寬禁帶生態(tài)系統(tǒng)：碳化硅功率MOSFET模型的部分特性

寬禁帶材料實現(xiàn)了較當前硅基技術的飛躍。它們的大帶隙導致較高的介電擊穿，從而降低了導通電阻(RSP)。更高的電子飽和速度支持高頻設計和工作，降低的漏電流和更好的導熱性有助于高溫下的工作。

安森美半導體提供圍繞寬禁帶方案的獨一無二的生態(tài)系統(tǒng)，包含從旨在提高強固性和速度的碳化硅(SiC)二極管、SiCMOSFET到SiCMOSFET的高端IC門極驅(qū)動器。除了硬件以外，我們還提供spice物理模型，幫助設計人員在仿真中實現(xiàn)其應用性能，縮短昂貴的測試周期。

我們的預測性離散建?？梢赃M行系統(tǒng)級仿真，其中可以針對系統(tǒng)級性能指標（例如效率）進行優(yōu)化，而不局限于優(yōu)化元器件級性能指標，例如RDS（on）。此外，設計人員可以放心地模擬數(shù)據(jù)表中未涵蓋的工作條件，例如開關應用的變化溫度、總線電壓、負載電流和輸入門極電阻。

為滿足這些需求，模型必須是基于物理規(guī)律的、直觀的、可預測的，最重要的是精確的。

在IC行業(yè)中，追溯到幾十年前，采用SPICE模型的支持CAD設計的環(huán)境對于IC設計人員準確預測電路性能至關重要。通過首次正確設計縮短生產(chǎn)周期。迄今為止，由于缺乏可靠的SPICE模型，電力電子CAD環(huán)境遠遠落后于IC行業(yè)。電力電子器件模型基于簡單的子電路和復雜的非物理行為模型。仿真最終不可靠。

圖1

簡單的子電路過于基礎簡單，不足以充分利用所有器件性能。在圖1中，我們顯示了一個CRSS圖，將典型的簡單模型（藍色）與更先進的物理模型（綠色）和測量數(shù)據(jù)（紅色）進行了比較。顯然，您可以看到簡單模型無法捕獲非線性電容效應，最終導致不準確的動態(tài)開關仿真。

眾所周知，更準確、更復雜的行為模型會導致收斂問題。此外，此類模型通常以專有的仿真器行為語言（例如MAST?）編寫，因此無法跨多個仿真器平臺。

通常，電力電子模型既不是基于工藝技術和布局的，也不具有芯片平面布局的可擴展性。

我們以物理可擴展模型開發(fā)了一個適用于整個技術平臺的模型。這就是說，它不是包含經(jīng)驗擬合參數(shù)的單個模型的庫，最終曲線適合所有產(chǎn)品。只需輸入給定產(chǎn)品的芯片平面布局參數(shù)，通過芯片擴展，我們就可以使技術迅速發(fā)展。

在下一級水平，模型中基于物理學的工藝依賴性使我們能夠預測新的虛擬技術變化帶來的影響。顯然，早期設計有助于從應用角度帶動技術要求，并加快產(chǎn)品上市時間。一方面，工藝和器件設計工程師使用限定的元器件仿真，也稱為TCAD。另一方面，應用和系統(tǒng)級設計人員使用基于SPICE的仿真環(huán)境?；诠に噮?shù)的spice模型有助于這兩方面的融合。

現(xiàn)在，我們介紹一下碳化硅功率MOSFET模型的部分特性。

圖2

圖3

圖2顯示了典型的碳化硅MOSFET橫截面，圖3顯示了子電路模型的簡化版本。

現(xiàn)在介紹該模型的一些元素。首先，我們談談關鍵通道區(qū)域。在這里，我們使用著名的伯克利BSIM3v3模型。我們都盡可能地不做重復工作。在這種情況下，我們嘗試建模MOSFET通道，該通道非常適合用BSIM模型進行。該模型是基于物理的，通過亞閾值、弱反演和強反演來準確捕獲轉(zhuǎn)換。此外，它具有出色的速度和收斂性，可以廣泛用于多個仿真平臺。

接下來，我們需要覆蓋由EPI區(qū)域的多晶硅重疊形成的門極至漏極臨界電容CGD。該電容本質(zhì)上是高度非線性的金屬氧化物半導體（MOS）電容器。該電容器的耗盡區(qū)由摻雜剖面、P阱dpw之間的距離以及外延層的厚度等工藝參數(shù)復雜的依賴性控制。SPICE行為方法實施一種基于物理的模型，并將所有這些影響考慮進去。

圖4

如圖4所示，從橫截面開始，我們想介紹芯片平面圖可擴展性背后的一些概念和結(jié)構(gòu)?；疑珔^(qū)域是有源區(qū)。藍色無源區(qū)與裸芯邊緣(dieedges)、門極焊盤和門極通道(gaterunners)相關。基于物理幾何的衍生確定了無源區(qū)和有源區(qū)之間的分布，這是實現(xiàn)可擴展性所需的。我們非常關注在有源和無源區(qū)之間的邊界區(qū)域中形成的寄生電容。一旦開始忽略布局中的寄生電容，你什么時候才會停止這種錯誤呢？所有被忽略的電容最終累積起來成為一個麻煩。在這種情況下，就無法實現(xiàn)擴展。而我們的理念是不忽略任何電容器。

碳化硅MOSFET支持非?？斓膁V/dt，大約每納秒50至100伏，而dI/dts大約每納秒3至6安培。器件固有的門極電阻很重要，可以用來抗電磁干擾(EMI)。圖4右邊的設計具有較少的門極通道，因此RG較高，很好地限制了振鈴。圖4左邊的設計有許多門極通道，因此RG較低。左邊的設計適用于快速開關，但每個區(qū)域的RDSon也較高，因為門極通道會在有源區(qū)侵蝕掉。

圖5

現(xiàn)在，我們要談談模型驗證。我們首先在左側(cè)的圖5中顯示輸出電流-電壓特性。該模型準確預測整個偏置范圍，包括高門極處的漂移區(qū)和漏極偏差。右圖中的精確導通仿真突出了模型的連續(xù)性，這對于強固的收斂性能很重要。除了線性以外，我們經(jīng)常查看對數(shù)刻度，以發(fā)現(xiàn)隱藏的不準確和不連

圖6

在圖6中，我們顯示了在寬溫度范圍內(nèi)的當前電壓、RDSon和閾值電壓的結(jié)果。SiCMOSFET器件具有穩(wěn)定的溫度性能，因此非常有吸引力。寬溫度范圍內(nèi)的高精度建模使設計人員可以充分利用這種特性。

圖7

前面我們介紹了對復雜器件電容的物理建模。圖7顯示了結(jié)果。在左側(cè)，CRSS（或CGD）仿真跟蹤數(shù)據(jù)在2個數(shù)量級以上的多次變化，僅在對數(shù)刻度上可見。

圖8

開關結(jié)果具有精確建模的固有電容和器件布局寄生效應，如圖8所示，無需額外調(diào)整模型。這種水平的保真度使應用設計人員有信心精確地仿真器件電路的相互影響，例如dV/dt、dI/dt、開關損耗和EMI。門極驅(qū)動器和電源環(huán)路的相互作用可以被更進一步地研究和優(yōu)化。

對我們來說，滿足客戶各種不同的仿真平臺要求非常重要。因此，SPICE方法至關重要。SPICE不局限于某個專用平臺或系統(tǒng)，我們僅使用行業(yè)標準仿真軟件中的最小公分母結(jié)構(gòu)，從而避免依賴于仿真器的專有方案。