cj0 - емкость перехода с нулевым смещением.

  • Vbi - встроенное напряжение.

  • Cdiff - диффузионная ёмкость диода.

  • start- время прохождения.

Емкости определяются посредством явного вычисления зарядов, которые затем дифференцируются для получения емкостных выражений выше. Блок вычисляет токи емкостного диода как производные времени соответствующих зарядов, аналогично вычислению в МОП-модели на основе поверхностного потенциала.

Моделирование температурной зависимости

Поведение по умолчанию заключается в том, что зависимость от температуры не моделируется, а устройство моделируется при температуре, для которой предоставляются параметры блока. Для моделирования зависимости от температуры во время моделирования выберите Model temperature dependence для параметра Параметризация (Parameterization) на вкладке Температурная зависимость (Temperature Dependence).

Модель включает влияние температуры на емкостные характеристики, а также моделирование зависимости статического поведения транзистора от температуры при моделировании.

Параметр Температура измерения (Measurement temperature) на вкладке Главная (Main) указывает Tm1 температуры, при которой были извлечены другие параметры устройства. Параметры Температурная зависимость (Temperature Dependence) обеспечивают расчетную температуру, Ts и коэффициенты температурного масштабирования для других параметров устройства. Дополнительные сведения см. в разделе Температурная зависимость.

Тепловой порт

Блок имеет дополнительный тепловой порт, скрытый по умолчанию. Чтобы открыть тепловой порт, щелкните правой кнопкой мыши блок в модели, а затем в контекстном меню выберите Simscape > Block choices > Show thermal port. Это действие отображает тепловой порт H на значке блока и отображает параметры теплового порта.

Используйте тепловой порт для моделирования влияния генерируемого тепла и температуры устройства. Дополнительные сведения об использовании тепловых портов и о параметрах тепловых портов см. в разделе Моделирование тепловых эффектов в полупроводниках.

Тепловой вариант блока включает в себя динамический самонагрев, то есть позволяет моделировать влияние самонагрева на электрические характеристики устройства.

Порты

Сохранение

развернуть все

Электрический консервационный порт, связанный с выводом транзисторного затвора

Порт экономии электроэнергии, связанный с выводом стока транзистора

Электрический консервационный порт, связанный с выводом транзисторного источника

Параметры

развернуть все

Главный

Коэффициент усиления β областей MOSFET. Значение параметра является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа. Этот параметр в первую очередь определяет линейную область работы для характеристики ID-VDS.

Напряжение плоского диапазона VFB определяет смещение затвора, которое должно быть приложено для достижения состояния плоского диапазона на поверхности кремния. Значение параметра является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа. Значение по умолчанию: [-1.05, -0.1] V. Этот параметр можно также использовать для произвольного сдвига порогового напряжения из-за различий в функциях работы материала, а также для захваченных интерфейсных или оксидных зарядов. На практике, однако, обычно рекомендуется сначала изменять пороговое напряжение, используя коэффициент тела и поверхностный потенциал при сильных параметрах инверсии, и использовать этот параметр только для точной настройки.

Пороговое напряжение для канальной области для короткозамкнутого соединения источник-масса составляет приблизительно

VT = VFB + 2ϕB + 2ϕT + γ2ϕB + 2ϕT

где 2ϕB - поверхностный потенциал при сильной инверсии, а γ - фактор тела, как в области канала.

Коэффициент тела γ в уравнении «поверхность-потенциал». Значение параметра является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа.

Для области канала коэффициент тела равен

γ = 2qαSiNACox

Для получения подробной информации об этом уравнении см. справочную страницу блока MOSFET N-канала. Уравнение области дрейфа аналогично, за исключением того, что NA заменяется плотностью легирования ND. Значение параметра канальной области в первую очередь влияет на пороговое напряжение. Для области дрейфа этот параметр в первую очередь влияет на модель заряда, а также оказывает незначительное влияние на поведение сжатия объемного тока через область дрейфа.

Член 2ϕB в уравнении «поверхность-потенциал». Значение параметра является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа.

Значение параметра канальной области также в первую очередь влияет на пороговое напряжение. Для области дрейфа этот параметр влияет только на модель заряда.

Насыщенность по скорости в уравнении «сток-ток». Этот параметр используется в тех случаях, когда хорошее вписывание в линейную операцию приводит к слишком высокому току насыщения. При увеличении этого значения параметра уменьшается ток насыщения. Значение параметра является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа. Значение по умолчанию: [0.0, 0.1] 1/V, что означает, что насыщение скоростью в области канала выключено по умолчанию.

Коэффициент поверхностного рассеяния в уравнении «сток-ток». Этот параметр применяется только к области дрейфа и учитывает рассеяние в накопительном слое вследствие вертикального электрического поля.

Множитель, α, умножающий логарифмический член в уравнении GΔL. Для получения подробной информации об этом уравнении см. справочную страницу блока MOSFET N-канала. Этот параметр описывает начало модуляции длины канала. Для характеристик устройства, которые демонстрируют положительную проводимость при насыщении, увеличьте значение параметра, чтобы соответствовать этому поведению. Этот параметр применяется только к области канала. Значение по умолчанию: 0, что означает, что модуляция длины канала по умолчанию отключена.

Напряжение Vp в уравнении GΔL. Для получения подробной информации об этом уравнении см. справочную страницу блока MOSFET N-канала. Этот параметр управляет напряжением стока, при котором модуляция длины канала начинает активизироваться. Этот параметр применяется только к области канала.

Этот параметр управляет плавностью перехода MOSFET от линейного к насыщению, особенно при включенной насыщенности скоростью. Этот параметр обычно может быть оставлен на его значение по умолчанию, но его можно использовать для точной настройки колена признака ID-VDS. Этот параметр применяется как к области канала, так и к области дрейфа. Ожидаемый диапазон для этого значения параметра находится в диапазоне от 2 до 8.

Tm1 температуры, при которой измеряются параметры блока. Если параметр Температура моделирования устройства (Device simulation temperature parameter) на вкладке Температурная зависимость (Temperature Dependence) отличается от этого значения, то параметры устройства будут масштабированы из определенных значений в соответствии с расчетными и эталонными температурами. Дополнительные сведения см. в разделе Температурная зависимость.

Омическое сопротивление

Сопротивление транзисторного источника, то есть последовательное сопротивление, связанное с контактом источника.

Сопротивление стока транзистора, то есть последовательное сопротивление, связанное с контактом стока и с LOCOS-частью области дрейфа, которая не подвергается сильному воздействию приложенного напряжения затвора.

Сопротивление транзисторного затвора, то есть последовательное сопротивление, связанное с контактом затвора.

Сопротивление RD в уравнении «сток-ток». Он представляет сопротивление объемной части области дрейфа при отсутствии истощения от верхней и нижней границ раздела.

Параметр λ D в уравнении «сток-ток». Это отношение вертикальных глубин y1 и y2 при нулевом смещении, где y1 представляет область пространственного заряда, а y2 представляет неделенную часть области дрейфа.

Емкости

Параллельный пластинчатый канал затвора и емкость области дрейфа затвора. Значение параметра является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа.

Фиксированная линейная емкость, связанная с перекрытием электрода затвора с скважиной источника.

Фиксированная линейная емкость, связанная с перекрытием электрода затвора со сливной скважиной.

Основной диод

Ток, обозначенный символом Is в уравнениях тело-диод.

Встроенное напряжение диода, обозначаемое символом Vbi в уравнениях тело-диод.

Коэффициент, обозначаемый символом n в уравнениях тело-диод.

Емкость между стоком и насыпным контактом при нулевом смещении, обусловленном только диодом корпуса. Обозначается символом Cj0 в уравнениях тело-диод.

Время, обозначаемое в уравнениях тело-диод символом,

Температурная зависимость

Выберите один из следующих методов параметризации температурной зависимости:

  • None — Simulate at parameter measurement temperature - Температурная зависимость не моделируется. Это метод по умолчанию.

  • Model temperature dependence - Модельные температурно-зависимые эффекты. Укажите значение температуры моделирования устройства, Ts и коэффициенты температурного масштабирования для других параметров блока.

Температура Ts, при которой моделируется устройство

Значение параметра является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа. Предполагается, что как в канале, так и в области дрейфа усиление MOSFET, β, масштабируется экспоненциально с температурой β = βm1 (Tm1/Ts) ^ βm1 - значение усиления канала или области дрейфа, определяемое параметром Gain, [channel drift_region] на вкладке Main. λ β - соответствующий элемент показателя температуры усиления, параметр [channel drift_region].

Значение параметра является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа. Предполагается линейное масштабирование плоского напряжения VFB с температурой VFB = V FBm1 + (Ts - Tm1) ST, VFB. VFBm1 - значение напряжения плоского диапазона канала или области дрейфа, заданное параметром Flatband, [channel drift_region] на вкладке Main. ST, VFB - соответствующий элемент температурного коэффициента напряжения Flatband, параметр [канал drift_region].

Поверхностный потенциал при сильной инверсии, 2ϕB, предполагается линейно масштабировать с температурой, 2ϕB = 2ϕBm1 + (Ts - Tm1) ST, (B). 2ϕBm1 - значение параметра Поверхностный потенциал при сильной инверсии на вкладке Главная (Main) и ST - значение Поверхностный потенциал при сильном температурном коэффициенте инверсии.

Значение параметра является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа. Предполагается, что насыщенность скоростью, startsat, масштабируется в геометрической прогрессии с температурой, startsat = startsat, m1 (Tm1/Ts) ^ startsat, m1 - значение коэффициента насыщения скорости канала или области дрейфа, определяемого параметром «Коэффициент насыщения скорости» [channel drift_region] на вкладке «Главная». , является соответствующим элементом показателя температуры насыщения скорости, [channel drift_region].

Предполагается, что последовательные сопротивления соответствуют полупроводниковым сопротивлениям. Поэтому они уменьшаются экспоненциально с повышением температуры. Ri = Ri,m1 (T/Ts) ^, где i - Sm1, D или G, для сопротивления источника, стока или ряда затворов, соответственно. Ri,m1 - это значение соответствующего параметра последовательного сопротивления на вкладке Омическое сопротивление (Ohmic Resistance), а в качестве показателя температуры Омического сопротивления (Ohmic Resistance) -.

Сопротивление RD, сопротивление с низким смещением объемной части области дрейфа, масштабируется аналогично другим последовательным сопротивлениям. Отдельное значение показателя температуры для этого сопротивления обеспечивает дополнительную степень свободы.

Предполагается, что ток обратного насыщения для корпусного диода пропорционален квадрату собственной концентрации носителя, ni = NC exp (-EG/2kBT). NC - зависящая от температуры эффективная плотность состояний, а EG - зависящая от температуры полоса для полупроводникового материала. Чтобы избежать введения другого параметра температурного масштабирования, блок пренебрегает температурной зависимостью полосы пропускания и использует полосу пропускания кремния при 300K (1.12eV) для всех типов устройств. Поэтому ток обратного насыщения, масштабированный по температуре, задается как

Is = Is, m1 (TsTm1) ηIs⋅exp (EGkB⋅ (1Tm1 − 1Ts)).

Is,m1 - это значение параметра тока обратного насыщения на вкладке Body Diode, kB - постоянная Больцмана (8.617x10-5eV/K), а, в качестве показателя температуры тока обратного насыщения Body diode. Значение по умолчанию: 3, потому что NC для кремния примерно пропорционален T3/2. Эффект пренебрежения температурной зависимостью бандгапа можно исправить прагматичным выбором, получившимся при его использовании.

Примеры модели

Interactive Generation of LDMOS Characteristics

Интерактивная генерация характеристик LDMOS

Позволяет пользователю исследовать влияние выбора параметров на характеристики I-V и C-V для модели полевого транзистора LDMOS на основе поверхностного потенциала. Чтобы открыть этот пример, в окне команд MATLAB ® введите: ee_p_ldmos_characteristics.

Вопросы совместимости

развернуть все

В R2019b изменилось поведение

Ссылки

[1] Аартс, А., Н. Д'Хэллевейн и Р. Ван Лангевельде. «Модель высоковольтного компактного транзистора LDMOS на основе поверхностного потенциала». Транзакции IEEE на электронных устройствах. 52(5):999 - 1007. Июнь 2005 года.

[2] Ван Лэнджевелд, R., А. Дж. Шолтен и D. B.M. Клаассен. "Физический фон модели 11 MOS. Уровень 1101 ". Туземный. Лаборатория. Неклассифицированный доклад 2003/00239. Апрель 2003 года.

[3] О, S-Y., Д. Э. Уорд и Р. В. Даттон. «Переходный анализ МОП-транзисторов». IEEE J. Твердотельные цепи. SC-15, стр. 636-643, 1980.

Расширенные возможности

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью Simulink ® Coder™

.

См. также

|

Представлен в R2016b

Документация Simscape Electrical

Поддержка