Полупроводниковое поле N-образного оксида металла эффекта транзисторе с использованием уравнения Шичмана-Ходжеса или модели на основе поверхностного потенциала
Simscape/Электрический/Полупроводники и конвертеры
Блок N-Channel MOSFET обеспечивает два основных варианта моделирования:
На основе порогового напряжения - использует уравнение Шичмана-Ходжеса, чтобы представлять устройство. Этот подход моделирования, основанный на пороговом напряжении, имеет преимущества простой параметризации и простых выражений напряжения тока. Однако эти модели имеют трудности в точном захвате переходов через пороговое напряжение и не имеют некоторых важных эффектов, таких как насыщение скорости. Для получения дополнительной информации смотрите Основанная на пороге модель.
Этот вариант предоставляет четыре способа параметризации N-канального MOSFET:
Путем определения параметров из таблицы данных.
Путем непосредственного определения параметров уравнения.
По двумерной интерполяционной таблице аппроксимации к кривой I-V (ток-напряжение). Для получения дополнительной информации смотрите Представление двумерную интерполяционную таблицу.
По 3-D интерполяционной таблице приближение к кривой I-V (ток-напряжение), которая включает данные о температуре. Для получения дополнительной информации смотрите Представление 3-D Интерполяционную таблицу.
Основанный на поверхностном потенциале - Использует поверхностно-потенциальное уравнение, чтобы представлять устройство. Этот подход к моделированию обеспечивает более высокий уровень точности модели, чем могут обеспечить простые модели квадратного закона (основанные на пороге напряжения). Компромисс заключается в том, что существует больше параметров, которые требуют извлечения. Для получения дополнительной информации см. Модель.
Вместе с вариантами теплового порта (см. Тепловой порт), блок поэтому предоставляет вам четыре варианта выбора. Чтобы выбрать нужный вариант, щелкните правой кнопкой мыши блок в модели. В контекстном меню выберите Simscape > Block choices, а затем один из следующих опций:
Threshold-based - Базовая модель, которая представляет устройство с помощью уравнения Шичмана-Ходжеса (основанного на пороговом напряжении) и не моделирует термальные эффекты. Это значение по умолчанию.
Threshold-based with thermal - Модель, основанная на пороговом напряжении и с пустым тепловым портом.
Surface-potential-based - Модель, основанная на поверхностном потенциале. Эта модель не моделирует термальные эффекты.
Surface-potential-based with thermal - Тепловой вариант модели, основанный на поверхностном потенциале.
Основанный на пороге вариант блока использует уравнения Шичмана и Ходжеса [1] для полевого транзистора с изолированным затвором, чтобы представлять N-канал MOSFET.
Ток стока-источника, IDS, зависит от области операции:
В отключенной области (VGS < Vth) ток источника стока:
В линейной области (0 < VDS < VGS - Vth) ток источника стока:
В насыщенной области (0 < VGS - Vth < VDS) ток источника стока:
В предыдущих уравнениях:
K - коэффициент усиления транзистора.
VDS - положительное напряжение источника стока.
VGS - напряжение источника затвора.
Vth - пороговое напряжение. Для четырехкомпонентной параметризации Vth получается с помощью этих уравнений:
VBS область значений | Vth уравнение |
---|---|
λ - модуляция канала.
Блок моделирует соединительные емкости либо по фиксированным емкостным значениям, либо по сведенным в таблицу значениям как функцию напряжения источника стока. В любом случае можно либо непосредственно задать значения емкости соединения затвора и затвора, либо позволить блоку вывести их из значений входной и обратной передаточной емкости. Поэтому опции Parameterization для модели заряда на вкладке Capacitance:
Specify fixed input, reverse transfer and output capacitance
- Обеспечьте фиксированные значения параметров из таблицы данных и дайте блоку преобразовать входные и обратные значения емкости передачи в значения емкости соединения, как описано ниже. Это метод по умолчанию.
Specify fixed gate-source, gate-drain and drain-source capacitance
- Задайте фиксированные значения параметров емкости соединения непосредственно.
Specify tabulated input, reverse transfer and output capacitance
- Обеспечить табличные значения напряжений емкости и стока-источника на основе графиков таблицы данных. Блок преобразует входные и обратные значения емкости переноса в значения емкости соединения, как описано ниже.
Specify tabulated gate-source, gate-drain and drain-source capacitance
- Предоставить табличные значения для соединительных емкостей и напряжения источника стока.
Используйте один из табличных 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 соединительных емкостей как функцию напряжения источника стока. Использование табличных значений емкости дает более точные динамические характеристики и избегает необходимости интерактивной настройки 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 задавать Gate-drain junction capacitance, Gate-source junction capacitance и Drain-source junction capacitance значения параметров (фиксированные или табличные) непосредственно. В противном случае блок выводит их из Input capacitance, Ciss, Reverse transfer capacitance, Crss и Output capacitance, Coss значений параметров. Эти два метода параметризации связаны следующим образом:
CGD = Crss
CGS = Ciss – Crss
CDS = Coss – Crss
Для параметризации четырех выводов Input capacitance, Ciss, Reverse transfer capacitance, Crss и Output capacitance, Coss получаются с помощью этих уравнений:
CGD = Crss
CGS + CGB = Ciss – Crss
CDB = Coss – Crss
Упрощенная емкостная модель Майера используется, чтобы описать емкость источника затвора, CGS, объемную емкость затвора, CGB и емкость стока затвора, CGD. Эти рисунки показывают, как емкости затвора и источника затвора изменяются мгновенно, в то время как
Емкость затвора и источника затвора изменяется мгновенно.
Двух фиксированных емкостных опций (Specify fixed input, reverse transfer and output capacitance
или Specify fixed gate-source, gate-drain and drain-source capacitance
) позвольте Вам емкость соединения ворот модели как фиксированная емкость источника ворот CGS и или фиксированное или нелинейная емкость утечки ворот CGD. Если вы выбираете Gate-drain charge function is nonlinear
опция для параметра Gate-drain charge-voltage linearity, тогда отношение шибер-сток определяется кусочно-линейной функцией, показанной на следующем рисунке.
Для получения инструкции о том, как сопоставить временную характеристику с значениями емкости устройства, смотрите N-Channel IGBT блок страницы с описанием. Однако это отображение является только приблизительным, потому что напряжение Миллера обычно больше изменяется от порогового напряжения, чем в случае IGBT.
Примечание
Поскольку эта реализация блока включает модель заряда, вы должны смоделировать импеданс схемы, приводящей в действие ворота, чтобы получить репрезентативную динамику включения и выключения. Поэтому, если вы упрощаете схему управления затвором, представляя ее как управляемый источник напряжения, вы должны включать подходящий последовательный резистор между источником напряжения и затвором.
Для представления интерполяционной таблицы варианта детализированного блока, вы предоставляете сведенные в таблицу значения для токов источника стока как функции от напряжения источника затвора и напряжения источника стока. Основным преимуществом использования этой опции является скорость симуляции. Это также позволяет вам параметризовать устройство из измеренных данных или из данных, полученных из другой среды симуляции.
Этот рисунок показывает реализацию опции двумерной интерполяционной таблицы, когда вы задаете Ids-Vds parameterization Provide negative and positive Vds data
:
Этот рисунок показывает реализацию опции двумерной интерполяционной таблицы, когда вы задаете Ids-Vds parameterization Provide positive Vds data only
:
Для четырех выводов MOSFET потенциал поверхности и значения фактора тела вычисляются на основе ближайшего порогового напряжения, как показано на этом изображении:
Для представления интерполяционной таблицы, зависящей от температуры, подробного варианта блока, вы предоставляете сведенные в таблицу значения для токов источника стока как функции напряжения источника затвора, напряжения источника стока и температуры.
Вариант блока, основанный на поверхностном потенциале, обеспечивает более высокий уровень точности модели, чем простая модель квадратного закона (основанная на пороге напряжения). Вариант блока на основе поверхностного потенциала включает следующие эффекты:
Полностью нелинейная емкостная модель (включая нелинейную емкость Миллера)
Сохранение заряда внутри модели, поэтому вы можете использовать модель для симуляций, чувствительных к заряду
Насыщение скорости и модуляция длины канала
Внутренний диод тела
Обратное восстановление в модели диода тела
Температурное масштабирование физических параметров
Для теплового варианта, динамического самонагрева (то есть можно симулировать эффект самонагрева на электрические характеристики устройства)
Эта модель является минимальной версией модели PSP мирового стандарта (см. https://briefs.techconnect.org/papers/introduction-to-psp-mosfet-model/), включая только определенные эффекты от модели PSP в порядок достижения баланса между точностью модели и сложностью. Для получения дополнительной информации о физическом фоне явлений, включенных в эту модель, см. [2].
Базис модели является уравнение Пуассона:
где:
ψ - электростатический потенциал.
q - величина электронного заряда.
NA - плотность акцепторов в подложке.
ɛSi - диэлектрическая диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала (для примера, кремния).
ϕB - различие между собственным уровнем Ферми и уровнем Ферми в объемном кремнии.
VCB - квазиферми-потенциал поверхностного слоя, привязанный к объему.
ϕT - тепловое напряжение.
kB Больцмана постоянная.
T - температура.
Уравнение Пуассона используется, чтобы вывести уравнение поверхностного потенциала:
где:
VGB - приложенное напряжение затвора-тела.
VFB - плоское напряжение.
ψs - поверхностный потенциал.
γ - фактор тела,
Cox - емкость на единицу площади.
Блок использует явное приближение к уравнению поверхностного потенциала, чтобы избежать необходимости численного решения этого неявного уравнения.
Когда потенциал поверхности известен, ток стока ID задается как
где:
W - ширина устройства.
L - длина канала.
μ0 - низкая мобильность в полевых условиях.
θsat - насыщение скорости.
Δψ - различие в поверхностном потенциале между дренажем и источником.
Qinv0 и QinvL являются плотностями инверсионного заряда в источнике и стоке, соответственно.
- средняя плотность инверсионного заряда по каналу.
Gmob - коэффициент снижения мобильности. Для получения дополнительной информации см. описание параметра Surface roughness scattering factor в разделе Main (Surface-Potential-Based Variant).
GΔL - модуляция длины канала.
где:
α - коэффициент модуляции длины канала.
VDB - напряжение стока-тела.
VDB,eff - напряжение стока-тела, зажатое до максимального значения, соответствующего насыщению скорости или отжиму (в зависимости от того, что произойдет раньше).
Vp - напряжение модуляции длины канала.
Блок вычисляет плотности инверсионного заряда непосредственно из поверхностного потенциала.
Блок также вычисляет нелинейные емкости из поверхностного потенциала. Вклады в стоимость источника и стока назначаются через зависимую от смещения схему разбиения заряда Уорд-Даттона, как описано в [3]. Эти заряды вычисляются явно, поэтому эта модель является заряженной. Емкостные токи вычисляются путем взятия производных по времени от соответствующих зарядов. На практике заряды в симуляции нормируются к емкости оксида и вычисляются в единицах вольт.
Коэффициент усиления MOSFET, β, задается как
Пороговое напряжение для короткозамкнутого объемного соединения источника приблизительно задано как
где:
2 ϕB является поверхностным потенциалом при сильной инверсии.
Общие три и четыре терминальные модели состоят из внутренней MOSFET, заданной композицией поверхностного потенциала, диодом тела, последовательными сопротивлениями и фиксированными емкостями перекрытия, как показано на схемах.
Блок моделирует диод тела либо как идеальный, экспоненциальный диод, либо как сведенный в таблицу диод.
Когда вы задаете Model body diode Exponential
соединительная и диффузионная емкости:
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.
Чтобы смоделировать сведенный в таблицу диод, установите параметр Model body diode равным Tabulated I-V curve
. Этот рисунок показывает реализацию табличной опции диода:
При выборе этой параметризации необходимо предоставить данные только для прямого смещения.
Блок реализует диод с помощью опции сплайна-интерполяции. Если диод превышает заданные табличные данные области значений, блок использует метод линейной экстраполяции в последней точке данных тока напряжения.
Примечание
Сведенный в таблицу диод не моделирует обратное разбиение.
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.
Основанная на пороге модель
Для варианта, основанного на пороге, можно включать моделирование зависимости статического поведения транзистора от температуры во время симуляции. Температурная зависимость соединительных емкостей не моделируется, что является гораздо меньшим эффектом.
При включении температурной зависимости транзистор, определяющий уравнения, остается неизменным. Коэффициент усиления, K и пороговое напряжение, Vth, становятся функцией от температуры согласно следующим уравнениям:
Vths = Vth1 + α (Ts – Tm1)
где:
Tm1 - температура, при которой заданы параметры транзистора, заданная Measurement temperature значением параметров.
Ts - температура симуляции.
KTm1 - коэффициент усиления транзистора при температуре измерения.
KTs - коэффициент усиления транзистора при температуре симуляции. Это значение усиления транзистора, используемое в уравнениях MOSFET, когда моделируется температурная зависимость.
Vth1 - пороговое напряжение при температуре измерения.
Vths - пороговое напряжение при температуре симуляции. Это пороговое значение напряжения, используемое в уравнениях MOSFET, когда моделируется температурная зависимость.
BEX - показатель температуры мобильности. Типичное значение BEX - -1,5.
α - коэффициент температуры порога напряжения затвора, d Vth/ d T.
Для параметризации четырех выводов Vth получается с помощью этих уравнений:
VBS область значений | Vth уравнение |
---|---|
Где:
- поверхностный потенциал и .
Eg(0) - экстраполированная полоса диапазона нулевой степени, которая равна 1.16
eV
для кремния.
VBS - напряжение массового источника.
Для большинства MOSFETS можно использовать значение по умолчанию -1.5
для BEX. Некоторые таблицы данных приводят значение для α, но чаще всего они обеспечивают температурную зависимость для источника стока от сопротивления, RDS(on). В зависимости от метода параметризации блоков, у вас есть два способа задать α:
Если вы параметризоваете блок из таблицы данных, вы должны предоставить RDS(on) при второй температуре измерения. Затем блок вычисляет значение α на основе этих данных.
Если вы параметризованы путем определения параметров уравнения, вы должны предоставить значение для α непосредственно.
Если у вас есть больше данных, содержащих ток стока как функцию напряжения затвора-источника для более чем одной температуры, то вы также можете использовать Simulink® Разработайте Optimization™ программное обеспечение, чтобы помочь настроить значения для α и BEX.
Модель, основанная на поверхностном потенциале
Модель, основанная на поверхностном потенциале, включает температурные эффекты емкостных характеристик, а также моделирование зависимости статического поведения транзистора от температуры во время симуляции.
Параметр Measurement temperature на вкладке Main задает температуру T м1, при которой были извлечены параметры другого устройства. Вкладка Temperature Dependence предоставляет температуру симуляции, T с и коэффициенты масштабирования температуры для других параметров устройства. Для получения дополнительной информации см. «Температурная зависимость» (Surface-Potential-Based Variant).
Блок имеет дополнительный тепловой порт, скрытый по умолчанию. Чтобы открыть тепловой порт, щелкните правой кнопкой мыши блок в вашей модели и выберите соответствующий вариант блока:
Для модели, основанной на пороговом напряжении и с пустым тепловым портом, выберите Simscape > Block choices > Threshold-based with thermal.
Для теплового варианта модели на основе поверхностного потенциала выберите Simscape > Block choices > Surface-potential-based with thermal.
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.
При моделировании температурной зависимости для варианта блока на основе порога примите к сведению следующее:
Блок не учитывает зависящие от температуры эффекты на соединительные емкости.
Когда вы задаете RDS(on) при второй температуре измерения, она должна быть приведена для той же рабочей точки (то есть того же тока стока и напряжения источника затвора), что и для другого RDS(on) значения. Несогласованные значения для RDS(on) при более высокой температуре приведут к нефизическим значениям для α и непредставительных результатов симуляции. Обычно RDS(on) увеличивается в 1,5 раза при увеличении температуры на сто степеней.
Возможно, вам потребуется настроить значения BEX и порогового напряжения, V, чтобы воспроизвести отношение IDS - VGS (при наличии) для данного устройства. Увеличение Vth перемещает IDS - –VGS графики вправо. Значение BEX влияет на то, пересекают ли кривые IDS - VGS для разных температур друг друга, или нет, для областей значений VDS и VGS учитываемых. Поэтому неподходящее значение может привести к тому, что различные температурные кривые окажутся переупорядоченными. Цитирование RDS(on) значений для более высоких токов, предпочтительно близких к току, при котором он будет работать в вашей схеме, уменьшит чувствительность к точному значению BEX.
[1] Шичман, Х. и Д. А. Ходжес. Моделирование и симуляция обмотки переключения полевого транзистора с изолированными затворами. Твердотельные схемы IEEE J. SC-3, 1968.
[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.