N-Channel LDMOS FET

N-канальные горизонтально рассеянные полупроводниковые или вертикально рассеянные полупроводниковые транзисторы оксида металла, подходящие для высокого напряжения

  • Библиотека:
  • Simscape/Электрический/Полупроводники и конвертеры

  • N-Channel LDMOS FET block

Описание

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

  • Нелинейные емкостные эффекты, сопоставленные с областью дрейфа

  • Поверхностное рассеяние и насыщение скорости в области дрейфа

  • Насыщение скорости и модуляция длины канала в области канала

  • Сохранение заряда внутри модели, поэтому вы можете использовать модель для симуляций, чувствительных к заряду

  • Внутренний диод тела

  • Обратное восстановление в модели диода тела

  • Температурное масштабирование физических параметров

  • Для теплового варианта (см. «Тепловой порт»), динамического самонагрева

Физическая структура модели показана на следующем рисунке.

Область канала находится в области p +, от сильно n-легированного источника до конца области p +. Дрейф- область является слегка легированным дренажным удлинителем. Далее вниз имеется эпи-слой p-типа, а затем вся структура находится на сильно легированном p-легированным субстрате. Оксид затвора является тонким по всей области канала и по части области дрейфа. Далее в зону дрейфа оксид затвора имеет большую толщину в области локального окисления кремния (LOCOS).

Следующий рисунок показывает эквивалентную схему модели.

Методы моделирования аналогичны [1]. Перекрытия контакта затвора с истоком и дренажными n-образными скважинами моделируются как кусковые линейные емкости. Область канала (p +) моделируется с помощью модели MOSFET на основе поверхностного потенциала. pn-соединение между источником/навалом и дренажем моделируется с помощью идеального диода, включающего как соединительные, так и диффузионные емкости. Область дрейфа под тонким оксидом затвора моделируется согласно составу с поверхностным потенциалом, который включает:

  • Ток, обусловленный слоем накопления на границе между полупроводником и оксидом

  • Ток от электронов, текущих к дренажу, глубже внутри области дрейфа

Пространственная область заряда между эпи-слоем и областью дрейфа представлена с помощью эффекта зажима на ток, протекающий через большую часть области дрейфа. Часть LOCOS области дрейфа моделируется как комко-последовательный резистор, а также существуют последовательные сопротивления, добавленные к контактам источника и затвора.

Для подробного описания модели канала смотрите основанную на поверхностном потенциале модель блока N-Channel MOSFET. Модель области дрейфа аналогично получают из потенциала поверхности, используя уравнение Пуассона. Для полупроводника n-типа под постепенным приближением канала, определяющие уравнения:

2ψy2qNDεSi[1exp(ψ2ϕBϕT)+exp(ψVCBϕT)]

ϕT=kBTq

где:

  • ψ - электростатический потенциал.

  • q - величина электронного заряда.

  • ND - плотность допинга области дрейфа.

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

  • ϕB - различие между собственным уровнем Ферми и уровнем Ферми в глубокой области дрейфа.

  • VCB - квазиферми-потенциал области дрейфа, относящейся к массе.

  • ϕT - тепловое напряжение.

  • kB Больцмана постоянная.

  • T - температура.

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

ID=11+θsatVDK[flinRDVDK+β2VGK2VGD21+θsurf2(VGK+VGD)]

где:

  • ID - ток стока.

  • θsat - насыщение скорости.

  • Vij - различие напряжений между узлами i и j, где нижние индексы D и K относятся к дренажу и соединению областей канала и дрейфа, соответственно, а нижний индекс G относится к затвору с коррекции, обусловленной приложением плоского диапазона напряжений.

  • flin/ RD представляет проводимость большей части области дрейфа, включая эффект защемления из-за истощения от интерфейса эпи-дрейфа.

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

  • θsurf является параметром, который учитывает рассеяние в слое накопления из-за вертикального электрического поля.

Защемление объемной части области дрейфа описывается как

flin=1λDVbi+VSBVbiVbi

где:

  • λD является параметром, представляющим n-стороннюю вертикальную глубину области пространственного заряда вдоль границы раздела эпи-дрейфа при нулевом смещении, разделенном на вертикальную глубину непередаваемой части области дрейфа при нулевом смещении.

    На рисунке верхней сплошной линией является полупроводниковая поверхность. Нижняя сплошная линия является соединением между областью дрейфа и слоем эпи. Штриховые линии показывают степень области пространственного заряда вокруг интерфейса дрейф-эпи. λD y1/ y2 при нулевом смещении.

  • Vbi - встроенное напряжение для диода эпи-дрейфа.

  • VSB - напряжение источника-тела, используемое в качестве приближения к смещению, приложенному к диоду эпи-дрейфа. Использование этого напряжения вместо VKB является более численно стабильным и оправдано, потому что большая часть напряжения источника стока падает через область дрейфа в состоянии «on-state» транзистора.

Модель заряда подобна модели MOSFET на основе поверхностного потенциала с дополнительными выражениями для расчета заряда в области дрейфа. Блок использует выведенные уравнения, как описано в [1], которые включают и инверсию, и накопление в области дрейфа.

Моделирование диода тела

Блок моделирует диод тела как идеальный, экспоненциальный диод с как соединительной, так и диффузионной емкостями:

Idio=Is[exp(VDBnϕT)1]

Cj=Cj01+VDBVbi

Cdiff=τIsnϕTexp(VDBnϕT)

где:

  • Idio - ток через диод.

  • Is - обратный ток насыщения.

  • VDB - напряжение стока-тела.

  • n является фактором идеальности.

  • ϕT - тепловое напряжение.

  • Cj - соединительная емкость диода.

  • Cj0 является емкостью перехода с нулевым смещением.

  • Vbi - это встроенное напряжение.

  • Cdiff - диффузионная емкость диода.

  • τ - время транзита.

Емкости определяются посредством явного вычисления зарядов, которые затем дифференцируются, чтобы дать емкостные выражения выше. Блок вычисляет емкостные диодные токи как производные по времени от соответствующих зарядов, аналогичные расчетам в модели MOSFET на основе поверхностного потенциала.

Моделирование температурной зависимости

Поведение по умолчанию состоит в том, что зависимость от температуры не моделируется, и устройство моделируется при температуре, для которой вы обеспечиваете параметры блоков. Чтобы смоделировать зависимость от температуры во время симуляции, выберите Model temperature dependence для параметра Parameterization на вкладке Temperature Dependence.

Модель включает температурные эффекты на емкостные характеристики, а также моделирование зависимости статического поведения транзистора от температуры во время симуляции.

Параметр Measurement temperature на вкладке Main задает температуру Tm1 при которой были извлечены другие параметры устройства. Параметры Temperature Dependence обеспечивают температуру симуляции, Ts и коэффициенты масштабирования температуры для других параметров устройства. Для получения дополнительной информации см. «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 из контекстного меню выберите Simscape > Block choices > Show thermal port. Это действие отображает тепловой порт, H на значке блока, и отображает параметры Thermal Port.

Используйте тепловой порт, чтобы симулировать эффекты сгенерированного тепла и температуры устройства. Для получения дополнительной информации об использовании тепловых портов и о параметрах Thermal Port, смотрите Симуляция Термальных эффектов в Полупроводниках.

Тепловой вариант блока включает динамическое самонагревание, то есть позволяет моделировать эффект самонагрева на электрические характеристики устройства.

Порты

Сохранение

расширить все

Электрический порт сопоставлен с клеммой транзисторного затвора

Электрический порт сопоставлен с выводом стока транзистора

Электрический порт сопоставлен с выводом источника транзистора

Параметры

расширить все

Главный

Выигрыш, β, областей МОП-транзисторов. Значение параметров является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа. Этот параметр в основном задает линейную область операции на I D- VDS характеристике.

Плоское напряжение, VFB, задает смещение затвора, которое должно быть приложено порядком для достижения плоского условия на поверхности кремния. Значение параметров является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа. Значение по умолчанию [-1.05, -0.1] V. Вы также можете использовать этот параметр, чтобы произвольно сдвинуть пороговое напряжение из-за различий функций работы материала и к захваченной поверхности раздела или оксидным зарядам. На практике, однако, обычно рекомендуется изменить пороговое напряжение, сначала используя параметры Body factor и Surface potential at strong inversion, и использовать этот параметр только для подстройки.

Пороговое напряжение для области канала, для короткозамкнутого объемного соединения источника, приблизительно

VT=VFB+2ϕB+2ϕT+γ2ϕB+2ϕT

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

Коэффициент тела, γ, в уравнении поверхностно-потенциал. Значение параметров является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа.

Для области канала коэффициент тела является

γ=2qεSiNACox

Для получения дополнительной информации по этому уравнению см. N-Channel MOSFET страницы с описанием блоков. Уравнение области дрейфа аналогично, за исключением того, что NA заменяется плотностью допинга, N D. Область канала значения параметров в основном влияет на напряжение порога. Для области дрейфа этот параметр в основном влияет на модель заряда, а также оказывает незначительный эффект на поведение прижатия объемного тока через область дрейфа.

Термин 2 ϕB в уравнении поверхностно-потенциального потенциала. Значение параметров является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа.

Область канала значения параметров также в основном влияет на напряжение порога. Для области дрейфа этот параметр влияет только на модель заряда.

Насыщение скорости, θ сб, в уравнении сток-ток. Используйте этот параметр в случаях, когда хорошая подгонка к линейной операции приводит к слишком высокому току насыщения. Увеличивая это значение параметров, вы уменьшаете ток насыщения. Значение параметров 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 скорости в области канала отключено по умолчанию.

Коэффициент рассеяния поверхности, θsurf, в уравнении тока стока. Этот параметр применяется только к области дрейфа и учитывает рассеяние в слое накопления из-за вертикального электрического поля.

Коэффициент, α, умножающий логарифмический член в GΔL уравнении. Для получения дополнительной информации по этому уравнению см. N-Channel MOSFET страницы с описанием блоков. Этот параметр описывает начало модуляции длины канала. Для характеристик устройства, которые показывают положительную проводимость в насыщении, увеличьте значение параметров, чтобы соответствовать этому поведению. Этот параметр применяется только к области канала. Значение по умолчанию 0, что означает, что модуляция длины канала отключена по умолчанию.

Напряжение Vp в GΔL уравнении. Для получения дополнительной информации по этому уравнению см. N-Channel MOSFET страницы с описанием блоков. Этот параметр управляет напряжением стока, при котором модуляция длины канала начинает становиться активной. Этот параметр применяется только к области канала.

Этот параметр управляет тем, как плавно MOSFET переходит от линейного к насыщению, особенно когда включено насыщение скорости. Этот параметр обычно может быть оставлен по умолчанию, но можно использовать его, чтобы подстроить колено характеристики ID - VDS. Этот параметр применяется как к канальным, так и к дрейфующим областям. Ожидаемая область значений для этого значения параметров находится между 2 и 8.

Температура Tm1 при которой измеряются параметры блоков. Если параметр Device simulation temperature на вкладке Temperature Dependence отличается от этого значения, то параметры устройства будут масштабироваться от заданных значений в соответствии с симуляцией и эталонными температурами. Для получения дополнительной информации см. «Температурная зависимость».

Омическое Сопротивление

Сопротивление источника транзистора, то есть последовательное сопротивление, сопоставленное с контактом источника.

Сопротивление стока транзистора, то есть последовательное сопротивление, сопоставленное со дренажным контактом и с частью LOCOS области дрейфа, которое не сильно зависит от приложенного напряжения затвора.

Сопротивление затвора транзистора, то есть последовательное сопротивление, сопоставленное с контактом затвора.

Сопротивление, RD в уравнении тока стока. Он представляет сопротивление объемной части области дрейфа при отсутствии истощения от верхнего и нижнего интерфейсов.

Параметр λD в уравнении тока стока. Это отношение вертикальных глубин y1 и y2 при нулевом смещении, где y1 представляет собой пространственную область заряда, а y2 представляет неотведенную часть области дрейфа.

Емкости

Емкость канала затвора параллельного диска и области затвора. Значение параметров является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа.

Фиксированная линейная емкость, сопоставленная с перекрытием электрода затвора с исходной скважиной.

Фиксированная линейная емкость сопоставлена с перекрытием электрода затвора дренажной скважиной.

Диод тела

Ток, обозначенный символом Is в уравнениях с диодом тела.

Встроенное напряжение диода, обозначенное символом Vbi в уравнениях корпус-диод.

Коэффициент, обозначенный символом n в уравнениях с диодом тела.

Емкость между дренажным и объемным контактами при нулевом смещении из-за одного только диода тела. Он обозначается символом Cj0 в уравнениях корпус-диод.

Время, обозначенное символом τ в уравнениях с диодом тела.

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 - Моделируйте температурно-зависимые эффекты. Задайте значение для температуры симуляции устройства, Ts и коэффициентов масштабирования температуры для других параметров блоков.

Температура Ts при которой моделируется устройство

Значение параметров является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа. Как в канале, так и в области дрейфа, коэффициент усиления MOSFET, β, принимается масштабируемым экспоненциально с температурой, β = βm1 (Tm1/ T s) ^ ηβ. βm1 - значение усиления канала или области дрейфа, заданное параметром Gain, [channel drift_region] из вкладки Main. η β является соответствующим элементом параметра Gain temperature exponent, [channel drift_region].

Значение параметров является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа. Векторное напряжение, V FB, линейно масштабируется с температурой, V FB = V FBm1 + (Ts - Tm1) S T, VFB. VFBm1 - значение плоского напряжения канала или дрейфующей области, заданное параметром Flatband voltage, [channel drift_region] из вкладки Main. ST,VFB является соответствующим элементом параметра Flatband voltage temperature coefficient, [channel drift_region].

Поверхностный потенциал при сильной инверсии, 2 ϕB, масштабируется линейно с температурой 2ϕB = 2 ϕBm1 + (Ts - Tm1) ST,ϕB. 2 ϕBm1 является значением параметра Surface potential at strong inversion из вкладки Main, и ST,ϕB является Surface potential at strong inversion temperature coefficient.

Значение параметров является двухэлементным вектором, причем первый элемент соответствует каналу, а второй - области дрейфа. Скоростное насыщение, θsat, принято, чтобы масштабироваться экспоненциально с температурой, θsat = θsat,m1 (Tm1/ Ts) ^ ηθ. θsat,m1 - значение коэффициента насыщения скорости канала или области дрейфа, заданное параметром Velocity saturation factor, [channel drift_region] из вкладки Main. η в - соответствующий элемент параметра Velocity saturation temperature exponent, [channel drift_region].

Последовательные сопротивления приняты соответствующими полупроводниковым сопротивлениям. Поэтому они уменьшаются экспоненциально с повышением температуры. Ri = Ri,m1 (T / <reservedrangesplaceholder9> s) ^ <reservedrangesplaceholder8>, где i Sm1, D, или G, для источника, утечки или серийного сопротивления ворот, соответственно. Ri,m1 - значение соответствующего параметра последовательного сопротивления из вкладки Ohmic Resistance, и ηR Ohmic resistance temperature exponent.

Сопротивление R D, сопротивление низкого смещения объемной части области дрейфа, масштабируется аналогично другим последовательным сопротивлениям. Отдельное значение температурного коэффициента для этого сопротивления обеспечивает дополнительную степень свободы.

Обратный ток насыщения для диода тела принимается пропорциональным квадрату собственной концентрации носителя, ni = NC exp (- EG/2 kB T). NC является зависимой от температуры эффективной плотностью состояний и EG является зависящей от температуры полосой для полупроводникового материала. Чтобы избежать введения другого параметра масштабирования температуры, блок пренебрегает температурной зависимостью полосы пропускания и использует полосу пропускания кремния в 300K (1.12eV) для всех типов устройств. Поэтому масштабированный по температуре обратный ток насыщения задается как

Is=Is,m1(TsTm1)ηIsexp(EGkB(1Tm11Ts)).

Is,m1 - значение параметра Reverse saturation current из вкладки Body Diode, kB является константой Больцмана (8.617x10-5eV/K), и ηIs является Body diode reverse saturation current temperature exponent. Значение по умолчанию 3, потому что NC для кремния примерно пропорциональна T3/2. Можно исправить эффект пренебрежения температурной зависимостью бандгапа прагматическим выбором ηIs.

Вопросы совместимости

расширить все

Поведение изменено в R2019b

Ссылки

[1] Aarts, A., N. D'Halleweyn, and R. Van Langevelde. Модель транзистора LDMOS на основе поверхностного потенциала и высокого напряжения. Транзакции IEEE на электронных устройствах. 52(5):999 - 1007. Июнь 2005 года.

[2] Van Langevelde, R., A. J. Scholten, and D. B. M. Klaassen. "Физический фон MOS Model 11. Уровень 1101 ". Туземный. Лаборатория. Неклассифицированный доклад 2003/00239. Апрель 2003 года.

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

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ Simulink ®

.
Введенный в R2016b
Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте