（电路与系统专业论文）基于数值模拟的LDMOS解析模型[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 横向高压功率器件l d m o s ( l a t e r a ld o u b l e d i f f u s e dm o s f e t ) 已经广泛地 应用于功率集成电路和微波集成电路中，它具有耐高压、增益大、动态范围 宽、失真低、易于和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，尤其是s o i ( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) 技术的发展，s o il d m o s 已经应用 于高速功率集成电路和射频集成电路中。因此，对体硅和s o i 的l d m 0 s 器件 特性的研究与建模有着重要实际意义。 l d m o s 的结构复杂，而且沟道是非均匀掺杂，很难求出解析模型。以往的 模型都是将l d m o s 分为线性区和饱和区两段来分析，然后将两个区域的特性 方程联立求解。如果l d m 0 s 的结构过于复杂，就可能求不出解析解。即使可 以求解，这些方程用于s p i c e 电路仿真时计算量很大，而且不容易收敛。本 文利用二维半导体器件模拟软件m e d i c i 模拟出l d m o s 电阻随着漏源电压变化 的曲线，通过t l a b 拟合这些曲线，得到了l d m 0 s 全导通区域的伏安特性方 程，建立了l d m o s 电路的宏模型。无论l d m o s 的结构怎样复杂，我们都可以 很快的通过数值模拟得出它的宏模型。该模型的精度高、参数少、易于提取， 得到的s p i c e 等效电路简单，仿真容易收敛。根据得到的等效电路对一个高 压c m o s 反相器进行了设计，计算出宏模型中的参数与反相器电路参数( 如n 管下降沿时间) 的关系，从而可以指导电路设计者如何调整l d m o s 的参数得到 需要的电路参数。高压l d m o s 晶体管在反相器中的功耗很难估算出，利用我 们得到的宏模型，可以计算高压l d m 0 s 的均方功耗，然后求出高压l d m 0 s 的 本征功耗，发现它与电源电压呈三次方的关系。通过计算c m 0 s 反相器导通功 耗和功率增益，得到其功率增益与频率成反比，说明高压l d m o s 适合在较 低频率下工作。高压l d m 0 s 应用于实际电路中，最主要的问题就是功耗过大， 如果将l d s 分成许多单元并联，电路的功耗就可以降低很多。本文还分析 了场极板对体硅l d m 0 s 击穿电压的影响，根据l d m 0 s 场强的分布，分别计算 了场极板为无穷长和有限长时的击穿电压，得到了击穿电压与场极板长度的 基于数值模拟的l d m o s 解析模型 关系，并给出了击穿电压的计算公式，计算结果与实验数据相吻合。 对于s o il d m o s 的特性分析，本文首先介绍了目前国内外几种典型的耐 高压的结构，较为详细的分析了应用r e s u r f 原理提高击穿电压的方法，比较 了各种耐压结构的优缺点。通过准二维的方法，求出了全耗尽s 0 il d m o s 晶 体管沟道耗尽区电势分布的表达式，并建立了相应的闽值电压模型，分别计算 了零背栅压和负背栅压下闽值电压随沟道长度的变化。可以发现，随着沟道 长度的缩短，闽值电压也相应的减小。s o il d m o s 的漂移区掺杂浓度直接影响 到器件的击穿电压，本文在数值模拟的基础上定义了漂移区临界掺杂浓度， 当漂移区掺杂浓度低于m 时，漂移区全部耗尽，击穿发生在漏端；当漂移区 掺杂浓度高于，时，击穿转移到沟道末端。然后分别计算了两种情况的击穿 电压，计算结果与数值模拟的结果接近，说明了推导出的模型的正确性。 关键词：l d m o s ；s 0 i ；数值模拟；击穿电压；阂值电压 i i 竺塑生一一 a b s t r a c t l a t e r a lh i g h v 0 1 t a g ep o w e rd e v i c el d m 0 s ( l a t e r a ld o u b l e d i f f u s e d m o s f e t )h a sa d v a n t a g e so fh i g hb r e a k d o w nv o l t a g e ， l a r g eg a i n ， w i d e d 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 h l o w v 0 1 t a g e c i r c u i tp r o c e s s 工ti s l o r ea n dm o r e i d e l yu s e di 九p o w e ri n t e g r a t e d c i r c u i t sa n dm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y ，e s p e c i a l l yt h ed e v e l o p m e n to fs o i ( s i l i c o n o ni n s u l a t o r ) t e c h n o l o g y ，s o il d m o sh a sb e e nu s e di nh i g h s p e e dp o w e r i n t e g r a t e dc i r c u i t sa n dr fi n t e g r a t e dc i r c u i t s t h e r e f o r e ， i ti sv e r y i m p o r t a n tt os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fb u l ks i l i c o nl d m o sa n ds 0 工 l d m o sb e c a u 8 eo ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s d u et ot h ec 0 p l i c a t e ds t r u c t u r eo fl d m o sa n dt h en o n u n i f o r m l y c h a n n e ld o p i n gc o n c e n t r a t i o n ，a n a l y t i c a lm o d e l sa r ev e r yd i f f i c u l tt o e s t a b li s h t h e o d e l sp r e v i o u sd i v i d e dt h eo n s t a t er e g i o no fl d m o s i n t ot w op a r t s ，l i n e a rr e g i o na n ds a t u r a t i o nr e g i o n t h e yw o r ko u te a c h r e g i o n si ve q u a t i o nr e s p e c t i v e l y ，a n dc o m b i n et h et w oe q u a t i o n s i ft h es t r u c t u r eo fl d m o si sv e r yc o p l i c a t e d ， t h ee q u a t i o n sp e r h a p s c a n n o tb es o l v e d u s i n gt h e s e o d e l st os i 叫1 a t ec i r c u i t sc a np r o d u c e a1 a r g eq u a n t i t yo fc a l c u l a t i o nt h a ti su n e a s yt oc o n v e r g e i nt h i s p a p e r ， t h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fl d m o sa r es i m u l a t e db ya2 一d d e v i c es i m u l a t o rm e d i c i f i t t i n gt h e s ec u r v e so fr e s i s t a n c ec h a n g i n g w i t hd r a i nv 0 1 t a g eb ym a t l a b ，w eg e ta ni ve q u a t i o nw h i c hi sa v a i l a b l e i nt h ew h o l eo n s t a t er e g i o n ， a n dd e r i v et h em a c r o m o d e lo fl d m o s c i r c u i t s w h a t e v e rt h es t r u c t u r eo fl d m o si s ， w ec a nc r e a t et h e m a c r o m o d e lb yn u m e r i c a ls i u l a t i o nq u i c k l y b e c a u s et h em o d e li sb a s e d o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， i th a sh i g ha c c u r a c ya n dc o n t a i n sf e w e r d a ra _ m e t e r se a s i l ye x t r a c t e d a c c o r d i n gt ot h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta b o v e ， h i 基十数值模拟的l d m 0 s 解析模型 w ed e s i g nah i g h v 0 1 t a g ec m o si n v e r t e r t h er e l a t i o n s h i db e t w e e nt h e p a r 彻e t e r si nt h em a c r o m o d e la n dt h ec i r c u i td a r a m e t e r so fc 幻s i n v e r t e r ( s u c ha st h et r a i l i n ge d g et i m eo ft h en l d m o s ) c a nb ed e r i v e d t h e ni cc i r c u i td e s i g n e rc a na d j u s tt h ep a r a m e t e r so fl d m o st og e tt h e r e q u i r e dc i r c u i tp a r a f 2 e t e r s t h ep o e rd i s s i p a t i o no fh i g h v o l t a g e l d m o si sd i f f i c u l tt om e a s u r e u s i n gt h em a c r o m o d e lw ec a nc a l c u l a t e m e a ns q u a r e p o w e rd i s 8 i p a t i o n，t h e n t h e p o w e rd i s s i p a t i o no f h i g h v o l t a g el d 啪sh a sb e e nd e r i v e d t h r o u g h o u tc a l c u l a t i n gc m o s i n v e r t e rp o w e rd i s s i p a t i o na n dp o w e rg a i n ，w ef i n dp o w e rg a i ni si n v e r s e r a t i ot of r e q u e n c y t h e r e f o r e ，h i g h v 0 1 t a g el d m o si so n l yw o r k i n gu n d e r l o wf r e q u e n c y w h e nt h eh i g h v 0 1 t a g el d m o si sa p p li e dt or e a l c i r c u i t s ，t h em o s ts e r i o u sp r o b l e mi sh i g hp o w e rd i s s i p a t i o n w ec a n d i v i d ea nl d m o si n t os e v e r a lu n i t sa n dd a r a l l e lc o n n e c tt h e m a st h e r e s u l t ，t h ep o w e rd i s s i p a t i o nc o u l dd e c r e a s e t h i sp a p e ra l s oa n a l y s e s t h eb r e a k d o w nv o l t a g ei n f l u e n c e db yf i e l dp l a t e a c c o r d i n gt ot h e d i s t r i b u t i o no fl d m o sf i e l d ，w ec a l c u l a t et h eb r e a k d o w nv 0 1 t a g ew h e n t h ef i e l dp l a t ei si n f i n i t ea n df i n i t e t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n b r e a k d o w nv o l t a g ea n df i e l dp l a t el e n g t hc a nb eg o t t e n f r o mt h i s a n a l y s i s ， as u i t d b l es 0 1 u t i o nh a sb e e no b t a i n e da n dt h et h e o r e t i c a l p r e d i c t i o ni 8w e l lv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t a ld a t a a st ot h ea n a l y s i so fs o i 乙d m o s ，s e v e r a lt y p i c a ls t r u c t u r e st h a t c a nh 0 1 dh i g hd r a i nv o l t a g ew e r ei n t r o d u c e d t h ea p p l i c a t i o no fr e s u r f p r i n c i p l ei s d i s c u s s e di nd e t a i l w eu s et h eq u a s i t w o d i m e n s i o n a l m e t h o dt og e tt h ep o t e n t i a ld i s t r i b u t i o nf o rd e p l e t e dc h a n n e lr e g i o n o f u n y d e p l e t e ds o 工l d m o s ，a n da na n a l y t i ct h r e s h o l dv o l t a g e 0 d e l h a sb e e ne s t a b l i s h e d w ec a l c u l a t et h et h r e s h o l dv 0 1 t a g ew h e n b a c k g a t eb i a si sz e r oa n dm i n u s ， a n df i n d t h a tt h et h r e s h o l dv o l t a g e d e c r e a s e sw h e nt h ec h a n n e l1 e n g t hr e d u c e s t h ed o p i n gc o n c e n t r a t i o n o fd r i f tr e g i o nc a nd i r e c t l yi n f l u e n c et h eb r e a k d o w nv o l t a g ei ns o i a b s t r a c e l d m o s b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u lt sw ed e f i n et h e c r i t i c a ld d p i n gc o n c e n t r a t i o n 。i nt h ed r i f tr e g i o na tf i r s t w h e n t h er e a lc o n c e n t r a t i o ni s1 0 w e rt h a nj ) 、r 。， t h eb r e a k d o w no c g u r sa tt h e d r a i n h e nt h er e a lc o n c e n t r a t i o ni sh i g h e rt h a n 。， t h eb r e a k d o w n o c c u r sa tt h ee n do fc h a n n e l w eg i v et h em o d e lo fb r e a k d o w nv 0 1 t a g e ， a n dt h er e s u l t sa r ec l o s et on u m e r i c a ls i m u l a t i o nv a l u e s s ot h em o d e l s w ed e r i v e da r ec o r r e c t k e y w o r d s ： l d m o s ：s o i ： n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ： b r e a k d o w nv 0 1 t a g e t h r e s h o l dv 0 1 t a 9 8 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得虚极火兽或其他教育机构 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谢意。 学位论文作者签名：景磊抠 签字日期：m j 年f 月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解客 救大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权矗锚吠咨可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者挠券垂荻导师始捐烈 签字日期：弦西年j 月压日 签字日期：a 矽玖f 年厂月f 、日 学位论文作者毕、旺去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着集成电路的不断发展，以及各种新型功率半导体器件，特别 是啪s 功率器件的研制成功，促进了智能功率集成电路( s m a r tp o w e ri c ，s p i c ) 的迅速发展。半导体器件是电力电子技术的基础，是电力装置的心脏，它非但 对电力电子装置的体积、重量、效率、性能以及可靠性等起到至关重要的作用， 而且对装置的价格也起到很大影响。智能功率集成电路集功率半导体、大规模 集成电路、信息电子学、智能控制和计算机辅助设计等技术为一体，在工业自 动化、汽车制造、航空航天和其它高新技术产业中有广泛的应用，成为半导体 工业中的一个重要领域。 二十世纪5 0 年代硅晶闸管的问世，产生了功率半导体器件历史上的第一个 高潮。到7 0 年代中期，功率s f e t 诞生逐步改变了整个功率半导体器件的面 貌，功率器件实现了场控制功能，打开了高频应用的大门，功率m o s 管逐渐取 代功率晶体管和晶闸管。到二十世纪末，功率m o s 管的市场份额已经超过5 0 。 根据电极引出情况和电流流向的不同，功率器件又可以分为横向功率器件和纵 向功率器件。一般来讲，纵向器件的电极位于器件表面和衬底材料的底部，电 流是纵向流动，适合制造大功率分立器件。横向器件的电极位于芯片的表面， 电流呈横向流动，易于通过内部连接实现与低压信号电路及其它器件的相互集 成，并且驱动电路简单。正是由于这些优点的存在，横向功率器件得到了很快 的发展。目前国际上横向功率器件主要有横向双扩散m o s 管l d m o s ，横向绝缘栅 双极型晶体管l i g b t ，横向栅控晶闸管l m c t 及横向双极型晶体管l b j t 等，其中 l d m o s 已经广泛的应用到智能功率集成电路中，本文将对l d m o s 的特性进行详细 的分析。 1 1 体硅l d m o s 器件的介绍 l d m o s 是横向双扩散( l a t e r a ld o u b l e d i f f u s e d ) m o s 管的简称，是目前十分 常用的一类功率器件。它采用双扩散技术，即在同一窗口相继两次进行硼磷扩 散，通过两次杂质扩散横向的结深之差可以精确地决定沟道长度。沟道长度可 基于数值模拟的l d m o s 解析模型 以做得很小并且不受光刻精度的限制。与普通的c m o s 器件相比它在结构方面的 特点有两个：一是它的沟道区由两次不同扩散深度的扩散形成；二是它的漏极 由单一的重掺杂变成了由承受电压的轻掺杂区和用于引出电极的重掺杂区构 成。 l d m 0 s 的电极位于芯片的表面，电流呈横向流动，易于通过内部连接实现与 低压信号电路及其它器件的相互集成。由于n 型l d m 0 s 的沟道和源区在p 阱内，它 的阈值电压近似等于低压n 沟m o s 管的闽值电压，所以很容易被低压电路驱动， 在获得高压的同时可以与低压逻辑控制电路实现集成，而且大大简化了功率器 件的驱动电路，因此广泛的用于智能功率集成电路。它的击穿电压取决于漂移 区的参数，使用r e s u r f 技术可以提高其击穿电压。 l d m o s 是电压控制器件，输入阻抗高，驱动功率低，易与前级耦合。它具有 负的迁移率温度系数，负反馈使过大的局部电流不致形成双极型器件那样的二 次击穿，安全工作区( s 0 a ) 宽，故热稳定性好，工作温度可达2 0 0 ，易与c m o s 电路集成。它是多子器件，抗辐照能力强，无少子存贮效应，开关速度快，而 且可以多单元并联工作，这是较双极型晶体管很重要的一点，由于场控器件的 输入阻抗高，电流是负温度系数，才能完成双极型晶体管所没有的多单元并联， 实现低导通电阻的大电流工作。由于多单元并联工作，容易利用其部分单元实 现过压、过流、过热保护等多种功能。l d m o s 的漂移区将漏区与沟道隔离。漏源 电压绝大部分降落在漂移区上，基本上没有沟道调制，所以当增大时， 输出电阻不下降，而且栅电极和漏区不重迭，从而提高了漏源击穿电压。但是 它的m o s 电容大，器件频率特性受到影响，电流密度小，导通电阻大“1 。 1 2s o im o s f e t s 的介绍 1 2 1s o i 器件的特性 随着功率器件对功率处理能力的进一步提高，现在广泛采用的p n 结隔离技术 越来越力不从心，如何更好地将低压器件和高压器件集成在同一芯片上就成为 一个突出的问题，绝缘体上硅( s i l i c o no ni n s u l a t o r ，s o i ) 技术的发展给这个 问题带来了很好的解决方法”“4 “。采用s o i 衬底，可以制造准理想器件，无闩锁 第一覃绪论 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - h _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - ，- _ _ - 一 效应，能实现全介质隔离，隔离工