（微电子学与固体电子学专业论文）功率ldmosfet温度效应研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 横向高压功率器件l d m o s f e t 有耐压高、增益大、动态范围宽、失真低和易于与低压 电路工艺兼容等特点。随着半导体工艺技术的不断成熟，l d m o s 越来越广泛地应用于功率 集成电路及智能功率集成电路中。功率电路由于自身大电流、高电压的特点，其许多应用都 要求工作在高温下。因此，对功率l d m o s f e t 的温度效应进行研究与建模有着重要的实际 意义。本文讨论的l d m o s 结构基于p d p 选址驱动芯片，该结构实现了与低压电路工艺的 兼容，并满足酎压高、电流大的实际需要。 针对l d m o s f e t 在功率集成电路中越来越广泛的应用，以及日益突出的温度问题，本 文通过对功率l d m o s f e t 击穿电压、导通电阻和饱和电流等主要电学参数温度效应的深入 探讨，建立功率l d m o s f e t 二维温度分布模型，最终提出了一个功率l d m o s f e t 带温度 效应的器件模型。其中，温度分布模型分析了l d m o s f e t 工作在线性区与饱和区时温度的 分布，器件各个部分自热引起的温度的升高以及l d m o s 在不同宽度的高压脉冲作用下温度 的变化。文中提出的带温度效应的器件模型，综合考虑了功率l d m o s f e t 电学参数的温度 效应，器件内部的温度分布，以及电热耦合效应和封装的影响；解决了经典m o s 器件模型 与功率l d m o s f e t 实际测试不匹配的问题；解释了在实际测试中高功率密度的l d m o s f e t 在其饱和区发生的“负阻现象”的机理。 本文提出的功率l d m o s f e t 带温度效应的器件模型，主要针对p d p 驱动芯片所使用 的功率l d m o s f e t 。设计者通过该模型，在设计功率l d m o s f e t 时，可以提前预测其在 不同工作方式下的热行为，设计出符合要求的器件。经过m e d i c i 和t s u p r e m 4 软件模拟 以及实际流片验证，该模型较好的反应器件的温度效应。 关键词：功率l d m o s f e t 、温度效应、电热耦合、负阻现象 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a t e r a lh i g h - v o l t a g ep o w e rd e v i c el d m o s f e th a sa d v a n t a g e so f h i g h - v o l t a g e ，l a r g eg a i n ， w i d ed y n a m i cr a n g e ，l o wd i s t o r t i o na n dc o m p a t i b i l i t yw i t hl o w - v o l t a g ec i r c u i tp r o c e s s w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , l d m o si s n l o r ea n dm o r ew i d e l yu s e di np o w e r i n t e g r a t e dc f f c u i t sa n ds n l a r tp o w e rc i r c u i t s b e c a u s eo fi t sh i g hv o l t a g ea n dh i g hc u r r e n t ，p o w e r i n t e g r a t e dc i r c u i t so f t e nr e q u i r eo p e r a t i o na th i g ht e m p e r a t u r e s t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt o s t u d ya n dm o d e lt e m p e r a t u r ee f f e c to f l d m o sb e c a u s eo f i t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n t h es t r u c t u r e o fl d m o sd i s c u s s e di nt h i sp a p e ri sb u s e do l lp d pd r i v e ri c s i to u g h tt ob ec o m p a t i b l ew i t h l o w - v o l t a g ec i r c u i tp r o c e s sa n ds a t i s f yr e q u i r e m e n to f h i g h - v o l t a g ea n dl a r g ec u r r e n t a i m i n ga t i t sw i d e l yu s ea n ds e r i o u st h e r m a lp r o b l e m , t h i sp a p e rd e e p l yd i s c u s s e st h e t e m p e r a t u r ee f f e c to fl d m o s f e tb r e a k d o w nv o l t a g e ，o n - s t a t er e s i s t a n c e ，s a t u r a t i o nc u r r e n te t c ， c o v e na2 dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nm o d e lo ft h ep o w e rl d m o s f e t , a n dp r e s e n t st h ed e v i c e m o d e lw i t ht e m p e r a t u r ee f f e c ta tl u s t t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nm o d e ls o l v e st h ep r o b l e m so f t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h el d m o so p e r a t i n gi nb o t hl i n e a ra n ds a t u r a t i o nr e g i o n ，t h e s e l f - h e a t i n ge f f e c tb yt h ed i f f e r e n tp a r to f t h ed e v i c e ，a n dt h ed i f f e r e n tt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f t h ed e v i c eo p e r a t i n gi nt h ed i f f e r e n th i g h - v o l t a g ep u l s e t h ed e v i c em o d e lw i t ht e m p e r a t u r ee f f e c t i nt h i sp a p e rs y n t h e s i z e st h et e m p e r a t u r ee f f e c t so nt h ek e yl d m o se l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ，t h e i n s i d et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ed e v i c e ，t h eh e a ta n de l e c t r o n i cc o u p l i n ge f f e c ta n dt h e i n f l u e n c eo f t h ep a c k a g e ；s o l v e st h ep r o b l e mo f t r a d i t i o nm o sd e v i c em o d e lm i s m a t c h i n gt h et e s t r e s u l t s ；e x p l a i n st h en e g a t i v ed y n a m i cr e s i s t a n c eo b s e r v e di nt h es a t u r a t i o nr e g i o no f l d m o s f e t o p e r a t i n ga te l e v a t e dp o w e rd e n s i t i e s t h i sd e v i c em o d e lw i t ht e m p e r a t u r ee f f e c tm a i n l ya i m e da tt h ep d pd i v e ri c sl d m o s f e t a c c o r d i n gt ot h i sm o d e l ，t h ed e s i g n e rc a l lp r e v i o u s l ya n t i c i p a t e st h ed e v i c e ss o aa n dt h e r m a l b e h a v i o ri nt h ed i f f e r e n tw o r km o d e s t h em o d e lw i t ht e m p e r a t u r ee f f e c to f p o w e rl d m o s f e t i nt h i sp a p e rp r e f e r a b l yr e a c t st h et e m p e r a t u r ee f f e c to ft h ed e v i c e s ，a c c o r d i n gt h em e d i c ia n d t s u r e m 4s i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t so f f a b r i c a t i o n s k e yw o r d s ：p o w e rl d m o s f e t , t e m p e r a t u r ee f f e c t ，h e a ta n de l e c t r o n i cc o u p l i n ge f f e c t , n e g a t i v ed y n a m i cr e s i s t a n c e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：；依日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：三鱼导师签名： 日期： 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 功率l d m o s f e t 的综述 1 1 1 功率l d m o s f e t 发展史 自1 9 5 2 年第一个功率半导体器件_ r n h a l l 研制的功率整流器问世以来，功率半 导体器件得到了飞速的发展。到了6 0 年代，功率m o s 器件开始大量的被人们研究制造。 图1 1 早期m o s 管结构 图1 1 是早期的m o s 结构示意图。它是在低浓度的衬底上制作高浓度的源、漏( 扩散) 区。这种结构的m o s 器件当漏电压增加时，耗尽区主要向低浓度的衬底沟道延伸，当耗尽 延伸到源区时器件便产生穿通。因此，要提高该器件的耐压水平，除了要选用高阻衬底材料 外，还要在结构上增加沟道的长度l ( 否则很容易穿通) 。但从晶体管原理知道，该器件的 漏电流i d 与沟道的宽长比( w l ) 成正比，即 i d w l 【2 】 可见，增加了l 必然会减小器件的工作电流。因此，这种结构的m o s 管不可能做成高 压大电流的功率器件。为了解决这一矛盾，1 9 7 1 年t a r u i 等人提出了横向双扩散m o s f e t ( l d m o s ) p 】，如图1 2 所示。与标准m o s 器件相比l d m o s 主要有两点不同：一、沟道 与漏极之间增加了较长的低浓度n 漂移区。由于该区的杂质浓度远远低于p 型沟道的杂质 浓度，当漏电压增加时，耗尽主要向低浓度的漂移区延伸。因此设计此l d m o s 的主要任务 是调节漂移区长度以及p 型沟道和漂移区的电阻率。二、沟道区的长度主要由两次扩散的 结深来控制，因此l 可以做得很小而不受光刻精度的限制。如果需要更大的电流，只要增 加沟道的宽度。1 9 7 6 年，m j d e c l e r q 和j d p l u m m e r 采用这种方案作出了第一个高压大 电流l d m o s 器件嗍。 第一章绪论 1 1 2 功率l d m o s f e t 的应用 功率l d m o s f e t 是横向高压功率m o s 的一种，具有横向的沟道结构，器件的漏极、 源极和栅极都在芯片表面，易于通过内部连接与低压信号电路集成，所以在高压集成电路 ( h 、，i c ) 和功率集成电路( p i c ) 中作为高压功率器件是特别适合的。 l d m o s 具有众多的优点：一、源漏栅三个电极都可以从表面引出，易于跟标准的m o s 工艺兼容。二、l d m o s 是多子器件，无存储效应，工作频率高，开关速度快，开关损耗小。 三、l d m o s 是压控器件，输入阻抗高，电流增益大，驱动功率小，驱动电路简单。四，l d m o s 是短沟器件，跨导线性度高，放大失真小。五、l d m o s 是负电流温度系数器件，不易发生 二次击穿，安全工作区宽，热稳定性好。由于这些优点，它已经被广泛应用在开关电源、 d c - d c 变换、d c - a c 变换、快速开关变换，高保真音频放大、各种模拟开关、马达驱动、 汽车电子等领域。下面介绍l d m o s 应用在p d p 驱动电路中的例子。 、嬲 i n 3 ；n 2 l n 图1 3p d p 驱动芯片输出级 2 东南大学硕士学位论文 p d p 行驱动芯片输出级电路图如图1 3 所示，i n l 、i n 2 、i n 3 为来自低压逻辑部分的三路 控制信号线，其中，i n l 信号与i n 3 信号相同，与i n 2 信号相反。p l p 2 、n l 及n 2 四个l d m o s 管产生一个控制信号来控制p ，管的开启与截止；由p 3 、n ，管作o u t 端输出，实现电平的位 移。该电路的工作过程是：当i n l = i n 3 = 0 、i n 2 = 1 时，n l 导通，n 2 ，n 3 截止，导致p 2 、p 3 导 通，p l 截止，高电压将通过n 管，在q 端输出：当i n i - - m 3 = l 、i n 2 = 0 时，n 2 、n 3 导通，n 】 截止，导致p l 导通，p 2 、p 3 截止，输出端q 通过n 3 放电至低电平。由于v d h 是高压电源( 超 过1 0 0 v ) ，因此普通的m o s 不能承受如此高的电压，图中的6 个管子都是l d m o s 。 1 2 功率器件封装综述娜6 】 7 1 封装不仅关系着器件和i c 的稳定性和可靠性，而且对功率器件及其i c 来说还直接关系 到其功率容量和一些额定的参数值，因为管壳本身还可以起到散热和屏蔽的作用。 功率器件一般需要处理较大的电流，发热比较厉害。这些热量需要通过封装散发出去。 因此。在封装设计中应保证有尽可能低的热阻，以使器件能耗散较大的功率。此外，因功率 器件的芯片面积都比较大，容易引起芯片或焊料层断裂，所以在安装时要注意消除这个热应 力。 1 2 1 芯片的安装 把较大面积的芯片如何安装到散热的底座上去，这是一个直接关系到热阻和封装的稳定 性与可靠性的重要问题。用于底座的散热金属通常是用镀金或镀镍的铜片。芯片即直接键合 到底座上，键合的方法常用焊接法，这包括硬焊和软焊两种技术。焊接时，在硅芯片与铜底 座之间必须插入一层热膨胀匹配层，如镀金的钼。对于较大面积的芯片，焊接到底座上后， 由于存在有较大的热应力，则芯片或焊接层有可能发生断裂。因此，对焊接芯片用的焊料系 统必须加以很好的研究。 对于功率l d m o s f e t 以及应用的功率集成电路，较多采用的还是软焊技术。常用的软 焊材料有铅锡合金和铅，铟银合金等，这些软焊材料可以通过自身的塑性形变来吸收芯片在 热电循环中所产生的热应力。但是在用软焊料焊接时有两个重要问题需要解决，一是热疲劳 现象( t h e r m a lf a t i g u ep h e n o m e n o n ) ，二是软焊料与硅芯片的浸润性问题。而热疲劳现象关 系着整个封装的热学设计问题。 1 2 2 热疲劳现象 为了保证器件的散热条件良好，能经受热冲击，使得芯片能尽量在较高结温下工作而不 致发生失效，就必须对封装结构的热学性能进行分析。因为功率器件的功耗大，温度高，则 当其处于断续工作状态时，器件内部的温度将发生剧烈的、周期性的变化，这种由于电功率 循环所引起的剧烈的器件温度变化通称为热电循环。这时，若管芯与底座材料之间的熟膨胀 匹配性较差( 例如c u 的线膨胀系数是s i 的6 5 倍，f e 是s i 的4 8 倍) ，则在长期的熟电循 环中，芯片将承受很大的热应力；加之如果焊料的浸润性不佳，烧结工艺不当，焊料的抗拉 第一章绪论 性强度又不高的话，于是经过一定幅度和次数的热电循环后，在焊料层将首先产生疲劳裂纹， 然后裂纹两边在交替应力作用下发生研磨，从而导致局部区域性的接触不良，使器件的热阻 增大，电性能变坏，严重时甚至使焊料层或芯片开裂，最终造成整个器件失效热疲劳失 效。 热疲劳现象往往是导致功率器件失效的主要机理，现已成为标志功率晶体管可靠性水平 的重要参数。因此，在器件封装的热学设计中需要特别予以重视。在对软焊封装系统进行热 学设计时，可以冲管座结构，焊料成分、焊料层厚度和芯片面积、焊接工作等方面来考虑， 以减小热阻以及增加速度，减小热切变，达到提高功率器件耐热疲劳能力的目的。 对功率循环试验，经验表明，器件发生失效的功率循环次数n p 与焊接面性能参数之间 有以下关系： n e = a e x p ( 若矗) ( 1 2 ) 这里a 和是与焊接层的材料和结构有关的常数，l 是芯片的对角线长，t 是界面处 的温度升高值，( i t 是界面的热膨胀不匹配性( 对硅芯片焊料界面， a = 2 6 p p m c ；对于焊 料一铜底座界面， c t = 1 5 p p m c ) 。为了提高功率器件耐热疲劳的性能，除了在器件封装的熟 学设计中注意减小和l 以外，还应当在器件的使用中注意减小温度升高t ( 通过调整功 耗或调整热沉来控制温升) 。 1 2 3 管壳 对功率l d m o s f e t ，封装用的管壳除了起着把管芯与外界隔离和提供合适的引线等作 用以外，重要的是还可以起着散热的作用。实际上，芯片中所产生的热量都是通过管壳散发 到外界去的。因此，管壳的结构、尺寸、散热面积、热流通道长短以及材料导热性能等都将 影响到器件的最大容许功耗。此外，由于功率晶体管总是经历着剧烈的温度循环，为了保证 管壳结构的牢固性和气密性，就必须对构成管壳的各种材料的热匹配性能进行认真的考虑。 管壳的基本形式有四种：金属管壳、陶瓷管壳、塑料管壳和玻璃管壳。对大功率器件来 说，经常采用的是金属管壳，对一般功率器件及其i c ，也常采用背面带散热铜板的塑料管 壳或陶瓷管壳。 1 3l d m o s 温度的研究 1 3 1 温度研究的背景 科学技术和工业生产的发展，对设备的使用温度提出了越来越高的要求，特别是在能源、 航空和航天领域内，常常要求检测和控制设备能在超过室温数倍的高温状态下运行。而在汽 车电子这个新兴的产业中，功率集成电路工作的温度也超过了传统的1 2 5 c 的要求。虽然在 采用了冷却装置后，可以使室温下工作的器件和电路适用于高温的情况，但这样的处理器件 4 东南大学硕士学位论文 和电路往往有着一系列的缺陷。给系统的微型化和实用化带来了诸多的不便。因此，研究高 温微电子学，设计制造高温微电子器件和集成电路是十分必要的。 在高温微电子学的研究领域，制造高温硅器件和集成电路是一件顺其自然的事。国外对 这一方面的工作开展得较早，自7 0 年代末起，一些学者就积极地开展了硅材料高温器件和 集成电路的研究。但早期的工作的主要目标是设计与制作双极型高温器件和厚膜集成电路。 1 9 8 4 年后，开始有一些学者对高温m o s 晶体管和c m o s 集成电路进行了系统研究【s 】。他们 对m o s 晶体管的阈值电压、表面载流子的迁移率、亚阈值电流、漏源电流、泄漏电流等参 数在2 5 c - 3 0 0 c 环境下的变化情况给出了高温电学特性方程和经验公式。8 0 年代末，人们 对高温大功率晶体管和s o l 结构的m o s 管进行了深入的研究。l d m o s 也从此进入了高温 功率器件的历史舞台，并得到越来越多的应用。 人们通过各种努力试图直接找到l d m o s 器件中温度效应的特性，并且为减轻这样的效 应做出了各种尝试。这些尝试一定程度的提高了器件的热处理能力，但是这样的器件仍然存 在温度问题。因此，对l d m o s 的特性在不同温度下模拟和分析是精确估计器件性能的关键。 在这种背景下，研究功率l d m o s 器件的温度效应，得到l d m o s 器件温度的模型，开发出 一套l d m o s 器件在高温下的设计方法具有非常重要的意义。 1 3 2 器件热量的传递和温度的测量 各种半导体器件无论在静态还是动态工作中，均有能量损耗。这种损耗一般以热的形式 产生于p n 结处( 结型器件) 、沟道内( 场效应器件) 或者接触势垒区( 肖特基器件) 以及 集成电路中的扩散电阻或薄膜电阻上。 器件有源区的热量必然引起其相对于芯片其他部位和周围介质问的温度差。根据热力学 第二定律，有温差，便有热量的传递。这种传递的基本方式是辐射、对流和传导。研究半导 体器件内部热量传递的问题，主要是研究热传导的问题。而器件外部，研究管壳或散热片在 空气中的传热问题，则主要是对流和辐射。 有时候为了估计器件中的温度上升，将用到一些温度的测量方法。这包括：红外显微镜、 红外热感应器、衬底二极管法等州。 红外显微镜是一种没有接触的方法，可以完成局部温度的测量并通过连续获得的结果来 进行绘图。红外热感应器是一个显示了根据电学估计得到温度的电子器件。这种方法允许我 们通过一个时间分析，来估计硅的温度。衬底二极管的正向特性和温度有着很强的关系，所 以就可能用一个l d m o s 的p n v - n e p l 结，作为传感器来估计受到能量放电的l d m o s 内的温 度上升。 1 4 本文的主要工作以及意义 本文的主要工作是研究功率l d m o s f e t 的温度效应，并建立其不同工作方式下，器件 内部的温度分布模型以及带温度效应的器件模型。本文提出的功率l d m o s f e t 带温度效应 5 第一章绪论 的器件模型，主要针对p d p 驱动芯片用的功率l d m o s f e t 。设计者通过该模型，在设计功 率l d m o s f e t 时，就可以提前预测其在不同工作方式下的热行为，设计出符合要求的器件。 经过m e d i c i 和t s u p r e m 4 两款半导体仿真软件模拟以及实际流片验证，该模型较好的反 应器件的温度效应。 功率l d m o s f e t ( l a t e r a l d o u b l e d i f f u s e d m o s f e t ) 器件由于其优异的驱动电流，较 高的工作电压，简单的制作工艺和低廉的成本，被广泛的应用于高压或高低压兼容的功率集 成电路中。在大多数的应用场合中，如，p d p 驱动芯片中的n l d m o s 驱动管工作时，源 漏极之间被加上高压，l d m o s f e t 工作时，功耗非常大，温度升高很快，会产生严重的热 问题。所以分析研究其温度效应并建立模型预测其高温下的热效应具有重要意义。 6 东南大学硕士学位论文 第二章l d m o s f e t 电学特性的温度效应 科学技术和工业生产的发展，对电路器件的使用温度提出了越来越高的要求。当普通低 压m o s 器件的温度特性被广泛关注和研究f 1o 】【1 1 1 的同时，体硅高压l d m o s 的温度效应也逐 渐成为研究的热点旧【”】。本章仅从绝热的条件下阐述了体硅高压l d m o s 击穿电压、导通 电阻和饱和电流等主要电学参数的温度效应，并分析解释了温度影响体硅l d m o s 器件性能 的机理。 在绝热( i s o t h e r m a l ) 的条件下，l d m o s 器件在工作的时候，温度是处处相同的，功率 l d m o s f e t 主要电学参数随温度变化的关系就直观的体现出来了。这有助于我们更清楚的 了解温度参数t 影响电学参数的物理机理。而在非绝热( n o n i s o t h e r m a l ) 条件下【1 4 1 ”】，大 多数电学参数的温度效应和绝热下几乎是相同的，仅当功率l d m o s f e t 工作在大电流开启 状态时，部分电学参数会有较大的改变。有关于非绝热条件下l d m o s 器件的温度效应，我 们将在第五章功率l d m o s f e t 的s o a 中详细讨论。 2 1 器件结构与工艺 本文采用n 型体硅l d m o s 进行模拟分析并得到器件的温度效应。图2 1 是一个典型的 体硅n - l d m o s 的纵面剖视图。和普通的m o s 管相比，l d m o s 在沟道到漏区之间有一层 低掺杂的漂移区。当漏端加高电压时，由于漂移区的浓度较低而首先耗尽，大部分的电压都 加在漂移区上，从而使得l d m o s 能够承受较高的电压。 图2 1 功率n l d m o s f e t 纵面剖视图 我们设计的体硅r e s u r fn l d m o s f e t 的工艺兼容标准体硅c m o s 工艺。工艺流程见 表2 1 。首先，在硼杂质浓度为l x l 0 ”c m - 3 的p 型s i 衬底上注入n - d r i f t 并进行退火，然后需 要形成一个p - w e l l 来防止器件穿通。接下的流程和低压c m o s 工艺是完全相同的。其中漂 移区注入磷的剂量为4 x 1 0 ”c m - 2 ，注入能量是1 8 0 k e y ，在温度1 1 5 0 c 的n 2 氛围中退火 3 0 0 m i n 。p - w e l l 注入硼的剂量为2 2 5 x 1 0 ”c 1 2 ，能量为7 0 k e v ，在1 1 5 0 c 的n 2 氛围中退火 2 5 0 m i n 。源漏注入砷的剂量是5 1 0 ”c “，在9 0 0 下退火6 0 m i n 。 7 第二章l d m o s f e t 电学特性的温度效应 采用t s u p r e m 4 工艺模拟软件进行模拟，得到器件的基本参数见表2 2 。 表2 2n l d m o s 基本参数 符号含义参数值单位 l 器件长度 1 9 j a n d 衬底厚度 1 5u m t o x 栅氧厚度 4 0m 场氧厚度 8 0 0 l c h器件沟道长度 3 5 j a n l 血n 器件漂移区长度 8 5u m t d器件漂移区结深 2u m n ap - w e l l 平均浓度 l e l 7c m - 3 n o n d r i f t 平均浓度 3 e 1 5 c m - 3 w n l d m o s 宽 lu m 2 2l d m o s f e t 电学特性的温度效应 在绝热的条件下，采用在2 1 章节中讨论l d m o s f e t ，我们分析l d m o s f e t 电学参数 的温度效应。 2 2 1 阈值电压( v t h ) 的温度效应 功率l d m o s f e t 沟道区的杂质浓度沿着沟道方向有一定的分布，是非均匀掺杂的m o s 管，因此，沟道内各个点的阈值电压数值不同，可以写成【1 7 】： r1 1 w 脚。m ，一争+ 堕掣竽堕 ( 2 1 ) o 以l 以 式中n a ( m a x ) 是p - w e l l 中掺杂浓度的峰值，是金属一半导体功函数差，q 。是栅表面 电荷，c 。是栅氧化层电容。其中和温度有关的参数主要是费米势m f 和杂质本征浓度n i ，禁 8 东南大学硕士学位论文 带宽度e g 。费米势： 中，：k t i n n j ( x ) ( 2 2 ) qn i 本征浓度n i 与温度的关系从( 2 3 ) 式中可以看到“2 】 q ( r ) = 3 8 7 x 1 0 1 6 t 3 7 2 e 一艮7 2 ”( 2 3 ) 关于硅的禁带宽度e g ，其也是一个和温度t 有关的函数 叩) 喇o ) - 等 在绝大多数l d m o s f e t 工作的温度范围中，禁带宽度随着温度的变化很小，比如3 0 0 k 和5 0 0 k 时仅仅相差零点零几个电子伏，所以我们将其忽略。 这样综合( 2 2 ) ( 2 3 ) 将闺值电压表达式( 2 1 ) 对温度求导。得到阅值电压随温度变化的表达 式( 2 5 ) 。 鲁= ( 孚一面3 k 一硒e g ) ( 2 + 4 e , , q n 瓦a ( m a x ) 中f ， 采用t s u p r e m 4 工艺模拟软件对2 1 章中的n l d m o s f e t 进行生成，采用m e d i c i 特性模拟软件模拟其开启特性，阈值特性随着外界温度的变化趋势显示在图2 2 中。从图2 2 中可以看到，随着温度的升高，器件的闽值电压不断降低，5 7 3 k 时，原来是增强型的 n l d m o s 甚至成为了耗尽型器件，并且阈值电压随温度的下降是线形的。阂值电压随温度 的变化是近似以3 m v k 一次线形减小的过程。 半导体特性模拟软件m e d i c i 得到的结果，阈值电压呈现一个负温度系数，其随温度 升高而线形减小，d v t h d t 约为3 m v 依。理论分析推导得到的复杂表达式( 2 5 ) 到了模拟的结 论时却成了简单的线性关系，这看上去似乎是矛盾的，但是其实两者却在一定温度范围内统 9 第二章l d m o s f e t 电学特性的温度效应 一了。 在2 5 0 k - 5 0 0 k ( 约0 c 3 0 0 c ) 的温度范围内，计算( 2 5 ) 式的值：取e g = 1 1 7 e v 【l 目， n a ( m a x ) = 1 e 1 7 e r a 3 ，c o x = 岛m ，t 。x _ o 0 0 1 3 8 f m 2 。将这些数据代x ( 2 5 ) 式，我们就可以得到理 论分析的阈值电压随温度变化的具体值，d v t h d t 在2 5 0 k 5 0 0 k 的温度范围里理论计算的 值从- 2 6 m v k 变化到- 3 4 m v k ，在这样一个范围里其和模拟得到的3 m v k 的结论是很接近 的。 图2 3 为n l d m o s 理论的阈值电压和模拟值的比较图。从图2 3 中可以看到n l d m o s 的阈值电压随温度近似以- 3 m v k 一次线形减小的过程，理论值和模拟值很好的符合，说明 了在2 5 0 k - 5 7 3 k 温度范围内，l d m o s 的阈值电压随着温度上升线形减小。 在绝热的前提下，阈值电压呈现一个负温度系数。随着温度的升高，阈值电压不断降低。 在足够高的温度下，增强型器件会成为耗尽型器件。 在2 5 0 k 5 0 0 k ( 0 3 0 0 ) 的温度范围中，阈值电压随着温度的变化近似线形，v t h 的温度系数在本次实验中为- 3 m v k 。这比普通的c m o s 器件要大一倍左右i l q ，这是因为 l d m o s 双扩散形成的沟道往往要比普通c m o s 掺杂剂量更大，从而影响m f 造成的。 图2 3 阈值电压的温度效应 2 2 2 关态漏电流( i d s s ) 的温度效应 关态漏电流主要是由于p n 结的反向漏电引起的。从理想p n 结电压电流肖克莱方程【i 目， 在反向偏压下的结果，可以得到一个扩散电流，这就是我们所说的关态漏电流。但这只是理 想p n 结的情况。实际反向偏压的时候，势垒区内的电场加强，所以在势垒区内，由于热激 发的作用，具有净产生率，形成一个产生电流，这样，l d m o s f e t 关态的泄漏电流主要是 衬底p n 结反向扩散电流和热产生电流引起的【1 w 。 l & = l 嘟+ i = q a 地+ q n , ( t ) w a ( 2 6 ) n j f ( 2 6 ) 式中，等号右边的两项分别代表了扩散电流和产生电流。a 是结面积，u 是电子迁 移率，f 是载流子产生的寿命，w 定义了栅的宽度。本征浓度的表达式见( 2 3 ) 。反向扩散电 流： 1 0 东南大学硕士学位论文 铲卯孕哿o c t 3 + r 2 唧c 寺一尊 亿乃 反向扩散电流i d i 口是随着温度呈指数( e 锄”) 增加的项。热产生电流： o = q n , ( t f ) w an i * e x p 毫) ( 2 8 ) 同样的，热产生电流i 。是随着温度呈指数( e 4 啦“) 增加的项。 可以看到，不管由哪一项决定，关态漏电流着温度增加都是指数增加的。只要温度足够 高，漏电流理论上是可以和工作电流相比拟的。从图2 2 中可以看到，当温度到达5 7 3 k ( 3 0 0 c ) 时，其关闭态的漏电流比在其在室温下开启后的电流还要大。 在2 5 0 k - 5 0 0 k ( 约0 c 3 0 0 c ) 的温度范围内，计算( 2 6 ) 式的值与m e d i c i 模拟值做比较。 由于m e d i c 模拟采用的是二维仿真，这样我们取w = l l t m ，a = i m 1 2 ，来估算单胞电流。这 样剩下的工作就是估算迁移率和载流子平均寿命f 。l d m o s 的迁移率”q ： ( r ) ：( 瓦) ( 孕) z s ( 2 9 ) 由于掺杂浓度不高，近似取u ( 3 0 0 k ) = 1 3 5 e m 2 n s ，代入( 2 6 ) 。而对于平均寿命f ，有文 献 ”1 指出，由于l d m o s 的关态漏电流主要是由n - d r i 俐p s u b 结引起的，所以取r = 1 8 0 p b 。 这样，将上述这些值代入( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 ，9 ) 式。并将结果和m e d i c i 模拟得到的数据比较， 见图2 4 。 t ( k ) 图2 4 关态漏电流的温度效应( 对数坐标) 从图2 4 中可以看到，理论和模拟的值基本吻合。温度较低时5 0 0 k 以下，关态漏电流 中的热产生电流成分是主要因素，漏电流随着温度以e 删指数增加；温度较高时5 0 0 k 以 上，p n 结反向扩散电流成分是主要因素，漏电流随着温度以e 4 啦指数增加。 随着温度的增加，关态漏电流呈指数增加。几乎温度每增加3 0 c ，漏电流就要增大1 0 倍。当温度足够大的时候，这样的关态漏电流甚至可以和开态的工作电流相比拟，引入了很 垦邑甲i 第二章l d m o s f e t 电学特性的温度效应 大的功耗，成为限制体硅l d m o s f e t 工作温度的最主要因素。 从前面的分析我们看到，由于漏电流主要来源于n - d r i 甜p s u b 结的衬底漏电，只要合理 的降低n - d r i f v p s u b 结的结面积，就可以有效的降低泄漏电流，从而提高l d m o s 的温度特 性。 2 2 3 击穿电压( b v d s s ) 的温度效应 击穿电压决定了最大允许的漏源电压。通常有漏衬底p n 结雪崩击穿电压和漏源穿通电 压两种机理。体硅l d m o s 结构复杂，在横向与纵向，它的掺杂浓度都是不均匀的，因此， 其击穿机理比一般m o s 管更为复杂。 图2 5 为绝热情况下，m e d i c i 模拟n l d m o s f e t 击穿电压随着温度变化的特性。击 穿电压( b v d s s ) 呈现一个很小的正温度系数，随着温度的升高略有升高。 为了说明击穿电压的温度特性，我们忽略耗尽层的形状，场板的位置，漂移区的掺杂， 器件表面的缺陷等对击穿电压的影响。引入一个简单的l d m o s 击穿电压公式【i 目： 睨钱赫十专 g 。1 0 ) 引入( 2 1 0 ) 式是为了说明击穿电压很小的正温度系数特性。对于雪崩的情况，由于电场 加速的载流子通过与光声子碰撞而失去能量。温度增加后，载流子的平均自由程减少，载流 子为获得足够的能量从而碰撞电离产生新的载流子的过程需要更大的电场，因此雪崩击穿电 压将随着温度的升高而增加，但增加的幅度很小。 上面我们通过雪崩来定义了l d m o s 的击穿，而在一些情况下，尤其是大功率应用下， 功率器件的击穿往往以关态漏电流是否超过2 5 0 u a 来定义的。这时，经过2 3 2 章的分析， 我们发现在有些情况下，虽然器件没有进入雪崩电离的状态，但由于温度升高使得漏电流指 数增加，所以器件的击穿电压反而会随着温度的升高而有所降低。 t ( k ) 图2 5 击穿电压的温度效应 2 2 4 导通电阻( r d s o n ) 的温度效应 体硅l d m o s 的导通电阻主要是由沟道区和漂移区这两部分电阻组成的。 东南大学硕士学位论文 r 女。= b + 置 ( 2 1 1 ) 沟道区的电阻值参考普通m o s 管的萨氏方程推导，沟道电阻的表达式： r 一2i i 亍面i 云i 蔬 。1 2 因为漂移区的存在，体硅l d m o s 的导通电阻除了沟道电阻外还要加上一个扩展电阻。 对非外延结构的l d m o s ，在计算这个电阻时，将其简化为在无限均匀媒质中的两个圆柱体 电流源。这样就可以得到漂移区电阻： 舻导 h ( 等刁扎( 等铷 亿 式( 2 1 3 ) 中，r l 、r 2 为由经验确定的常数。p = l ( n q u m ) 为低掺杂漂移区的电阻率。 屯。= 而丽l + 磊 1 n ( 生 仙( 生剖 仁 这样分析导通电阻随着温度的变化就分为两个部分。沟道电阻，在给定v g s = 5 v 栅压的 讨论中，受温度的影响体现在迁移率和阈值电压随温度的变化上，其最终体现了一个正温度 系数。而漂移区电阻主要受到漂移区电阻率p 温度系数的影响。由于迁移率是随着温度上升 而下降的，所以p 随着温度的上升而上升。这样漂移区电阻也体现了一个正温度系数。这样 就可以看到，随着温度的上升，l d m o s f e t 导通电阻变大。 在很高的温度下，导通电阻的变化又与上面不同。极高的温度下，n - d r i t t 区里本征激发 将占主导地位，此时漂移区载流子浓度很大，并且随着温度的增加急剧增加。此时电阻率p i e l ：t ；于e 姒e 妒l 是温度的减函数，这样漂移区的电阻随着温度增加又会迅速减小，其 变化超过了上面分析里u 引起的变化，这样导通电阻随着温度升高而减少。 ( 2 1 4 ) 中出现了一些新的参数。漂移区长度可以从表2 2 中得到k 矿8 5 v x n ，而文献 指出，对于2 4 u m 漂移区的器件，经验因子r l = 0 5 岫，r 2 - - 2 p m 。由于我们漂移区长度为8 。5 p r n ， 所以这儿取r l = 0 2 岫，r 2 = 0 ，t i m l 作为近似。查表得到漂移区迁移率为11 0 0 c m 2 v 图2 6 说明，l d m o s 的导通电阻近似呈现一个正温度系数。随着温度的升高，l d m o s 的导通电阻不断上升。器件的性能也越来越不理想。当然由于图2 6 中分析的温度仅仅到达 6 0 0 k 并没达到半导体的本征温度，随着温度的进一步升高，当到达本征温度后，由于本征 激发的因素占据主导地位，导通电阻反而会随着温度升高而下降。 第二章l d m o s f e t 电学特性的温度效应 图2 6 导通电阻的温度效应 2 2 5 饱和电流( 1 d s s a o 的温度效应 体硅l d m o s 的饱和电流公式是在m o s 管饱和电流公式的基础上得到的。由于我们器 件沟道比较长( 3 5 岬) ，所以，饱和电流是由于沟道夹断形成的，而不是由于电子速度饱 和形成的。这样我们得到了饱和电流的数学表达式，并对其对温度求导： l = 兰竖三；争丝 一( r ) 】z ( 2 1 5 ) 鲁= 警吁w ) 】2 等+ 等等嘲矿】鲁 式( 2 1 6 ) d p d p d t 是一个负值