（微电子学与固体电子学专业论文）高压vdmos物理模型及其等效电路模型的研究与应用.pdf

摘要 摘要 彩色等离子显示器( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，简称p d p ) 作为新一代的显示技术具有非常广阔的 应用前景，其专用驱动芯片中应用的高压v d m o s 器件和功率集成电路都需要自主研发，芯片制造 商也没有成熟的模型支持，所以，建立用于电路仿真的高压v d m o s 器件模型成为电路设计成败的 关键。 首先，本文深入研究了高压v d m o s 器件内部物理机制，在此基础上，建立了高压v d m o s 的 物理模型。其中，对v d m o s 双扩散的沟道区，本文提出了更为符合沟道区中实际情况的假设，即 沟道区中横向电场为线性分布而非常数，基于此假设，本文用解析方法求解了沟道区中的横向电场 与横向电压分布。从而建立了一个更加稳定有效的v d m o s 沟道区模型；对v d m o s 的漂移区，根 据其电场分布特点和电场对电子迁移率的影响等多方面的考虑，给出了v d m o s 物理模型中的关于 漂移区纵向电场的微分方程，该方程可以更好地描述漂移区电场分布。更为重要的是，该微分方程 虽然较为复杂，但是本文依然用解析方法在整个漂移区范围内求解了该微分方程，而且在电子流动 横截面积发生变化的部分中，求解该微分方程而得到的电场分布，没有忽略电子密度分布对电场分 布的影响，因此得到了一个更为精确有效的v d m o s 漂移区模型。 其次，基于本文的v d m o s 物理模型，细致分析了v d m o s 中各种电荷分布变化，各种寄生效 应，以及漂移区电子流向变化，温度变化和元胞形状等因素的影响，提出了一个v d m o s 的等效电 路模型。该等效电路模型物理意义完整，耪度高，收敛性好，并且考虑了p d p 行驱动芯片中v d m o s 器件的特殊结构和应用环境。 然后，为了将提出的模型能够用于功率集成电路的设计。本文详细研究了目前能够得到的各种 电路模拟软件，最终确定采用成熟可靠的，能够将外部模型嵌入其中的电路模拟软件s a b e r ，而且 根据s a b e r 对外部用户自定义模型的具体要求，对模型的不同部分计算和功能实现作了分工，并 且对其进行了适当的改造，从而将模型嵌入了电路模拟软件s a b e r 。 最后，为了验证模型的精确性和有效性。按照p d p 行驱动芯片中高压v d m o s 的工艺条件和结 构参数，分别对静态特性和动态特性进行了计算，计算结果与实测值符合的较好，进一步，将模型 用于p d p 行驱动芯片的设计，该模型很好地预测了电路的性能，指导了芯片的设计，实际的p d p 点屏测试结果表明。芯片整体性能可靠，完全能满足p d p 系统工作的需要。 关键词：高压v d m o s 沟道区；漂移区；物理模型；等效电路模型；功率集成电路；p d p 行驱动 芯片 a b s t r a ( t a b s t r a c t t h ep l a s m ad i s p i 掣p a n e lo ，d p ) i so n e1 y p co f t h ed o m i n a n td i s p l a y s ，w h i l el a i g h - v o l t a g ev d m o $ 锄dp o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i tu s e di ni 1 3d r i v e ri c 戤a l lc u s t o m - m a d e 锄dd e v o i df r o mt h ef o u n d r i e s t l a e r e f o r e i t i s v e r y i m p o r t a n t t o e s t a b l i s l a 缸v d m o s m o d e l f o r 曲e i 珏嘲笋a 耋e d c i r e n i t d e s i g r ) f i r s t l y , a f t e rs t u d y i n gp h y s i c a le h a z a e t m i s t i e so f v d m o si nd e t , a i l , ap h y s i c a lm o d e lf o rh i g h - v o l t a g e v d m o si sp r o p o s e di nt h ed i s s e r t a t i o n bt l l em o 由j , f o rt a ed o u b l ed i f f v s e de h a r m e lr e g i o no f v d m o s 4 i i i o i ep r o p e ra s s u m p t i o nf o rc h a n n e lr e g i o ni sg i 啪，w h e r et h el a t e r a le l e e t r i cf i e l do f t h ec h a n n e lr e g i o ni s l i n e a r l yd i s t r i b u t e d , a n di sr i o tr a d n s t a n l t h e 麟婶s s i o md fl a t e r a le l r e l r i ef i e l da n dv o l t a g ei nt h ec h a n n e l r e g i o na l r eo b t a i n e db ya n a l y t i c a lm e t h o db a s e d0 1 1t h i sa s s u m p t i o n , a n dam 帆s t a b l ea n de f f e c t i v em o d e l f o r t h ee h a m a e lr e g i o no fv d m o si sc l e v e l o r 脱lc o n s e q u e n t l y f o rt h ed r i t = tr e g i o no fv d m o s ，a d i f f e r e n l i a le q u a t i o nc o n c e r n i n gt h el o n g i t u d i n a le l e c t r i cf i e l do ft h ed r i f tr e g i o n , w h i c hi sb a s e do i l c h a r a e t e r i s t i c so ft h ee l e c 啊cf i e l dd i 蚵b u t i o na n di n f l u e n c eo ft h ee l e c t r i cf i e l do ne l e c t r o nm o b i l i t y , i s o b t a i n e df o ro u i v d m o sp h y s i c a lm o d e l t h i s4 i t f e r e n t i a le q u a t i o ni sab e t t e rd e s e r i p t i 0 1 1 f o rt h ee l c e l a i e f i e l do f t h ed 曲r e g i o n i ti si m p o r t a n tt h a tt h i sd i f f e r e n t i a le q u a t i o ni sa l s os o l v e di nw h o l ed r i f tr e g i o nt , y 卸a l 蜘c a lm e t h o d , a l t h o u g ht h i se q u a t i o ni sm u c hn l o l ec o m p l i c a t e d i nt h er e g i o nw 1 1 e t h ee l e c t r o nf l o w c r o 骚- s 6 0 na r e ai sv a r i a b l e ，i ti sq u i t ev a l u a b l et h a tt h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni so b t a i n e db ya n a l y d e a l m e t h o dw i t h o u t i g n o r i n g t h ei n f l u e n c ef r o mt h en o n u n i f o r me l e c t r o nc o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n c o n s e q u e n t l yam o t ea c c u r a t ea n de f f e c t i v em o d e l f o rt h ed r i t ! tr e g i o l lo f v d m o si se s t a b l i s h e d $ e e o r t d l y , m a n yp h e n o m e n aa n dc h a r a c t e r i s t i c sa ms t u d i e do i lt h eb a s i so f0 1 1 1 v d m o sp h y s i e a z m o d e l , i n c l u d i n ga l lk i n d so f c h a r g ed i s t r i b u t i o nv a r i a t i o n s 。a l lk i n d so f p a r a s i t i ce f f e c t s ，a n dt h ei n f l u e n c e c a u s e db yt h ee l e c t r o nf l o wd i r e , e t i o nv a r i a t i o no f t h ed r i f tr e g i o n , t e m p e r a t u r ea n dt h e 捌is h a p ev a r i 自a i o n ， t h e n e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lf o rv d m o si sp r o p o s e d t h i se q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lh a st h es p e c i f i c p h y s j c a ls i g n i t i e a n e ea n dh i g hp r e c i s i o n , di t sc o n v e r g e n c ei sb e t t e r i nt h i se q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l , t h e s p e c i a ls t i u c t l l r ea n dt h ea p p l i c a t i o nc i r c u m s t a n c ea 坞e o m i d e r e df o rv d m o s i nt h ep d ps c a nd r i v e ri c t h i r d l y , i no r d e rt oa p p yt h em o d e lt ot h ep o w 曲- i n t e g r a t e dc i r c u i td e s i g n , a l lk i n d to fc i r c u i t s i m u l a t i o ns o f t w a r ea r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h er e l i a b l ec i r c u i ts i m u l a t i o ns o t h a r es a b e r , w h i c hc a l l e m b e de x t h i o rm o d e l s , i sa d o p t e d t h e na c c o r d i n gt ot h eq u a l i f i e a t i o mf r o ms a b e r , t h em o d e li s m o d i f i e da n dp a r t i t i o n e di n t oc o m p o n e n t s ，a n di se m b e d d e di n t os a b e rs u c c e s s f u l l y i m t l y , f o rv a l i d a t i n gt h em o d e l b o t ht h es t a b l ec h a r a c t e r i s t i ca n dt l l et r a n s i e n tc h a r a c l e r i s t i ca r e e a l c u l a l 【e da c e o r d i r t gt ob o t hp r o c e s sa n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so f t h eh i g h - v o l t a g ev d m o si nt h ep d ps c a n d r i v e ri c a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ll l l e a s u l e l l l e n t s i n a d d i t i o n , t h em o d e lh a sb e e na p p l i e dt ot h es i m u l a t i o no ft h ep d ps , c a r ld r i v e ri cd e s i g n , a n dt h em o d e l p r e d i c t st h ep e r f o r m a n c eo fp d ps c a i i d r i v e ri cs u c c e s s f u l l y i ts u g g e s t st h a tt h i sm o d e lc a i lp r o v i d e a b s l l u c r d i r e c t i o n sf o rc h i pd e s i g n sa sar e s u l lt h ee x p e r i m v n t a lr e s u l t so fp d p t e s t i n gs h o wt h a tt h ed r i v e ri c w o r k sw e l la n dt h ed r i v e ri cs a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n t so f p d ps y s t e me n t i r e l y i f , 目y w o r d s ：h i g h - v o l t a g ev d m o s ；c h a n n e lr 铭i o md r i f tr e g i o n ；p h y s i c a lm o d e l ；e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l ； p o w e rm t e g r m dc i r c u i t ；p d ps g a nd r i v e ri c i i i 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：班日期：出q 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： 绪论 绪论 功率m o b 器件是功率半导体器件的一种，随着其快速发展，器件的工作电压、工作电流、工作 频率等性能被不断提高，同时，更为重要的是，功率m o $ 器件已经成为功率集成电路( p i c ) 中最 为关键的部件，其性能特征对整个功率集成电路性能的改善起着主要作用。第一个功率半导体整流 器是在1 9 5 2 年由r n h a l l 1 1 研制出来的，其正向电流达3 5 a ，反向阻断电压达2 0 0 v 。1 9 5 6 年，j l m o l l 等人【2 1 又发明了可控硅整流器( 即晶闸管，s c r ) 并于次年1 2 月由g e 公司推出了商品当时的器 件水平是工作电流为2 5 a ，阻断电压为3 0 0 v 。这样，随着功率半导体整流器和可控硅整流器的引入， 功率电子学领域发生了从以电子管为基础向以半导体器件为基础的转变。此后，为了使门极能够关 断阳极电流，1 9 6 1 年又研制出了可关断晶闸管；为了能控制双向电流，1 9 6 4 年又推出了双向晶闸管； 对于更高转换速度的应用来说，晶闸管仍不能满足要求，功率双极型晶体管在这方面的应用则起了 主导作用，这些器件在功率处理能力和开关速度方面的改善对功率电子系统尺寸的缩小和价格的降 低起n t 决定性的作用。然而，由于这些器件需要有大的输入功率，因此其控制电路因需要用分立 元件而变得复杂，这阻碍了功率电子系统尺寸和价格的进一步降低。随着m o s 技术特别是c m o $ 集成电路的发明，采用新型功率器件功率m o s 器件在7 0 年代成为可能。由于m o s f e t 是一种 电压控制型器件，能用很小的稳态电流输入实现器件的开关，控制电路可同时实现集成。因此，基 于m o s f e t 的功率电子系统的复杂度大大提高。尺寸也大为减小。此外，要进一步提高工作频率， 必须消除少子存贮效应的影响，而功率m o s f e t 器件可以较好的解决这一问题。8 0 年代以后，人 们发明了一类称为m o $ - - 双极混合结构的功率器件。这类器件能够在高压领域应用，如电机控制方 面提供合适的开关性能。1 9 8 2 年首次报道的绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 器件目前已在所有的高压应 用领域取代了双极晶体管。在i g b t 器件结构中，利用m o $ 栅来实现高的输入阻抗，同时利用双极 m _ h m 吨h 嵋v 岬r 胡0 9 图0 - 1功率半导体器件的应用 结构的电流导通模式实现低的开态压降。近年来，化合 物功率半导体技术，特别是碳化硅( s i c ) 功率器件得 到了迅速发展，基础研究的结果显示，用s i c 代替s i 后，漂移区的开态电阻将下降2 0 0 倍，理论分析表明， 利用s i c 制备的单极功率整流管和功率开关的击穿电 压可达5 k v 。但是，由于碳化硅材料的缺陷密度和材料 成本都很高，所以目前碳化硅功率器件仍然难以实现商 业化【3 4 1 5 ，研。 随着m o s 器件、m o s 工艺的出现，人们更多地 着眼于功率m o s 器件，因为它具有更好的开关特性、 静态功耗以及功率增益，同时它也更加便于控制。对功 率分立器的应用需求趋势主要是工作电压在2 0 0 v 以下 的计算机、通讯领域以及工作电压在2 0 0 v 以上的自动 1 东南大学博士学位论文 化工业器件、汽车控制、机器人技术等领域。同时，纵向功率m o s 器件一高压v d m o s 的发展 使单片功率集成电路成为可能，如今，功率集成电路具有非常广阔的应用市场。虽然双极型晶体管 在大电流领域仍然具有生存空间，但是随着功率m o s 器件结构和工艺的出现，以及基于化合物材料 的m o s 器件的发展，如今功率m o s 器件已经成为功率器件中的主流。图0 1 为功率器件的一些主 要应用领域，其中的横坐标为功率系统需要的额定电压、纵坐标为额定电流。在相对的低压部分 ( 1 0 0 v ) ，其主要应用是计算机、通信设备、办公设备等的电源以及汽车电子。工作在低电流( 1 0 0 v ) 部分的功率器件主要应用于显示和电信系统。高功率应用范围主要是牵引系统( 电 车和火车头) 和输电网络p j 。 0 1 高压v d m o s 在功率m o s 器件中的位置 功率m o s 器件的发展过程基本上是在保留和发挥m o s 器件本身优点和特点的基础上，努力提 高器件的工作电压和工作电流的过程。普通的m o s 管当漏电压增加时，耗尽区主要向低浓度的衬底 沟道延伸，当耗尽区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，在结构上就要增加沟道长度l ，否则很容易穿通。但是，普通m o s 管的漏极电流 i d 与沟道的宽长比w l 成正比，所以增加了沟道长度又会减少器件的工作电流，从而无法提高功率。 为了解决这一矛盾，1 9 7 1 年y t a r u i 【g 】等人提出了 横向双扩散m o s ( l d m o s ) ，如图0 - 2 所示。与普通 m o s 器件相比，l d m o s 主要有两点不同：一是沟道 与漏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 l d m o s 的主要任务是优化漂移区长度以及p 型沟道 图0 - 2l d m o s 结构示意图 和漂移区的电阻率。二是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 t a 9 1 采用这种方案作出了第一个高压大电流l d m o s 器件。 图0 - 3r e s u r f n l e d m o s 的结构示意图 虽然l d m o s 的击穿电压可以做的很高，但是 很快发现其导通电阻太大，这就大大限制了功率i c 的频率应用范围，全球都在寻找降低导通电阻的方 法。1 9 7 9 年，j a a p p e l s 1 0 1 等人提出了r e s u r f ( 弱化表面电场) 技术理论。它使传统的耐压上限 只有2 5 0 v 的l d m o s 的耐压提高到1 2 0 0 v ，同时 也使导通电阻降低。如图0 - 3 为常用r e s u r f n l e d m o s 基本结构的纵向剖视图，漂移区由注入 杂质扩散形成。在高低压兼容的功率集成电路中经适当优化可以用低压n 阱代替；为了防止穿通 沟道区扩以浓度较高的p 阱，高低压兼容的功率集成电路中可以将其与低压p 阱合版。 2 绪论 虽然u ) m o s 在保证增 大电流的同时，其击穿电压 可以做的很高，但是管芯占 用的硅片面积太大。为了解 决这些问题，垂直结构的各 种器件开始出现了，这些器 件的发展得益于大规模集成 技术，各向同性、各向异性 和等离子蚀刻技术等方面的 发展。s i l i c o n i x 和m 推出了 垂直v 型槽的结构 商 矽 d 图o 4v v m o s 结构示意图 趣秽 d 图0 - 5v u m o s 结构示意图 ( 、，、强i o s ) ，如图o 4 所示。v v i v l o s 与横向m o s 的最大区别是将漏区、漂移区和沟道区从硅片表 面分别转移到硅片的底部和体内，对应每个v 槽有两条沟道，因此管芯占用的硅片面积大大地缩小， 而且器件的频率特性也得到很大的改善。但是，v v m o s 结构存在v 型槽顶端的电场很强，v 型槽 腐蚀不易控制，栅氧化层暴露而使得阈值电压不稳等缺点。后来v 丸i ct e m p l e 等人【”1 提出了垂直 u 型槽的结构( v u m o s ) ，如图0 - 5 所示。此结构中的u 型槽通过控制腐蚀v 型槽的两个斜面刚进 入n 漂移区但还未相交时停止腐蚀得到的。u v m o s 避免了槽底强电场的出现，但u 型槽的腐蚀同 v 型槽一样难于控制，栅氧化层也一样暴露。 、f 黑z 鬯_ 乡鬯_ 乡 d 图0 - 6v d m o s 结构示意图 1 9 7 9 年，h w c o l l i n s 等人i t 2 提出了一种垂直双 扩散m o s 晶体管( w m ld o u b l e d i f f u s e dm o s 昀n s i s t o r ，简称v d m o s ) ，其结构如图0 - 6 所示。该 结构的单元形状可以是六边形，方形或者是条纹形，几 何结构的变化主要决定于集成密度的要求，其采用了平 面扩散技术，以难熔材料如多晶硅的栅作掩模，用多晶 硅的边缘定义p 基区和n + 源区。d m o s 的名称就源于 这种双 扩散工 艺，利 用p 基区和n + 源区的侧面扩散差异来形成表面沟道区 域。v v m o s 结构是首先实现商品化的器件，但由于 该器件在制备过程中的稳定性问题和v 型槽顶端存在 的局域高电场等缺点，现在已被v d m o s 所替代。正 在研究的一类功率m o s 结构是图0 7 所示的沟槽栅结 构( u m o s f e t ) 【4 q 。u m o s f e t 器件具有较高的沟 槽密度和较低的漏扩散电阻，这就导致了u m o s f e t c ： | | i 罐弛算瓤j j ? j | ： ：一鬯鲨h ： ：一些鲨兰型n ： 东南大学博士学位论文 器件具有较低的开态特征电阻( 单位面积电阻) 。在该结构的制各技术采用了在存储器存储电容制各 工艺中发明的沟槽刻蚀技术。 0 2 高压v d m o s 器件模型研究的意义 由上一节介绍的功率m o s 器件的发展可以看出，v d m o s 是目前应用非常广泛并且比较可靠的种 功率m o s 器件。它是由 lw c o l l i n s 等人在1 9 7 9 年提出的 ”】，单元结构是六边形，其中多晶硅栅被 埋藏在源极金属的下面，源极电流穿过水平沟道，经过栅极下面的积累层再通过垂直轻掺杂的漂移 区流到漏极，如图0 - 8 所示。这种结构的功率m o s 器件，较好地克服了v v m o s 和v u m o s 的缺 点，特别是工艺上与现在高度发展的超大规模集成电路工艺相容，因此在功率集成电路中得到广泛 的应用，其发展速度很快1 5 , 1 3 1 v d m o s 在器件结构上与普通的m o s 器件有着较大的不同，能够很好描述普通m o s 器件的模 型对于v d m o s 来说显然是不适用的，而有效的v d m o s 模型对功率集成电路的设计是必需的，模 型的好坏直接影响着功率集成电路设计的过程和结果。v d m o s 的器件模型是v d m o s 器件与功率 集成电路之间的一座桥梁，有了适当的模型。就可以采用电路模拟软件将v d m o s 器件准确地运用 到功率集成电路中去，这将大大提高功率集成电路设计的成功率。无论是在数字集成电路、模拟集 成电路、数模混和集成电路，还是在高低压兼容集成电路设计领域，仿真和模拟技术在i c 设计中都 起着越来越重要的作用；优秀的仿真环境和方法为高效率、高质量地完成设计提供有力的支持和指 导。在电路模拟软件的性能得到不断提高的同时， 图0 - 8 高压v d m o s 工作示意图 电路模拟软件也不能离开模型的支持。只有在相 应的模型库的支持下，电路模拟软件才能发挥其 最大的效能，为设计提供最佳的支持 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 目。 对于现在已有的一些高压v d m o s 器件模型， 以及一些芯片制造商提供的高压v d m o s 器件模 型，一方面，这些模型只适用于某一种结构，不 够成熟和完善，而且价格很贵，不易获得：另一 方面，这些器件模型适用的工作电压范围有限， 远不能达到一些芯片对工作电压的要求。本文研 究的高压v d m o s 的物理模型和等效电路模型是 东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中 心( 简称a s i c 中心) 承接国家“8 6 3 ”研究项目 高压驱动模块( 项目编号2 0 0 4 a a l z l 0 6 0 i ) 后 开展的研究工作之一。是其重要组成部分，目的 是要建立p d p ( 等离子体显示器) 行扫描驱动芯 片用的高压v d m o s 的物理模型和等效电路模型， 提供给p d p 驱动芯片设计者使用，使其完成p d p 4 绪论 驱动芯片及系统的设计和仿真。本文中p d p 行驱动芯片应用的高压v d m o s 器件和电路都是自主研 发、定制设计的，缺少芯片制造商的模型对它们的支持。但器件模型又是电路设计中不可缺少的重 要元素，能够正确反映高压v d m o s 器件特性的模型。如高压v d m o s 器件的特性、瞬态特性 以及各种寄生效应，将会极大的提高电路设计的可靠性，缩短芯片的设计周期。因此，自主开发用 于功率集成电路设计的高压器件模型成为当务之急。 0 3 本文的应用背景 等离子体显示器( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ，简称p d p ) 是一种矩阵型自主发光的平板显示器件， 它是利用气体放电产生的真空紫外线激发三基色荧光粉发光而实现显示的新型平板显示技术。p d p 作为一种平板显示器的实质性开发是以1 9 6 4 年美国i l l i n o i s 大学存储型交流p d p ( a c - p d p ) 的发表， 以及1 9 6 9 年美国b u r r o u g h s 公司自扫描型直流p d p ( d c - p d p ) 的发表为标志。二十世纪9 0 年代， 由于受彩色液晶技术发展的冲击和日趋临近的数字化电视广播和高清晰电视h d t v 的强烈刺激，彩 色a c - p d p 的技术迅速得到突破并获得很大的发展。彩色p d p 技术首先在军事方面采用，真正使彩 色p d p 进入商业化轨道的技术突破是1 9 9 3 年日本富士通公司率先实现了表面放电式反射结构。寻 址和显示分离的2 1 英寸彩色a c - p d p 的批量化生产( 1 9 j 。这种结构的p d p 具有亮度高，寿命长，易 于全彩色显示，适用于大生产等优点，并成为以后各大公司研制和开发的样板。p d p 具有视角大、 响应快、厚度小、大屏幕以及全数字化工作的特点，是高清晰数字化电视( h d t v ) 、大型壁挂电视 和多媒体终端的理想显示器件。p d p 与目前的两种主流显示器l c d 和c r t 相比，还具有以下一些 特点：响应速度快，可以实现即时显示和大型显示，并且制造工艺较简单( - ql e d 相比) ；工作电 压低、轻型化即薄型化，不受磁场影响无辐射( 与c r t 相比) 。因此，p d p 显示器除了可以连接d v d ， 录像机、摄影机等传统视听设备外，可以直接连接在个人电脑、电子游戏机等多媒体显示终端。由 于p d p 显示器具有以上特点及广泛的应用领域，所以它必将成为未来具有竞争力的新一代显示技术。 p d p 显示技术的成功，不仅仅归功于彩色p d p 显示屏本身的开发成功及生产技术的建立，更重 要的应当归功于驱动集成电路技术的发展。显示器的发光显示离不开高压驱动芯片，作为p d p 系统 中的核心部件之一，驱动芯片给p d p 显示器施加定时的、周期性的脉冲电压和电流，使p d p 显示器 能够正常发光显示。因此，p d p 驱动芯片对于p d p 显示器的正常工作起着非常关键的作用，驱动芯 片的好坏直接决定了显示的质量的好坏。同时，从产品造价来看，对于一个性能良好的p d p 彩色电 视来说，其驱动集成电路系统占总成本的3 0 4 0 左右。因为显示器驱动集成电路系统制造成本太 高，直接导致了其销售价格高于普通家庭的购买力，所以p d p 驱动芯片的研究对降低p d p 成本有着 十分重要的意义。 彩色p d p 显示屏按其结构的不同可分为两种类型，即交流型彩色p d p 和直流型彩色p d p ( a c 型和d c 型) 。按驱动方式又可分为行顺序制驱动方式和存储驱动方式两种。彩色p d p 是主动发光 器件，其亮度与各个像素的发光时间成正比。一般情况下，在进行矩阵平面的行顺序驱动时，随着 扫描线数据的增加，其亮度会下降。因此，不管是a c 或d c 彩色p d p ，都采用存储式驱动来增加 实际的发光时间，从而实现高亮度。存储式驱动方式基本上由写入、发光维持和擦除三个周期组成， 5 东南大学博士学位论文 驱动集成电路的作用是给彩色p d p 施加定时的、周期性的脉冲电压和电流。为此，彩色p d p 的驱动 集成电路有两组：第一组是处理显示数据的寻址驱动芯片，也叫列驱动芯片；第二组是负责写入时 扫描和维持放电的行扫描驱动芯片。也叫行驱动芯片。p d p 行扫描高压驱动芯片由6 4 位双向移位寄 存器模块、控制器模块、“位锁存器模块、低压驱动模块以及6 4 路高低压转换电路模块等组成。 该芯片采用高低压兼容的c m o s 工艺，高低压电路模块都集成在同一块芯片上。当外部输入的l 路 串行数据信号在控制器的功能控制下依次进行移位、锁存，再经过低压延时驱动模块输出给高压驱 动模块，完成高低压电平的转换，实现6 4 路高压驱动输出。 p d p 驱动芯片是东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心承担的国家。8 6 3 ”研究项目 高压驱动模块( 项目编号2 0 0 4 a a i z l 0 6 0 ) 。中心在承接该项目后开展了一系列研究工作， 已经成功完成了基于高低压兼容c m o s 工艺的p d p 寻址驱动芯片以及扫描驱动芯片的设计、流片和 系统测试，并顺利通过了专家组的项目验收。其中，本文所做的模型已用于该课题的研究和实验验 证，帮助完成了p d p 驱动芯片及系统的设计和仿真刚。 0 4 本文的主要工作和创新点 本文深入研究了高压v d m o s 器件的内部物理机制，用m e d i c i 器件模拟软件对v d m o s 器 件的各个方面的物理特性进行模拟仿真，通过模拟仿真结果，一方面，对、，d m o s 器件的各种效应 ( 沟道区和漂移区中电子的速度饱和效应等) 有了更加深入的了解：另一方面，更为重要的是，设 法得到了一些合理的近似假设，以保证v d m o s 物理模型一定计算精度的条件下，使得模型的数学 处理方面能得到一些简化。首先，本文根据v d m o s 的结构和工艺，建立了相应的v d m o s 物理模 型，主要包括v d m o s 器件的沟道区模型和漂移区模型，它们的建立主要是在深入理解v d m o s 器 件的内部物理机制和各种效应的基础上，在作出一些合理的近似假设后，得到了各自的精确有效的 物理模型。然后，在v d m o s 物理模型的基础之上，结合v d m o s 器件的动态特性，综合了由物理 模型和相关资料得到的v d m o s 器件内部各个部分之间的相互关系，以等效电路的形式表达这些关 系，并且根据电路模拟软件s a b e r 对于外部由用户定义的器件模型的嵌入的开放性，建立了一个 有效的v d m o s 等效电路模型。将所提出的v d m o s 器件等效电路模型用于p d p 高压驱动芯片的设 计当中去，并且将所设计的p d p 高压驱动芯片进行流水试验，通过测试数据来验证所建立的v d m o s 物理模型及其相应的等效电路模型的可靠性和准确性。 本文对于高压v d m o s 物理模型及其等效电路模型建立过程中的难点所在与目前存在的问题， 提出了以下的新思路和新方法： 1 对于建立v d m o s 沟道区物理模型的难点主要在于沟道区掺杂的非均匀性上，因为v d m o s 的沟道区是由双扩散工艺形成的，所以沟道区掺杂呈高斯分布，并且沟道区电子迁移率受到横向和 垂直方向电场的强烈影响，这些特点综合起来对建立沟道区模型产生一定困难。已有的一些v d m o s 物理模型为了易于处理而假设沟道区中的电场随沟道横向方向不变化，即横向电场为常数，这样处 理会导致模型在有些情况下不稳定。为此，本文提出了更为符合沟道区中实际情况的假设，即沟道 区中横向电场为线性分布，并且在同时考虑沟道区电子迁移率受横向和垂直方向电场影响的条件下， 6 绪论 用解析方法得到了沟道区电场和电压在沟道横向方向上的变化，从而建立了一个稳定有效的沟道区 物理模型。 2 v d m o s 的漂移区中，有一部分的电子流动路径横截面面积是发生变化的，并且因为v d m o s 的漂移区中垂直方向的电场较大，所以应该考虑电子迁移率随电场变化的特性( 即电子速度饱和效 应) ，这样的话，将给漂移区中用解析方法求解电场和电压带来困难。本文中根据漂移区电场分布特 点，并且更加精确的考虑了电子迁移率随电场变化的特性，给出了一个能够更好描述v d m o s 漂移 区的关于漂移区纵向电场的微分方程，更为重要的是，虽然该微分方程比现有v d m o s 物理模型中 的一些关于漂移区电场的微分方程较为复杂，但是本文基于合理近似，依然在整个漂移区，包括电 子流动路径横截面面积发生变化的部分，用解析方法求解了该微分方程，从而建立了一个更加精确 的v d m o s 漂移区模型。特别是，在电子流动路径横截面面积发生变化的部分，本文还同时考虑了 电子密度分布对电场分布的影响，而一些现有v d m o s 物理模型为了易于处理电子流动路径横截面 面积发生变化的部分，往往都忽略了这部分中电子密度分布对电场分布的影响，从而影响其计算精 度。 3 基于本文中提出的高压v d m o s 物理模型，更加细致精确地分析计算了v d m o s 中各部分 电荷分布随电压的变化和各种寄生效应，而且特别考虑了漂移区电子流向变化，温度变化和元胞形 状等因素的影响，从而本文提出了一个新型的v d m o s 等效电路模型。该等效电路模型考虑了p d p 行驱动芯片中v d m o s 器件的特殊结构和应用环境。在p d p 行驱动芯片中，v d m o s 器件作为高压 驱动电路中的n 管，与l d m o s 器件的p 管构成高压互补c m o s 结构。由于二者要与低压m o s 管 在同一个衬底上制作，因而其工艺，以及由此而带来的器件工作方式和相应的寄生效应也和一般 v d m o s 器件有差别，所以其等效电路模型的形式与一般v d m o s 器件不同。 4 建立的v d m o s 等效电路模型是在v d m o s 器件物理模型的基础上得到的，描述各组成元 件的数学关系如何嵌入到电路模拟软件中也是要重点考虑的。本文对比研究了较多种电路模拟软件 而确定电路模拟软件s a b e r 是适合本文所提出的v d m o s 物理模型及其等效电路模型的。根据电 路模拟软件s a b e r 对于由外部用户定义的器件模型的要求，并且考虑了本文提出的v d m o s 物理 模型及其等效电路模型的特点，将其改造成为适用于电路模拟软件s a b e r 的一个高压v d m o s 模 型。该模型保持了本文提出的物理模型及其等效电路模型的各种优点，同时较大程度的利用了 s a b e r 本身的优势所在。 参考文献 1 】h a l l r n p o w e rr e c t i f i e r sa n d t r a n s i s t o r s t c 】p r o c i r e v 0 1 4 0 ，1 9 5 2 1 5 1 2 1 5 1 8 2 】m o l ljl ，t a n e n b a u mm ，g o l d e yjm ，e ta 1 p - n - p - nt r a n s i s t o rs w i t c h e s 【c 】p r o c i r e v 0 1 4 4 ，1 9 5 6 1 1 7 4 - 1 1 8 2 【3 】b a l i g abj a y a n l t r e n d si np o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s 习i e e et r a n s a c t i o n so ne l e c t r o n d e v i c e s ，1 9 9 6 ，4 3 ( 1 0 ) ：1 7 1 1 7 3l 【4 】b a h g abj a y a n t t r e n d si np o w e rd i s c r e t ed e v i c e s c 】p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e sa n di c s ，1 9 9 8 7 东南大学博士学位论文 i s p s d9 8 p r o c e e d i n g so f t h e1 0 t hi n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m0 1 1 u s a ：i e e e ，1 9 9 8 5 - 1 0 【5 】陈星弼功率m o s f e t 与高压集成电路【m 】南京：东南大学出版社，1 9 9 0 1 -