（微电子学与固体电子学专业论文）功率vdmos器件温度特性的分析与模拟.pdf

摘要 摘要 功率v d m o s 器件具有高耐压，高开关速度，良好的热稳定性等一系列的优点，目前已在开关 稳压电源、高频加热、计算机接口电路和功率放大器等方面获得了广泛应用。但大功率往往也带来 较高的工作温度，使器件的电学特性发生偏移，削弱了器件性能和可靠性，因此，对v d m o s 器件 的温度特性研究具有重要的现实意义。 本文对v d m o s 器件电学参数的温度特性进行了详细的研究。首先研究了温度对功率v d m o s 器件阈值电压的影响，建立了短沟道的阂值电压温度特性的模型，该模型能够正确描述沟道峰值载 流子浓度随温度的变化。然后，通过深入分析器件外延层电子平均漂移速度的分布，结合电场强度 对迁移率温度系数的影响，建立了新颖的v d m o s 器件导通电阻模型，该模型对温度引起的物理效 应考虑更为全面，可以用于准确计算在不同温度条件和功率条件下的v d m o s 器件导通电阻，解决 了在较高漏源电压下的导通电阻温度系数不准确的问题，并与m e d i c i 的仿真结果和器件手册上的 数据曲线进行了对比，验证了理论的准确性。 最后本文对器件的热扩散过程进行了分析，并用电学r c 网络进行了模拟。结合器件温度特性 理论，在s p i c e 仿真环境下建立了电热动态关联的v d m o s 等效电路，通过该等效电路模拟了 v d m o s 器件的自热功率、热耗散和电学参数温度漂移三者之间的动态联系，为应用在大功率及高 温卜的器件和电路设计提供了参考。 关键词：v d m o s ，温度特性，阈值电压，导通电阻，热扩散，s p i c e ，m e d i c i a b s t r a c t a bs t r a c t t h ep o w e rv d m o si san e we l e c t r i c p o w e rd e v i c et h a th a s t h ea d v a n t a g e so fh i g hv o l t a g e e n d u r a n c e ，h i g hs w i t c h i n gs p e e d ，g o o dt h e r m a ls t a b i l i t ye t c i th a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ed o m a i n so f p o w e rs u p p l 弘h i g hf r e q u e n c yh e a t e r , c o m p u t e ri n t e r f a c ec i r c u i ta n dp o w e ra m p l i f e re t c h i 曲p o w e r d i s s i p a t i o na n dh i g hw o r k i n gt e m p e r a t u r eo f t e nb r i n gad e p a r t u r eo fe l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i ca n dr e d u c et h e d e v i c e sp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y s ot h es t u d yo fv d m o s t e m p e r a t u r eb e h a v i o u rh a sn o t a b l ep r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , t h ee f f e c to ft e m p e r a t u r eo nv d m o s se l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i ch a sb e e ns t u d i e di n d e t a i l f i r s t l y , v d m o s st h r e s h o l dv o l t a g es h i f t i n gw i t ht e m p e r a t u r eh a sb e e ns t u d i e d ，am o d e li s p r e s e n t e d t h i sm o d e lc a na c c u r a t e l yr e f l e c tt h ec h a n n e l sp e a kc a r r i e rc o n c e n t r a t i o na l t e r i n gi nd i f f e r e n t t e m p e r a r u r e s e c o n d l y , b yi n - d e p t ha n a l y s i so ft h ed i s t r i b u t i o no fe l e c t r o na v e r a g ed r i f t i n gv e l o c i t yi n e p i t a x i a ll a y e r , t a k i n gi n t oa c c o u n to ft h ee f f e c to fd i f f e r e n te l e c t r i cf i e l di n t e n s i t y o i lt h ee l e c t r o n m o b i l i t y st e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ta n dan o v e lm o d e lo fo n - r e s i s t a n c ei sp r e s e n t e d t h i sm o d e lh a sam o r e c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no ft h ep h y s i c a le f f e c tt h a th i g ht e m p e r a t u r eb r i n g s i tc a nb eu s e dt oc a l c u l a t e v d m o s so n - r e s i s t a n c ei nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dp o w e rc o n d i t i o n s t h i sm o d e lh a ss o l v e dt h ep r o b l e m t h a tt h eo n - r e s i s t a n c et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n ti si n a c c u r a t ew h e nt h ed r a i n s o u r c ev o l t a g ei sl a r g e t h e r e s u l ti sv a l i d a t e db ym e d i c is o f t w a r ea n dd e v i c ed a t a s h e e t f i n a l l y , t h ed e v i c e 。sh e a td i s s i p a t i o np r o c e s sh a sb e e na n a l y s e di nt h i sp a p e r , a n di t ss i m u l a t e dw i t ha e q u i v a l e n te l e c t r i c a lr cc i r c u i t c o m b i n e dw i t ht h et h e o r yo fv d m o s t e m p e r a t u r eb e h a v i o u r , as p i c e e q u i v a l e n tc i r c u i th a sb e e nf o u n d t h i sc i r c u i tc a nr e f l e c tt h ed y n a m i cl i n ka m o n gw o r k i n gp o w e r , h e a t d i s s i p a t i o np r o c e s sa n dd e v i c e st e m p e r a t u r eb e h a v i o u r , w h i c hg i v e sar e f e r e n c ef o rh i g h p o w e rd e v i c e s a n dc i r c u i td e s i g n k e yw o r d s ：v d m o s ，t e m p e r a t u r e ，t h r e s h o l dv o l t a g e ，o n r e s i s t a n c e ，h e a td i s s i p a t i o np r o c e s s ， s p i c e ，m e d i c i i l 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，论文中不包含其他入已经发表 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：憋 e l 期：匕赳7 荔 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：j 邋导师签名：f 日期：川乍艿 第一章绪论 第一章绪论 1 1 功率v d m o s 器件的发展概况及应用 1 1 1 功率v d m o s 器件的发展概况 功率半导体器件是主要用于电能变换和电能控制电路中的大功率( 通常指电流为数十至数千安， 电压为数百伏以上) 的电子器件，义称为电力电子器件( p o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e ) ，它能够对大功率 应用环境下的电流、电压和频率等参数进行精确的控制和有效的处理。由于功率电子器件主要以半 导体为主要载体，相对于传统的功率处理器件( 变压器，继电器等) 具有体积小，可靠性高等优点， 在民用和军用都具有广泛的前景。 白1 9 7 6 年美国s i l i c o n i x 公司首先成功地将v m o s 技术移植到m o s 器件上，m o s 场效应管才 真正进入分立功率器件领域，从而产生了垂直导电m o s 功率场效应晶体管( 简称v d m o s 管) l i j 。 m o s 型功率器件相对于传统的b i p o l a r 器件具备儿大优势，一是它属于多子器件，不存在b j t 器件 的少子存储效应；二是导通电流负的温度系数，改善了高温功率环境易引发的二次击穿，电流特性“纽 结”等问题。v d m o s 相对于平面c m o s 技术又存在着两大重大的技术革新【3 l ：一是由分立的r l 和 p 两次离子注入的横向扩散差形成沟道，可以做得很短( 1 t l l t l 左右) 。虽然由于沟道区掺杂的不均匀 分布，使得器件的阈值电压曾经难以得到准确控制，但随着离子注入技术的成熟，已极大消除了该 方面的凼难；- - 是v d m o s 结构区分了决定器什增益的沟道区和决定器件耐压的垂直漂移区，使得器 件耐压大大提高。 v d m o s 还有以下的一些优点：热稳定性好，电流分布均匀，容易通过并联方式增加电流容量； 沟道很短，一般都属于短沟道器件，在一定栅压下跨导为常数，线性很好，不需深度负反馈便可实 现保真功率放人：阂值电压较高，具有较高的噪声容限和较强的抗干扰能力；v d m o s 的终端还可 以采用场板，分压环，截l e 环等结构提高器件的耐压。 1 1 2 功率v d m o s 器件的应用 近年来，由于半导体微细加上技术与高压、大电流的电力半导体技术相结合，产生了一批高频 化、全控型、集成化的新型电力电子器件【l 。2 | 。国内这方面的技术也崛起得十分迅速，功率电子器件 的生产相对于c m o s 集成电路投资较小，市场巨大，已成为国内多家品片厂和科研机构竞相投资的 热点之一。 国内半导体分立器件市场现状是：生产型小国，需求额大国，外商呈主导，进出口剧增。2 0 0 5 年我国半导体分立器件( 含光电子器件) 市场额为1 1 6 0 4 亿元，占全球分立器什( 含光电子器什) 市场 规模的3 3 3 ，而国内供给仅满足国内需求的一半。国际上分立功率半导体市场领先的主要厂家有： s t ，仙童，i r ， 东芝，i n f i n e o n ，v i s h a y ，飞利浦，h i t a c h i 等等。国内拥有4 英寸5 英寸分立器件 芯片生产线的企业超过2 0 家，其中芯片产量较大的主要有长电科技( 其销售额2 0 0 5 年己达1 4 2 亿) 、 吉林华星、华润华品、深圳深爱、江阴新顺、苏州同锝、天津中环，宜兴东光等。功率v d m o s 器 件对提高效率、节约能源、提升性能具有特殊的意义，在电力电子技术，计算机通信及其他低压设 备，高频范闱内及其音响设备，l e d 和p d p 显示器电源，照明设备( = 1 3 能灯) 等诸多领域都有广 泛的应用【4 】o v d m o s 在应用上还有一个显著的特点利优势，就是驱动电路较为简单，相对于高耐压的i g b t 器件，v d m o s 的开关速度非常快，一般为儿纳秒至数十纳秒在计算机等低乐设备中，可以兼容c m o s 数字信号作为驱动。在电力电子或通信没备等大功率应用场合，一般使用t t l 电路或者脉熊调制器 ( p w c ) 控制的变压器隔离驱动，如图1 1 。 东南入学硕十学位论义 凡 5 v m ， 图1 1 简单的应用变压器隔离驱动的电路 图1 2v d m o s 在pdp 驱动电源中的典型应用 vdmos 在电源管理电路应用中，它的t 作状态一般要求在开启时完全开启，提供足够大 的导通电流；在截止时完全截止，能够承受足够人的耐压，因此vdmos 的驱动电路一般要求够 能提供足够的栅极电压使得沟道尽可能完全导通，并且获得足够快的开关频率。由于vdoms 的 驱动大都采用ttl 电路或者变压器电路驱动，提供的栅源电压很高( 7v 15v ) ，图1 2 是 目前比较热门的vdm os 在等离子电视pdp 面板驱动电路中的应用p j ，可以看到，该电路应用 变压器推拉驱动，保证器件的完全开启和快速关闭。器件的：r 作区域一般处于线性区或准饱和区， 因此器件的漏源导通电流和截止电压都很大，产生较大的热功率( 一般从几十瓦到上百瓦) ，器件 的发热不可避免，冈此研究vdmos 在高温下的工作特性十分重要。 1 2 低压高压v d m o s 的未来研发趋势 功率v d m o s 器件经过2 0 余年的发展，目前已经取得了长足的进步。它的应_ j 领域也出现了 有针对性的分化，无论高压还是低压v d m o s ，降低导通电阻降低器件的热功率耗散是提高v d m o s 性能的主要标志。这里主要介绍两种新技术：t r e n c h 沟槽结构和s u p e r j u n c t i o n 结构，重点介绍高压 应用中，具有功率器件发展里程碑意义的低热功耗s u p e r j u n c t i o n 结构。 ( 1 ) t r e n c h 沟槽结构： 目前，通过采用先进的沟槽工艺和封装技术，在降低导通电阻和缩小芯片面积方面取得了巨大 的进步，特别是对于5 0 v 以下的功率m o s 。对于低压器件，沟道电阻占了其导通电阻的绝人部分。 并且由丁：由v d m o s 结构中j f e t 颈区电阻的限制，缩小v d m o s 元胞尺寸无法降低导通电阻，即 使采用更小的光刻尺寸，特征导通电阻也难以降到2m q c m 2 【6 1 。t r e n c h 沟槽结构采用了在存储器存 储电容制备r j 二艺中发明的沟槽刻蚀技术，使导电沟道从横向变为纵向，相比普通结构消除了j f e t 颈区电阻，有效解决了这个问题l 。 ( 2 ) s u p e r j u n c t i o n 结构： 在电力系统等需要高耐压的应用场合中，由器件发热引起的火效一直是最主要的可靠性问题， 1 9 9 8 年我国陈星弼院士提出了功率器件耐压层新结构及理论，即日后在国际上被称为 s u p e r j u n c t i o n 的高压m o s f e t 结构j 。 s u p e r j u n c t i o n 结构通过在n 型外延层注入p 梓，形成p 柱与n 柱交替出现的结构。击穿电 压与掺杂浓度儿乎警线性关系。在器什导通时，由于它的n 型外延层掺杂浓度提高了一个数量级， 大大降低器件的导通电阻和j l r = 作温度，特征电阻较之传统v d m o s 器件可以降低5 倍，导通损耗为 i g b t 器件的三分之一，击穿电压与掺杂浓度几乎呈线性关系，打破了过去s i 击穿电压与掺杂浓度 呈2 5 次方的关系的理论极限。1 9 】该技术事实上结合了v d m o s 的低开关损耗利i g b t 的低导通电 2 第币绪论 阻，在功率器什的拄腱e 被认为是个里程碑意义的进步f ”i 剧1 - 3c o o l m o s 结杜j 示意幽及导通时的电流分布 臃 嘲1 4c o o l m o s 器件截i r 时的 电势分布i “i ，所加漏源电压左为 l o o v 山为1 0 0 0 v 目前戈ts u p e r j u n c t i o n 结构的埋论l 作我国l u 子科技大学的陈星弼院_ = 等人的研究己走在1 界 前列。但s u p e r j u n c t i o n 结构要求枉器4 1 啪外延区形成高度均匀且掺杂浓度可控的p 托，由丁该p 柱 在外延区的深度高逃儿十u m ，需要多次精确对准的人功率离子注入，而国内日前的i 艺水平对这 种结构的器什生产尚不成热，有必要对其做简单的介绍。 阿fj 子率先利川这一技术制造山6 0 0 v 高压功率m o s f e 下”i i o 称为“冷m 0s i c o o l m o s ) 。 并把离子注入与外挺生k 的次数从 狄降到了三扶，通过在n 的外延层的纵向上埋入5 个不同人小 的“硼泡”再由特制的掩模扳分五次不同能摄等级的离子注入( 3 m e v 2 5 m e v ) 将这5 个硼泡逐 一激话从而实现了3 2u m 均匀深结肯盖了多次淀积外延层的繁杂步骤。”4 厚s o l 掩膜版和外延 层胶粘时的精确对准足该l 艺流科需要解班的关键问题之一解决办浊是，先在外延层上热氧化一 层氧化硅挡板在利用标准的器什掩雌版( 薄) 进行两次i2 m e vm 1 15 m e v 低能姑大剂赞的离子注 入，杠氧化碑版上由丁离于的注入损伤而形成了凹洞利川该凹洞进行光学校准即可精确对齐外直正 片和厚s o l 挡板，2 后再进行人能量的离子注 。当精确控制p 柱与n 杜的掺杂浓应与宽度完全相 等，使得当器什扛反偏高压r 截l r 时两者完全耗尽，止负l 制定电荷刚女，抵梢，称为电荷朴偿散麻”“。 s u p e r j u n c t i o n 结构不仅在导通l u 阻r o n 上实现了亟人的突破而且同时也为开荒器件的电存 订立了新的标准o i o l ，由t 器件面积的缩小自l 该新颖结构的引入，使得输出电辑高度依赖丁输出电压。 研究发现当输山电压变化时，输出电弈也会剧烈的1 | 线件变化，变化幅度高选两个数埘缓。这将样 低爪开荧或者零压开咒的电路结构中人人降低开戈过程中损耗的热功率。 1 3 本文的研究背景和主要的研究工作 功率v d m o s 器件为核心的开关l u 源不仪j 泛府州丁军事电力，通信，微机系统等对可靠性有严 格要求的重型领域，而且在其他的k _ _ l j 领域用峙殊领域的麻川也1 f 常的广泛器中| = 本身所处的环境 条什十分的复杂，从 空到深海，雨林到沙漠，几乎所有的环境部可能会遇到，因此嚣制r 作的温 度条什也千等万别，同时由丁高压功率v d m o s 与等通1 面c m o s 器什相比1 1 作负载根人，经常i ： 件住高i u 压、人i 也流的状态r ，布易引起芯片的发热，v d m o s 的电学参数将会发生较人的偏移，降 低了器件的性能a 【寿命。人的热功率雨l 热麻山也会引起源猫接触的j u 迁移，键台的金属“化物生成， 栅氧化层m 穿等可嚣性问题”。日前所使的u p s 系统( 不间断l u 游) 中也_ _ i j 到了v d m o s 器什， 一n 山现器制性能的劣化或者火效就可能引起巨人的损失。田此，分析自i 研究v d m o s 的电学参数 温度漂移自器件热耗散等温度效廊十分重要。 关1 。助牢v d m o s 器什温度特性的问题，目前的研究方法人多是将v d m o s 的某个电学参数( 如 v t h ，【d ) 的表让式温度求导米考卉该参数的温度特性”4 “”，这样的研究方法对温度所引起的物理 效应考虑不够完善。在以前的导通电阻模耻中，只着重t 研究器什导通电流流往的儿何形状，而往 往忽略了电子有技迁移率在器| p i _ 内部的不均匀分，以及l 也场对电子有效迁移率温度系数的调制效 一圆 东南人学硕- t ：学位论义 应，这样的模型在低漏源电压下较为准确，但在高压应用下由丁器件内部的电场强度很大，电子的 平均漂移速度接近饱和，有效迁移率的温度系数受大电场的影响不能再忽略不计，导通电阻的温度 特性存在偏差。如果再考虑到高的热功率耗散，模型偏差更大，因此有必要对该问题进行深入的研 究。 目前对v d m o s 的研究大多都着重于考查器件在某个确定的温度条件下的电学特性。但由于功 率v d m o s 器件通常工作于大功率开关的状态，存在着较人的瞬态热功率，必须考虑器件的内部白 热和热扩散等问题，以及瞬态热功率与器件工作状态之间的交互影响，并且随着器件功率容量的进 一步提高，这方面问题的研究得到了越来越多的关注m j 。 本文所做的主要研究工作： 第一章。总结了功率器件的发展概况，指出了v d m o s 在电力系统等大功率应用环境中扮演重 要的角色，深入研究v d m o s 器件的温度特性具有重要的意义。 第二章结合温度对器件基本电学特性的影响，阐述了v d m o s 的基本结构和工作原理。分析了 温度对器件的电学特性以及工作特性区间的影响。为第三章对主要电学参数温度特性的深入研究奠 定了基础。 第三章详细研究了v d m o s 器什主要电学参数的温度特性。从vdm 0s 沟道掺杂分布的模拟 出发，在考虑了沟道峰值载流子浓度受温度的调制作用和器仆的短沟道效应的基础上，提出了阈值 电压温度特性的表达式。然后，通过对v d m o s 导通时外延区电流流径的分析，建立了器件外延区 电子平均漂移速度分布的模型，结合温度对基本物理参数( 电子迁移率，电子饱和漂移速度) 的影 响，研究了在不同温度条件下器件外延区电场强度的分布，建立了v d m o s 器件导通电流和导通电 阻温度特性的模型，该模型能准确计算在不同温度条件和功率条件下v d m o s 器件的导通电阻，解 决了在较高漏源电压下的导通电阻温度系数不准确的问题。最后与m e d i c i 的仿真结果和器件手册 上的数据曲线进行了对比，验证了理论的准确性。 第四章对温度特性理论进行了引中应用，通过分析v d m o s 中的寄生效应，进行了相应的参数 提取，建立了的v d m o s 的s p i c e 等效电路。应用了电学r c 网络对热扩散过程进行等效模拟的方 法，并对具体的电路节点和参数确定提出了改进，在保留物理意义和精确度之间进行了合理的折中。 结合温度特性理论建立了等效电路，通过该等效电路能模拟v d m o s 器件的自热功率、热耗散和电 学参数温度漂移三者之间的动态联系，为大功率条件下器件和电源电路的设计提供了有益的参考。 第五章对本文内容做了总结和展望。 4 第二章v d m o s 器件的基本结构和_ 作原理及j 温度特性 第二章v d m o s 器件的基本结构和工作原理及其温度特性 2 1 功率v d m o s 器件的基本结构 援缀 琵阮 蹶 译t 乜诲壤 图2 1v d m o s 立体结构剖面图 v d m o s f e t ( v e r t i c a ld o u b l ed i f f u s i o nm e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l de f f e c tt r a n s i s t o r ) 即 为垂直导通的双扩散型金属氧化物? 卜导体场效应晶体管，它的立体结构剖面图如图2 1 所示，多品 硅栅中掺杂了适当的磷离子可以降低栅氧化层的钠离子玷污带米的影响，提高闽值电压的稳定性； 而铝作为金属化的第二层，接出源极，源极金属几乎覆盖整个芯片表面。有利于改善器件在人功率 工作条件一卜的散热。漏极由外延区底部的n + 衬底背金后固定在基座上接出。由于v d m o s 的散热主 要是通过漏极的金属底座散热，冈此芯片背面的必须川多层金属化保证良好欧姆接触利较低的热阻， 形成良好的热通道。 v d m o s 是在传统m o s 器件n + 漏区和p 型沟道i 又：之间增加了一个低掺杂的n 。区，并且将漏 区从硅片表面转移到硅片的底部，冈此电子从水平的短沟道流出后，受到漏电压的作用，经过垂直 流动才能到达器件的漏极。由于v d m o s 器什是在n + 衬底上生长n 高阻外延层，外延层的厚度及 掺杂浓度将决定v d m o s 的击穿电乐，在高压应用时，外延i 又：很厚，器什导通时外延区的电阻将占 整个导通电阻7 0 以上，由于n 一区的掺杂浓度比p 型沟道区的低，所以当漏极电压增加时，耗尽层 主要向低浓度的n 。区延伸，因此只要适当选取漂移区的厚度以及p 型沟道区和漂移区的电阻率就可 以使v d m o s 承受较高的电压而不会产生击穿或穿通。v d m o s 的沟道区是在同一个光刻窗口边缘 由硼和磷( 或砷) 连续两次离子注入形成，沟道k 度由两次离子注入的横向结深之差决定，采用该 方法可以实现较短的沟道，而不受光刻精度的限制，因此高耐压和短沟道可以同时实现，使得 v d m o s 结构具有良好的功率性能i l j 【2 j 。因此，限制传统m o s 器件电流电压能力的主要三个冈素： 漏端在强电场下的雪崩击穿、沟道的穿通电压、光刻精度限制的沟道长度。这三点在v d m o s 结构 中都不同程度地得剑了改善。 图2 1 中所示的是硒个元胞的剖面图，每一个p 阱是一个元胞。元胞的形状有条形，正方形、 六边形、三角形等。元胞排列的顺序有条形梳状排列，品字形排列和正方形排列等，如图2 2 所示。 功率v d m o s 是由很多个元胞并联而成的集成器件，通过并联，可以降低导通电阻并实现火电流。 在图2 1 中，p 阱与n 一外延层形成p n 结，栅极关断时，靠这个反向p n 结米承受电压，为此设置了 高阻厚外延n 。层来提高击穿电压。 5 东南入学硕上学位论文 图2 - 2 ( a ) 本文所采用的条形元胞示意图 2 2 功率v d m o s 器件的基本电学参数和工作原理及其温度特性 2 2 iv d m o s 的阈值电压 阈值电压v , h 是指沟道区表面开始强反型时的栅源电压，闽值电压的表达式为： 圪= 一铊吩+ 毒 汜。 它由以下几个部分组成f 3 1 ： ( 1 ) 功函数差，即栅与p 型半导体之间的接触电势差： 舻争半， 2 ， 其中坼幻，是多晶硅栅掺杂浓度，为p 阱区掺杂浓度。其中主要与温度相关的参数为本征载流 子浓度a t ，但有资料指“4 1 ，由于l n n f 2 与系数kt q 随温度变化的互补性，可认为与温度无 关。 ( 2 ) 氧化层电荷q o x 。 因为半导体在与氧化层接触的界面上存在界面电荷，所以它会使半导体表面能带弯曲。表面电 荷与_ t 艺条件有关，现代工艺把面密度一般控制在1 0m c m 2 量级。如果氧化层内还有其他电荷，则 它的效应与表面电荷类似，计算时可以取它与表面电荷的总和。该参数也可认为与温度无关。 ( 3 ) 两倍费米势2 够，。 缈，为p 阱区费米能级到禁带中央的距离，2 缈，是p 型沟道表面形成反型层所需的电压。v d m o s 结构中的沟道区是两次扩散形成的，杂质分布存在着一个横向分布这个横向分布有一个峰值，可 以把峰值处的费米势定义为v d m o s 的体费米势垆1 ，冈此，v d m o s 的费米势可表示为： 伊，：坚i n 盘)伊r2 ( 二) 。 q 6 ( 2 3 ) 第- 二章v d m o s 器件的基本结构和t 作原理及) 温度特性 如忽略了禁带宽度e g 随温度的变化，有如下表达式【6 】： d m r ( t ) ：k 1 n n 一三一三l n 丁】 ( 2 4 ) v曲dt qr l l 22 1 “0 7 对于某一指定的温度t 1 ，上式可化为： 竽2 争甄n 一扣+ 等，q 5 温度晒 图2 3vdmos 和cmos 器件阈值电压随温 度漂移示意图 文献【6 1 【7 1 等文指出，该参数是闽值电压随温度漂移起主要影响的参数。阈值电压温度特性的研 究十分重要 6 】v d m o s 和c m o s 闽值电压随外界温度的变化有同样的趋势，随着温度的升高，器件的阈值 电压不断降低，并且阈值电压随温度近似线形下降，但功率v d m o s 阂值电压的温度系数一般高于 c m o s 的温度系数，这是由于v d m o s 的砹扩散沟道较高的峰值掺杂浓度带来了更大的体费米能级， 的值0 7 1 。 ( 4 ) 表面耗尽层电荷面密度q b 由于小导体表面反型时，从表面反型层到体内有一个过渡的耗尽层，即电离受主p 型杂质，因 此这个负电荷层需要由栅上的相应正电荷来屏蔽。耗尽层的宽度有一个最大值，冈此耗尽层电荷公 式为： ， 、! q = ( 4 岛，q n b 缈r ) 2 ( 2 6 ) 其中n b 对于平面m o s 器件来说等于沟道表面的平均掺杂浓度，但v d m o s 器件的沟道区p 型 杂质浓度不是均匀的，在v d m o s 中，m = n p 。，。为沟道表面的峰值载流子浓度【5 】，由于 在v d m o s 沟道中m = n r 。舣的位置在n + 和p 阱的交界处，位于n + 与p 阱形成的内建p n + 结的边 界，随着温度的变化，该内建p n + 结耗尽区的宽度将发生变化，由于n b 在水平方向成余误差分布， 递减速度很快，p n + 结耗尽区的宽度发生微小变化，实际p 。戤的值都将发生较人的改变，特别是 是在p 阱浓度较低的v d m o s 结构中影响更为明显。因此，。的温度特性对整个阈值电压温度特 性的影响不可忽略，在第三章第二节中将对该问题进行详细的讨论。 2 2 2v d i d o s 的导通电阻 7 东南人学硕一l 学位论文 图2 4v d m o s 导通电阻构成示意图 当v d m o s 栅极电乐超过阈值电压时，水平沟道由p 型变成n 型，这个反型的沟道成为i d 电流 的通道，在v d m o s 的栅极施加正偏电压时，不仅在p 型沟道区中会形成反型层，而且在栅极覆盖 的n 漂移区中还会产生积累层，在漏极电压的作用下，电子从源极经过反型沟道进入栅。卜的积累层， 并在积累层中从水平漂移逐渐转变为垂直漂移，穿过高阻外延层到达漏极，整个器件处于导通状态， 电流逐次流过的区域如幽2 4 所示。如靠n + 型沟道来导电，称之为n 沟道v d m o s 管，把各半导体 层掺杂类型全部更换，就形成了p 沟道v d m o s 管。由于电子的迁移率比空穴高三倍左右，从减小 导通电阻或减小面积考虑，一般常用1 1 沟道v d m o s 。 在已经建立的各种导通电阻模型中，将v d m o s 导通电阻分解为沟道电阻、积累层电阻、颈区 电阻和外延层电阻四个部分已经得到了广泛认同。下面对各部分的构成与其温度特性分别进行讨论： ( 1 ) 沟道电阻如 d m o s 的沟道电阻即为器件结构中增强型m o s f e t 的沟道电阻，它是由双扩散形成的水平沟道， 该沟道可以做得非常短，一般只有1 u m 左右。与普通n m o s 类似，工作时沟道电流随电压的增加 而线性增加。其表达式如下： r ：竺： 墨 ( 2 7 ) 幽。a i2 c o , u w ( v o - v , h ) 。厶7 其中： l 为沟道长度；w 为沟道宽度；c o x 为栅卜氧化层单位面积电容； u 。为沟道电子迁移率v o 为栅极电压； v t l 为沟道闽值电压； 随着温度的升高，t i n 将会下降，阈值电压圪同时也会下降( 变化趋势同平面m o s 器件一致) ， 一将会上升，使得如= 巧搞随着温度的变化基本保持不变o i 司b 寸由于在本次研究 所针对的高压v d m o s 器件，如在整个导通电阻r o n 中所占比例极低( 约为2 5 ) ，因此如的 温度特性对整个器件的温度特性可以忽略。 ( 2 ) 积累层电阻吃 积累层电阻是p 阱之间表面处的电阻，载流子流山沟道以后，流向外延层n 区表面。由于栅氧 不仅覆盖在沟道之上，还延伸到p 阱之间，因此当加上栅极偏压后，n 区表面将形成一层电子积累 层，通常将这段区域等效为一个耗尽型m o s f e t 结构，满足线性区的沟道电阻公式。在积累层电阻 8 第二章v d m o s 器件的基本结构和t 作原理及j 温度特性 中，载流子完成流动方向从水平到乖直的转换，在积累层中，电子一方面沿表面高电导区水平方向 流动，一方面向下分散，积累层电阻将小于普通耗尽型m o s f e t 结构的沟道电阻，积累层电阻可以 表示为： r = 二= 5 l _ 一 ( 2 8 ) ”o 3 形( 圪一) 上式中的1 3 是由于电子电流由水平转为垂直流动的分布效应而引入的修正系数【8 j 【9 1 由上式可见吃的表达式同如类似，对温度同样不敏感，且由于积累区的高电子浓度积累，使得其 在整个导通电阻r o n 中所占比例更低( 约为l ) ，因此兄的温度特性也可以忽略。 ( 4 ) 颈区结电阻b 和漂移区电阻r m 这两部分之和r 叫= b + r 坳，称为外延层电阻， 自v d m o s 得到广+ 泛应用以来，外延层电阻足。，模型一度成为研究的热点。在3 0 0 伏以上的 高压v d m o s 器件中，它在r o n 中所占的比例在7 0 以上，在本次设计所采用的击穿电压7 0 0 v 的结构中，通过器件仿真软什m e d i c 得到的结果显示，恐。，所占比例高达9 6 5 。 国内外目前研究出的外延区电阻模型已有不少，但其中最具代表性的是s c s u n 模型和 c h e n m i n gh u 模型。大多数外延区模型都是建立在这两种模型的基础上，下面对这两种模型及引出 的温度特性模型进行简单的介绍： ( 1 ) s c s u n 模型【l o j s c s u n 等人于1 9 8 0 年率先提出了v d m o s 导通电阻模型，如图2 5 所示，基于v d m o s 的 物理结构，把导通电阻分为四部分，分别为沟道电阻积累层电阻颈区电阻外延层电阻，把 对导通电阻的建模分解为对四个部分电阻分别建模。在该模型中，拐角处p - n 结边界被认为是圆周 的一部分，p n 结边界的划分，也就决定了颈区电阻的形状。值得关注的是第三和第四部分电阻， 建立的方法是假定电流有如幽所示的电流边界，按照电流路径积分而得剑导通电阻。图中口表示电 流在外延层有口角度的扩散，扩散角度与器件结构参数有关，可以表示为： rb 1 2 8 0 一二，i f h a 口= 口 ( 2 9 ) 1 2 8 。一二，矿。h 第二章v d m o s 器件的基本结构和t 作原理及温度特性 总的来讲，v d m o s 的i v 特性曲线可以分为人个区域： ( 1 ) 截止区：这是圪巧的情形，从零开始变火，电流始终接近于零，直到击穿电压艘 为止。 ( 2 ) 欧姆区： 又称为线性区或1 f 饱和区，这是巧但比 一巧，且 咋，沟道已夹断，增大，厶变化很小，漏电流 饱和。 ( 4 ) 击穿区： 这是v d 艘，漏极p n 结发生雪崩击穿，电流急剧增大的情形。 ( 5 ) 漏源正向偏置区：这时源极电位高于漏极电位，与n + 源极相连通的p 阱和漏区形成的 p n 结正偏，电流随电压增加而急剧增加。 ( 6 ) 准饱和区：v 6 很大时，i d 本身很大，但随v e 的增大没有很明显的增加，即跨导很小( 接 近于零) ，此时器件工作功率很人，器件发热严重。当开关电源负荷很大时，器件经常会_ t 作与这一 区域。 2 3 2v d m o s 的安全工作区 功率v d m o s 与双极型品体管相比可以获得更大的安全工作区。这是因为v d m o s 是多子器件，漏 极电流具有负的温度系数，即使是在高压一卜也难以发生二次击穿。s o a 曲线限定了v d m o s 正向偏置 或导通时能安全承受的最大漏极电压和电流。图2 1 2 是一个实际器件的s o a 曲线，v d m o s 安全工作 区受四条边界曲线限制。 忙l ? a 一_ + 帮- 。 f胃 ) t一”l 扛客 ，。 一 d m 甜 , r s qn 迤i 。j 一一一 _，w j 一三 j f 蕊i墨慕 tm ： i 兰， 一 j 1 一 l ： ：= p l 飞 | i a i 东南大学硕一l 学位论文 第四个边界边界d 为最人功耗厶曲线。s o a 这一部分功率限制区是由器件热响应曲线、 最高允许p n 结结温- t j ( 。) ( 由封装利结电压决定) 和p n 结到管壳的热阻决定，最人允许功耗 可以表示为1 = 孝 ( 2 1 6 ) 其中为管壳温度，一般取为2 5 。c 。根据热阻和导通电阻r 傩( 。) 就很容易获得功率m o s f e t 最大允许功耗和最大允许漏源电流a 如= 0 8 3 w ，( 删= o 5 q 时，可以得到 = ( 1 5 0 - 2 5 ) 0 8 3 = 1 5 0 w i d s = 4 p m a x r d s ( o n ) = 1 7 3 a 由式( 2 1 6 ) 同样可以看出，提高最大允许结温t ( m 。) 可以提高最大允许输出功耗和电流。当 v d m o s 处于单脉冲状态下时，由于热阻随脉宽缩短而显著减小，故峰值功率承受能力相应增强。如 图2 - 1 2 所示，功率曲线从直流d c 到脉冲宽度逐渐减少到1 0 s ，v d m o s 的安全工作区逐渐变人。 在很大程度上，温限决定了线性应用下m o s f e ts o a 的边界。当m o s f e t 用作开关时，最人允许 结温乃( 。) 也反映到可使用的脉冲电流额定值。就电流额定值而论，m o s f e t 比双极型晶体管更像整 流器，因为它的峰值电流额定值不受增益限制而受温度限制。r o s ( 。) ，通态功耗、开关损耗、脉宽 占空比和结与周闱的热阻均影响一，同时它们也影响最大允许脉冲漏极电流。 当作开关应用时，总的功率损耗由开关损耗和通态损耗组成。在低频段，m o s f e t 的开关损耗很 小，一般可以忽略。但随着频率的增加，这一损耗会变得显著并使z 上升。低频和高频间的转折点 由栅极驱动阻抗决定。栅极驱动阻抗低时，开关损耗在4 0 到5 0 k h z 以下时都不大。 2 4 本章小结 本章首先叙述了功率v d m o s 的基本结构，并结合温度对器什的影响讨论了器件的基本电学参 数表达式和工作原理，分析指出了v d m o s 各类电学参数温度特性中具有研究价值的部分主要集中 在阈值电压及外延区导通电阻的温度特性，还指出了目前已有的理论模型中的不足之处，为第三章 的深入研究奠定了基础。 1 4 第= 章v d m o s 鞲h 土董电学参数温度特性的研究 第三章v d m o s 器件主要电学参数温度特性的研究 3 1 本文所采用的v d m o s 设计参数和c a d 仿真结构 目前，比较成熟的北成电路j ：艺模拟系统是由美国蜥坦祸人学开发的t s u p r e m 系列集成电路 f 艺模拟系统。它能丰挺据给定的器件结构、l 艺步骤和丫艺参数，利刚数值技术求解_ 导体抬件 内部的结构变化和j 质分布，即求解由l 艺模型所描述的微分方程或代数方鞋，从而实现对集成电 路制造艺过程的计算机仿真晟新的t s u p r e m i v 中可以在考察掺杂杂质纵向行山的同时连带考 察它们怕横向 ? 为特州是对于小尺寸器中 ：l 艺加【过程的仿真尤为重要 m e d i c i 是先驱( a v a n t ! ) 公司的一个刚米进行维器件模拟的软什，它对势能场和载流子 的维分布建模，通过解泊松方程自l 电子、空穴的电流连续性普方群米获取特定偏置f 的电学特性。 川浚软什可以对般极刑、m