（电路与系统专业论文）基于Chebyshev理论的高压LDMOS器件SPICE宏模型[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 摘要 随着功率集成电路飞速发展和广泛应用，功率半导体器件也取得了飞快的 进步，其市场应用也逐步扩大。高压体硅l d m o s 作为功率d m o s 器件的一种横向 高压器件非常适合应用于功率集成电路，这是因为：一方面l d m o s 具有很高的击 穿电压和良好的导通特性；另一方面，其栅、源和漏电极都在表面引出，从而非 常容易和标准c m o s 工艺相兼容，生产成本低。因此，近年来体硅l d m o s 得到广 泛的关注和研究。 器件模型是电路仿真中不可缺少的重要元素，电路仿真结果能否正确的反映 高压集成电路的电学特性，很大程度上依赖于所选取的器件模型的准确程度。由 于高压l d m o s 结构的多样性和复杂性，目前用于电路仿真的高压器件模型相当有 限。因此建立能够用于s p i c e 仿真的高压器件模型成为亟待解决的问题。 传统的高压器件s p i c e 模型是基于等效电路模型建立的，模型的准确与否很 大程度上依赖于等效电路的拓扑结构，同时由于构造等效电路的标准元器件不能 准确反映高压器件的特殊性，仿真的结果很难满足功率集成电路c a d 设计的需 要。本文在深入分析高压l d m o s 器件工作原理的基础上，围绕高压l d m o s 器件 s p i c e 宏模型的建立展开研究。 首先，从器件的静态特性出发，依据器件在满足一定的击穿电压的前提下， 具有较低的导通电阻的要求，利用m e d i c i 数值模拟软件，并结合半导体理论， 优化和设定了l d m o s 器件的各个结构参数。其次，从器件的动态特性出发，深入 分析了器件的物理工作机理，建立了高压l d m o s 器件的栅源和栅漏寄生电容的物 理模型，为器件的大信号、瞬态分析提供了依据。再次，在上述分析的基础之上， 首次将切比雪夫多项式逼近的方法用于建立器件i v 和c v 特性的数学模型，利 用数学工具m a t l a d 计算最优系数，从而把器件的电学行为转化为利用数学方程 式表达的形式。最后，针对本文中的l d m o s 器件的结构提出了新的子电路宏模型， 将描述等效电路中的l - v 和c - v 特性的数学方程式嵌入s p i c e 模拟器中，解决了 模型和s p i c e 之间的兼容问题。通过验证建立的数学模型、s p i c e 宏模型与m e d i c i 模拟之间的误差分别在5 n 和1 0 范围之内。 基于c h e b y s h e v 理论的高压l d m o s 器件s p i c e 宏模型 通过以上的工作，本文最终提供了一个建立s p i c e 宏模型的通用方法。通过 这种方法，不仅可以建立高压d m o s 器件的宏模型，还可以建立其它特殊器件的 宏模型，以用于集成电路c a d 设计。 关键词：功率集成电路；l d m o s ；物理模型；数学模型；切比雪夫；m a t l a b ： s p i c e 宏模型； a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fp i c s ( p o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s ) ， p o w e rd e v i c e sa l s om a k eg r e a tp r o g r e s s t h e yr r eu s e dm o r ea n dm o r er a p i d l yi nt h e m a r k e t t h eh i g hv o l t a g eb u l ks i l i c o nl 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 ) 啪b ew e l la p p l i e di nt h ep o w e rc i r c u i t sf o ri t sg o o dp e r f o r m a n c e sa b o u tt h e b r e a k d o w nv o l t a g ea n do n - r e s i s t a n c ea n di t se a s yi n t e g r a t i o ni nt h es t a n d a r dc m o s p r o c e s sf l o w s om a n yp e o p l eb e g i nt op a ym o r ea t t e n t i o nt ol d m o s i nr e c e n ty e a r s d e v i c em o d e l sa r ee s s e n t i a lf o rc i r c u i ts i m u l a t i o n 8 w h e t h e rt h er e s u l t so f s i m u l a t i o n sc o u l dp r e d i c tt h ep i c sp e r f o r m a n c ee x a c t l y , t h ep r e c i s eh vd e v i c em o d e l w a si m p o r t a n ta n dw a n t e d b e c a u s eo ft h ev a r i e t ya n dc o m p l e x i t y , a tp r e s e n lt h e a m o u n to f h vm o d e l si sl i m i t e df o rp i cc o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) t h e r e f o r e ，i t i sn e c e s s a r ya n du r g e n tt oe s t a b l i s ht h es p i c em o d e l i n gf o rp i cc a d c o n v e n t i o n a ls p i c em o d e l i n go f h vd e v i c er e l i e so nt h es t a n d a r do f e l e m e n to f e q u i v a l e n tc i r c u i t ，t h ep r e c i s i o no fs i m u l a t i o n sr e l i e so nt h et o p o l o g i c a ls t r u o t b o f e q u i v a l e n tc i r c u i t m e a n w h i l e ，b e c a u s et h es t a n d a r de l e m e n to fe q u i v a l e n tc i r c u i tc a r n o tr e f l e c te x a c t l yt h ep a r t i c u l a r i t yo fi - i vd e v i c e ，8 0t h er e s u l to fs i m u l a t i o nc a n h a r d l ys a t i s f yt h er e q u e s to fp i cc a d t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sam e t h o d o l o g yf o r s p i c em a c r o - m o d e l i n go f h i g h v o l t a g el d m o s f i r s t , a c c o r d i n gt ot h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fd e v i c ea n db a s i cs e m i c o n d u c t o r t h e o r e t i c s , t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r so fl d m o sw e r eo b t a i n e dw i t ht h eh e l po f n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o r w a r e - m e d i c i s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e d l d m o sh a sal o w e ro n - r e s i s t a n c ew h i l em a i n t a i nh i g hb r e a k d o w nv o l t a g e s e c o n d , c o n s i d e r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fl d m o s ，t h ep h y s i c a lo p e r a t i o nm e c h a n i s m w a sa n a l y z e da n dt h e nc a p a c i t u n c e sp h y s i c a lm o d e lw a sp r o p o s e d , w h i c hc a nh e l p f o rl a r g es i g n a la n dt r a n s i e n td e v i c ea n a l y s i s t h i r d ，t h eo b t a i n e di - va n dc - vm o d e l s w o r ef i t t e db ym a t l a bu s i n gc h e b y s h e vt h e o r y ，w h i c hw a st h ef i r s tt i m es of a ra s w ek n o w a tt h ee n d , an e we q u i v a l e n tc i r c u i tm a c r om o d e lw a sp r e s e n t e dw h i c hc 锄 b ee m b e d d e di ns p i c es i m u l a t o r i tw a st e s t i f i e dt h a tt h ee l r o r sb e t w e e nm a t h e m a t i c 1 1 i 基于c h e b y s h e v 理论的高压l d m o s 器件s p i c e 宏模墅 m o d e l s p i c em a c r o - m o d e la n dm e d i c is i m u l a f i o na r ew i t h i n5 a n d1 0 s e p m t e l y t h r o u g ht h e s ew o r k , au n i v e r s a lm e t h o di sf o r m e dt os e tu pd e v i c e ss p i c e m a c r om o d e l t h i sm e t h o da l s oc a nb ee x t e n d e dt oh i g hv o l t a g ed m o sa n do t h e r s p e c i a ld e v i c e sf o rc a dd e s i g n i nh i g i lv o l t a g ei n t e g r a t e dc i r c u i t s k e y w o r d s ：p o w e ri n t e g r a t e dc k c u i t s ；l d m o s ；p h y s i c a lm o d e l ；m a t h e m a t i cm o d e l ； c h e b y s h e vt h e o r y ；m a t l a b ；s p i c em a c r o m o d e l 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 琶嫩硝诲其他教育桃构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均 巳在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：1 强嶙堤 签字日期： 如川年斗月a 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解l 整徽夫瞎有关保留、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。本人授权删蓊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) 学位论文作者签名：阀噼褒 导师签名： 酶善l 寺 签字日期：a 。d 年4 月扣日 签字日期： 旁叨 年斗月知日 学位论文作者毕业去向： _ t - 作单位：电话： 通讯地址： 邮编： 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 1 1 1 功率半导体器件的发展 功率集成电路及功率半导体器件是微电子技术中极其重要的方面。根据工作 特点及其应用领域的不同，功率集成电路可以分为两大类：高压集成电路 h v i c ( h i g hv o l t a g ep o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s ) 和智能集成电路s p i c ( s m a r tp o w e r i n t e g r a t , dc i r c u i t s ) 。前者是高压器件与起控制作用的传统逻辑电路和模拟电路的 单片集成；后者是由功率电子器件与控制电路、保护电路以及传感器电路等多功 能的单片集成。 随着集成电路飞速发展和广泛应用，功率半导体器件也具有很大的发展空间 并取得了较快的进步。2 0 世纪5 0 年代，第一只硅晶闸管诞生，产生了功率半导 体器件历史上的第一个高潮。6 0 年代后期，可关断晶闸管g t o 的出现实现了门 极可关断功能。到了7 0 年代中期，尤其是大功率晶体管和功率m o s f e t 的问世， 功率器件实现了场控功能，打开了高频应用的大门，从而逐步改交了整个功率半 导体器件的面貌。8 0 年代，绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 问世，它综合了功率 m o s f e t 和双极型晶体管两者的功能。它的迅速发展又激励了人们对综合功率 m o s f e t 和晶闸管两者功能的新型功率器件m o s f e t 晶闸管的研究。 功率半导体器件的性能对功率电子系统性能的改善起着重要的作用。二十世 纪五十年代由于引入双极功率晶体管，功率电子系统发生了以电子管为基础向以 半导体器件为基础的转交。到了二十世纪七十年代，随着m o s 功率器件的出现， 集成电路得到了飞跃式的发展。由于m o s f e t 是一种电压控制器件，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。所以基于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。同时，因为m o s f e t 是 单极型器件，不受少数载流予存储效益的影响，与存储电荷相关的延迟大大减小， 因此具有较高的开关速度和截止频率。根据电极引出情况和电流流向的不同，功 率器件可以分为横向功率器件和纵向功率器件。一般来说，纵向功率器件的电极 基于c h e b y s h e v 理论的高压l d m o s 器件s p i c e 宏模型 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，易于实现与低压电路及其他 器件的相互集成，因而可以用标准的c m o s 低压工艺实现将横向高压器件和低 压电路集成在同一芯片上，从而大大提高了集成度，并且横向器件的驱动电路也 很简单。正是由于上述优点的存在，横向功率器件得到了很快的发展。耳前国际 上横向功率器件主要有横向栅控晶闸管l m c t 、横向双极型晶体管l b j t 、横向 m o s f e t 结构以及其他混合结构。其中l d m o s 是横向高压功率m o s f e t 器件 的典型代表。也是高压集成电路中最早和最广泛使用的横向功率器件。本章将首 先阐述高压功率l d m o s 器件的结构特点，然后回顾了器件模型研究的进展，最 后阐述本论文的主要工作和研究意义。 1 1 2 功率l d m o s 器件的结构和特点 功率半导体器件大致可以分为三大部分【，即双极型器件为主的传统功率半 导体器件，以m o s f e t 和i c 为主的现代功率半导体器件，和在前两者基础上发 展起来的特大功率器件，如l d m o s 器件。 功率l d m o s 器件是由标准m o s 器件发展而来，在保留标准m o s 器件的速 度快、功耗小等优点的基础上增大了工作电压和电流从而提高了功率。与标准 m o s 器件相比，l d m o s 的结构主要有以下两个特点：沟道区由两次不同扩 散的结深来控制。即在同一窗口相继进行硼磷扩散，沟道长度可以通过两次杂质 扩散横向的结深之差来控制，因此沟道长度可以做的很小并且不受光刻精度的限 制。沟道和漏区之间增加了较长的低浓度n 一漂移区。长漂移区位于沟道和漏 端之间，因而大大削弱了器件的短沟效应，并减小了源漏之间的寄生电容，有利 于提高频率特性。同时由于漂移区的杂质浓度远远低予p 型沟道区，漂移区的电 阻远远大于沟道电阻，因而漂移区的存在大大提高了击穿电压。高阻漂移区承担 了大部分的源漏压降和功耗，因而设计的主要任务就是对漂移区结构参数的优 化，在第二章中将详细讲述漂移区结构参数的设计。 l d m o s 的栅、源和漏三个电极都在芯片的表面，易于通过内部的连接实现 与低压信号电路的集成。因此l d m o s 技术的发展使得功率器件和c m o s 控制 电路的集成成为可能，从而产生了功率集成电路( p o w e ri c ) 。l d m o s 器件的耐 2 第一章绪论 压和输出电流都比较大，具有较高的功率驱动能力，在功率集成电路中主要用于 实现功率驱动电路的功能。 同双极晶体管比较，l d m o s 在以下几个方面具有出众的性能： 1 ) 熟稳定性。由于l d m o s 的温度系数是负数，因此可以防止热耗散的影响， 不需要温度补偿措施。 2 ) 频率稳定。由于没有二极管结点，而且对应输入阻抗有更高的反馈电容率， l d m o s 比双极型更为稳定。 3 ) 更高的增益。由于l d m o s 在大电流范围内的跨导比较大并为常数，教线 性放大的动态范围较大，在较大功率输出时有较大的线性增益。这表明获得相同 的增益，l d m o s 器件只需要更小的放大器级联，从而获得更高的可靠性和更低 的成本。 4 ) 交调失真( m d ) 较小。l d m o s 有一个低且无变化的互调电平饱和区， 互调电平较低且不随功率电平的增加而变化。因此l d m o s 晶体管工作在高压大 功率条件下，线性度比较好。 5 ) 自动增益控制( a g e ) 能力更强。漏极电流( i d ) 和栅压( v g ) 之间的 关系使l d m o s 成为自动增益控制的理想器件。i d v b 特性从导通到饱和几乎都 呈线性，这表明l d m o s 器件的增益可以在较宽的功率电平范围内受到控制。通 常l d m o s 具有3 0 d b 或3 0 d b 以上的a g - c 范围，而双极型器件的a g e 范围大 约为1 5 d b 。 6 ) l d m o s 器件的功率密度较低，散热面积更大。而且l d m o s 不需要电气 隔离器，因而l d m o s 器件的热阻和双极型器件相比更低。 1 2 器件模型综述 随着v l s i 电路复杂度与集成度的日益增长，计算机辅助模拟软件已经成为 了电路设计与分析过程中必不可少的工具。集成电路专用模拟软件( s i m u l a t i o n p r o g r a m w i t h i n t e g r a t e d c i r c u i t e m p h a s i s ，s p i c e ) 便是一种电路设计中常用的计 算机辅助工具。 集成电路模拟器作为一种辅助工具，其作用能否正常地发挥，在很大程度上 取决于该模拟器中所运用的器件模型的准确度和简易程度( 计算效率) 。近年来， 3 基于c h e b y s h e v 理论的高压l d m o s 嚣件s p i c e 宏模型 人们在电子元器件建模领域展开了广泛地研究，并且取得了飞速的进展。进行电 子器件建模的目的，是为了能够准确地预测出电路设计中需要的、所有工作区域 中半导体元器件的电学特性表现。一般地，衡量模型的好坏有以下几个标准：准 确性、收敛性和适用范围。在建模过程中，一方面，考虑建立的模型应尽可能地 准确反映器件的特性；另一方面，为了确保模型的收敛，要求用于代表器件模型 的数学方程式必须是连续的，同时具有连续的一阶导数 2 1 ；而理想情况下，单独 一套模型就应该适用于所有的器件尺寸情况。然而由于计算效率和计算机存储器 所产生的综合要求，将限制电路模拟器所能采用的器件模型。显而易见，建立的 模型越精确，进行器件模拟所消耗的时间就会越多，因此在对模型的准确性进行 验证时，可以允许建立的器件模型有一定的误差范围。另外在保证准确性的同时， 还要给出模型的适用范围，只有在一定的范围中使用模型，才能得到准确合理的 结果。在建模过程中，兼顾以上各个方面以形成一个折衷的处理办法，一要确保 系统需求能够得到满足，二要正确恰当地使用模型。器件模型是电路设计中必不 可少的元素，能够正确反映器件特性的模型，将会极大地提高电路设计的可靠性、 缩短芯片设计周期。 器件模型从大的方面来说可以归纳为四种主要类型，即：物理模型、数值模 型、宏模型和经验模型。 1 2 1 物理模型 物理模型的模型方程直接来源于器件的物理特性，从器件的物理意义考虑， 通过求解半导体器件的物理方程，最终得出器件各个参数的特性。在计算物理模 型的同时需要考虑各种效应【3 刀，如迁移率、速度饱和、杂质浓度分布和材料特 性等。这种模型的优点是：模型物理概念清晰，物理建模过程与器件的几何结构 及电气特性直接相关，这样只要在建模过程中做出很小的变化，就可以预测出电 气特性，因而在测试结果之前能够准确预测器件的性能。模型的缺点是：技术具 有依赖性，需要大量的开发时间；同时由新的器件结构引起的影响效应经常要求 在现有模型的基础上做出修改，甚至需要重建一个新模型；另外物理模型难以应 用到电路模拟程序中，因而一般只用于预测器件的特性。 4 第一章绪论 1 2 2 数值模型 数值模型是采用数学上数值分析的方法来逼近或拟合器件特性。主要通过离 散和迭代的方法来求解半导体器件的基本物理方程，同时包含了各种边界条件。 数值模拟最典型的代表是m e d i c i 软件，m e d i c i 软件是a v a n t ! 公司发明的一个 通过对电势和载流子浓度进行建模来进行模拟二维器件特性的软件，通过求解泊 松方程( p o i s s o n se q u a t i o n ) 、电流连续性方程( c o n t i n u i t ye q u a t i o n ) 、载流子输运 方程( c a r d e rt r a n s p o r te q u a t i o n ) 等获得特定偏置下器件的电学特性，如器件中的 电势、载流子密度、电场分布和电流分布等。在m e d i c i 中主要通过网格的划分 和优化对方程进行离散化，从而求得方程的数值解嗍。这种建立数值模型的方法 适用范围比较广，对于各种不同种类、不同结构的器件均可以模拟，因而对于仿 真各种自定义结构的器件特性很方便。当然数值模型也有缺点：建模的时间比较 长，所涉及的知识面也比较广，不容易实现自动化建模，而且模型的精度也取决 于研究人员的专业水平。因此，数值分析模型主要用于分析模拟器中所需要的一 些参数，也可用于简单的电路仿真，但是电路仿真的速度很慢。 1 2 3 宏模型 宏模型是电子系统或其子系统、子网络的简化等效表示。它可以是一个等效 电路，也可以是一组数学方程式，一组多维数表，或者是能表达更复杂电路的某 种符号形式。宏模型的特点是可以保证在一定的精度范围内，其端口特性和原系 统( 或子系统) 的端口特性相同或近似相同，而其结构复杂程度明显下降，所含 电路元器件数和节点数也大为减小，从而大大降低了计算时间，并节省了对计算 机内存的要求，提高了程序运行的效率。如果根据需要采用专用的( 如交流小信 号或时域) 宏模型，电路规模还可以进一步减小。当一个集成电路中含有多个相 同的单元电路时，采用宏模型后所节省的计算时间和内存都将更为可观。上述特 点使宏模型技术成为解决大规模模拟集成电路仿真难题的较好方法。在所有成熟 的商品化电路设计工具软件中都包含一个很大的电路模型库，其中各种集成电路 芯片的模型就是采用宏模型技术设计的。模型库中模型是否完备成为工具软件是 否成熟、是否适用的重要标志。宏模型的种类很多，在不同的电路仿真工具中可 5 基于c k c b y s h e 、f 理论的高压l d m o s 器件s p i c e 宏模型 采用的宏模型种类是不一样的。最基本的有：等效电路宏模型和表格特性宏模型 两种。 等效电路宏模型。等效电路宏模型是由现有的普通标准元件搭建而成的 电路，用来描述器件的主要工作特性，不需要考虑器件的物理意义。模型中所利 用的元件都是标准的，在相应的电路模拟软件中都有较成熟的模型，通过改变这 些被调用的元器件的参数，便可以通过等效电路重现高压器件的电学特性。常用 的建立等效电路宏模型的方法有两种：简化法和构造法。 用简化法建立宏模型的过程如下：首先找出原器件中对器件性能指标起主要 作用的电学特性，用等效的元器件来代替，然后忽略原器件中对器件性能影响不 大的器件特性，使得器件模型得到简化。以n l d m o s 为例，很多文章都研究了 其等效电路模型【”1 1 。图1 给出了l d m o s 的简单等效电路模型【9 埘，该模型由 一个标准m o s 晶体管和电阻组成，其中m o s 晶体管用于模拟l d m o s 沟道区 的特性，常用的s p i c e 内置模型为l e v e l 3 和b s i m 3 模型。漂移区的特性等效 成一个电阻r 撇，将测试或仿真结果通过参数的提取带入到模型中，并计算等效 电阻，得到最终的模型。这些模型能够在电路仿真时重现n l d m o s 的电流特性。 g = f ( v o s ，v d s ) 图1 1l d m o s 简单等效电路模型 f i 昏l il d m o ss i m p l ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l 如果进一步考虑漂移区的结构和功能，还可以将漂移区划分成一个m o s 管和漂 移区电阻的串联1 1 1 。堋，如图卜2 所示，当然模型越复杂，仿真的结果越精确，但 所耗费的仿真时间也越多。如果要分析l d m o s 的频率特性，还要在模型中加入 寄生电容模型，如图l 一3 所示，图中，用舰1 和电阻r 埘n 来模拟漂移区的特性嘲， 6 第一章绪论 用电容c 抑c o s 来模拟频率特性，并用二极管d b b 来分析器件的击穿特性。由此 可见，等效电路模型的建立可以有很多种，在选择时要根据具体的电路分析要求 来选择合适的等效电路模型结构。 图1 2 改进的等效电路模型i f i g 1 - 2i m p r o v e de q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e li v d s ) o 咎f 驿r 图i - - 3 改进的等效电路模型 f i g 1 - 3i m p r o v e de q u i v a l e n t c i r c u i tm o d e li i v m ) 另一种建立等效电路宏模型的方法是构造法。所谓构造法就是将电路网络看 成是一个“黑箱子”，通过分析或实际测试的结果获得这个“黑箱子”的外部端口 的特性，然后利用一些理想电路元器件的组合来逼近其端口特性。建模过程不考 虑电路网络内部的结构情况和特性。具体流程图如l 一4 所示。 图l 一4 构造法建模流程示意图 f i g 1 - 4f l o wc h a r to fc o n s t r u c tm e t h o d 这种建模方法的特点是模型元器件可能与原电路完全不同，甚至可能没有实 际的物理意义。构造法建立的模型的构成不受原电路拓扑结构的约束，因而往往 比用简化方法得到的宏模型有更大程度的简化，该方法能够对功率器件以及其它 7 m 即 i | 铲 n ，a w fr副 基于c h e b y s h e v 理论的高压l d m o s 器件s p i c e 宏模型 特殊结构的器件进行模拟瞄】。使用该模型便于实现建模的规范化和程序化，容 易实现自动化建模。该方法能够和s p i c e 相兼容，而且建模本身也不复杂，因此 具有广泛的应用前景。 本文建立l d m o s 器件宏模型的方法综合使用了简化法和构造法这两种方 法，首先利用简化法，主要考虑l d m o s 器件的直流特性和寄生电容效应，忽略 了寄生晶体管效应、击穿电压特性等因素的影响，建立等效电路宏模型。然后用 构造法建立了器件的i v - - 维特性曲线，以及电容c 和栅压v g s 和漏压v v s 的关系 表达式。 表格宏模型。表格宏模型不包括任何电路元件，它将不同偏压点和不同的 器件几何构型情况下的器件电流数据存储在一个表格中口q ，表格中没有的数据 可以通过插值的方法得到。这种模型建立时间比较短，技术独立，建模过程容易 实现规范化和程序化，缺点是它不反映任何的物理概念，未对器件的工作特性进 行深入的剖析。同时，如果要求的精度比较高，所需的存储量会很大。 所有成熟的商品化电路设计工具软件中都包含一个很大的电路模型库，模拟 集成电路的宏模型。实际构成的宏模型往往并不限于某一类，而是几种类型的组 合，选取哪种方法设计宏模型，在很大程度上取决于仿真器支持的模型种类。关 于宏模型的设计方法已经有不少研究成果，但不论怎样建立宏模型，都应遵循以 下几个基本要求：能准确地仿真原电路的主要特性；宏模型本身的电路结构要尽 可能简单；建立宏模型的过程要尽可能简化。 1 2 4 经验模型 经验模型是指从仿真或测量数据中提取模型参数，然后用一些简单的模型方 程来代表器件，如文献郾之7 1 介绍了u ) m 0 s 电容的经验模型。其精度取决于测量 数据的精度及其数学表达式的形式。相对查找表模型，需要的数据存储量较小。 与其它的建模方式相比，模型开发的时间更短。但是模型不是很精确，它的技术 独立性较差，纯经验模型在电路模拟器中很少使用。 8 第一章绪论 1 3 建立高压l d m o s 器件模型的方法 要建立高压l d m o s 器件的s p i c e 模型，首先必须要明确建模的具体思路。 本论文采用的是一种混合建模的方法，它是上述各种建模方法的综合，包括物理 模型、数值模型和宏模型等。具体思路如下： 首先，确定器件的结构和工艺参数。不同的结构和工艺参数会产生不同的模 拟结果，以及最终模型的形式。 其次，使用数值模拟软件m e d i c i 对选定的器件结构进行电学特性分析，根 据模拟的数据和结果，提取电学特性的参数，如伏安特性曲线i d s - v d s ，电容曲线 c _ v 。当然这些参数也可通过流片后的测试结果获得。 再次，根据m e d i c i 软件提取的电学参数，选择适当的数学模型对参数进行 拟合。在拟合的过程中，一方面要考虑选择的模型是否合理，是否满足器件物理 的连续性，是否满足s p i c e 的语法结构的要求等；另一方面还要保证拟合结果的 准确性，不能使得拟合结果和m e d i c i 数值计算的结果误差太大。 最后，利用s p i c e 中提供的语句完成数学模型在s p i c e 中的嵌入，结合s p i c e 内置元件，便可完成整个s p i c e 宏模型的建立。 当器件的结构和工艺参数改变时，只需要改变拟合函数的形式、系数就可以 重新建立其s p i c e 的宏模型，具有很好的通用型。具体流程图如图1 - 5 所示。 图1 5l d m o s 的s p i c e 宏模型建立流程 f i h l - 5h o wc h a r to f e s t a b l i s h i n gt h es p i c em a c r o - m o d e lo f l d m o s 9 基于c h e b y s h e v 理论的高压l d m o s 器件s p i c e 宏模型 1 4 本论文的主要工作和意义 1 4 1 论文选题的意义 由于l d m o s 器件结构的多样性和复杂性，使得器件的建模非常复杂，因而到 目前为止还没有一套能够完全商用化的高压器件模型，现有的一些高压器件模 型，如p h i l i p 公司的m o sl e v e l 3 0 0 2 和l e v e l 3 1 0 0 器件模型嘲，以及一些芯片制造 商提供的l d m o s 器件模型，都只是在某一标准结构下建立和适用的，这些模型不 支持自主开发的特殊结构，不够成熟和完善。而且价格也比较贵，不容易获得。 而器件模型是电路设计中必不可少的重要因素，能够正确反映高压l d m o s 器件特 性的模型，将会大大提高电路设计的可靠性，缩短芯片的设计周期。因此建立 l d m o s 的模型对功率集成电路的设计具有重要的实际意义。 1 4 2 论文内容的安排 第一章，阐述了高压l d m o s 器件的结构及特点，回顾了高压器件模型发展 的历程，根据不同高压器件的建模方法，分别提出了它们的优缺点以及适用的范 围。针对l d m o s 宏模型的建立，综合各种建模方法，提出混合建模的方案。 第二章，从器件的静态特性出发，依据器件在满足一定的击穿电压前提下， 具有较低的导通电阻的要求，利用础e d i c i 数值模拟软件，并结合半导体理论， 优化和设定了l i ) m o s 器件的各种结构参数。 第三章，从器件的动态特性出发，深入分析了器件的物理工作机理，建立了 高压l d m o s 器件的寄生电容的物理模型，并通过模拟各个结构参数对栅漏电容 的影响，迸一步验证了模型的正确性，为器件的大信号、瞬态分析提供了依据。 第四章，在上述分析的基础之上，首次将切比雪夫多项式逼近的方法用于建 立器件i v 和c - v 特性的数学模型，大大提高了模型的准确性。并利用数学工 具m a t l a b 计算模型的最优系数，把器件的电学行为转化为利用数学方程式表 达的形式，为最终建立s p i c e 宏模型作准备。 第五章，针对本文中的l d m o s 器件的结构提出了新的等效电路宏模型， 将描述等效电路中的i - v 和c - v 特性的数学方程式嵌入s p i c e 模拟器中，解决 i o 第一章绪论 了模型和s p i c e 之间的兼容问题，最终建立起高压l d m o s 器件的s p i c e 宏模 型，并将模型应用到具体的电路中验证模型的正确性。 第六章，总结了论文的主要工作和研究成果，展望了高压器件建模的发展方 向，对应用于高压电路仿真的模型提出了更进一步的方向。 基于c h c b y s h e v 理论的高压l d m o s 器件s p i c e 宏模型 第二章高压l d m o s 的结构参数设计 一般地，一个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态特性：在 阻断状态能承受高压；在导通状态时，具有高电流密度和低导通压降；在开关状 态转换时，具有快的开、关速度，能承受高的d i d t 和d v d t ；控制器件需要的功 率尽可能低等圆。根据以上要求，本章通过理论计算和m e d i c i 仿真相结合，针对 器件的静态特性，设计了高压l d m o s 器件的结构参数。并将在下一章介绍器件的 动态特性。 2 1 器件结构设计 在等离子显示屏p d p ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 选址驱动芯片中，需要一些用 于高压、大电流的高压晶体管去驱动和激发等离子显示屏工作。随着显示屏技术 的不断提高，对选址驱动芯片的高压要求已经由最初的1 5 0 v 、1 2 0 v 下降到1 0 0 v 、 8 0 v 甚至更低( 5 0 v ) ，饱和电流为4 0 m a 啪1 。高压晶体管设计的好坏将直接影响芯 片性能的优劣，这里选用的高压器件是高压功率l d m o s 。 图2 1n l i 瑚0 s 结构纵向剖面示意图 r i g 2 1c r o s s - s e c t i o n a lv i e wo f al d m o s t r a n s i s t o r 本文选用的n 沟道l d m o s ，其基本结构如图2 1 所示，其中a b 为栅极板， b c 为场极板。为了增加击穿电压，在有源区和漏区之问有一个漂移区。l d m o s 中的漂移区是该类器件设计的关键，漂移区的杂质浓度比较低，因此，当l d m o s 1 2 第二章高压l d m o s 的结构参数设计 接高压时，漂移区由于是高阻，能够承受更高的电压。图2 一l 所示l d m o s 的多 晶硅扩展到漂移区的场氧上面，充当场极板，会弱化漂移区的表面电场，有利于 提高击穿电压。场极板的作用大小与场极板的长度密切相关 3 h 。为了使得器件可 以满足要求，必须调整正确的结构参数。 2 2p n 结击穿机理 在l d m o s 功率器件中主要是雪崩击穿。在漏端电压作用下p 沟道n 漂移区 形成的p n 结反向偏置，流过p n 结的反向电流，主要是由p 区扩散到势垒区中的电 子电流和由n 区扩散到势垒区中的空穴电流所组成。当反向偏压很大时，势垒区 中的电场很强，在势垒区内的电子和空穴由于受到强电场的漂移作用，具有很大 的动能，它们与势垒区内的晶格原子发生碰撞时，能把价键上的电子碰撞出来， 成为导电电子，同时产生一个空穴。从能带论的观点来看，就是高能量的电子和 空穴把满带中的电子激发到导带，产生了电子一空穴对。电子和空穴在强电场作 用下，向相反的方向运动，还会继续发生碰撞，产生第三代的电子一空穴对。如 此继续下去，载流子就大量的增加，从而产生载流子的倍增效应。由于倍增效益， 使势垒区单位时间内产生大量载流子，迅速增大了反向电流，从而发生p n 结击穿。 p n 结的反向电流随反向电压v 平方根的增加而增加。但随着v 的增加，耗 尽区的电场强度也随之增加，当电场达到临界电场e c 时，若反向电压再增加， 会使电流急剧增加，这时p n 结就达到了击穿状态。因此判断p n 结是否击穿主 要看临界电场强度e c ，设计时可以认为p n 结在电场强度达到e c 时就可判定为 击穿，以临界电场为判定指标给器件设计带来很大的方便。 根据上述分析的临界电场规律，归结到指导具体设计技巧就是防止结击穿就 首先要防止结最大电场强度大于l l 缶界电场e c ，要满足设计需要的最大击穿电压值 就要尽可能的电场分布的更均匀，分布范围越宽越好，重点防止电场尖峰的出现。 此后的许多器件优化工作的直接目的就是减小电场峰值。 p n 结的击穿电压可表示为： b 2 等丧+ 寺 上式中，n a 和n d 分别为p 区* n n 区的掺杂浓度。该方程表明， ( 2 一1 ) 无论是n 型还是 基于c h e b y s h c v 理论韵高压l d m o s 器件s p i c e 宏模型 p 型的任何杂质浓度的增加都会导致击穿电压b v b r 降低。在l d m o s 器件结构 中，沟道p 区的掺杂远远高于漂移区的掺杂，因此击穿电压主要由n - 漂移区 浓度决定，且与n d 成反比。通常，对中等掺杂的硅( 1 0 1 4 - - 1 0 1 6 9 m 弓) ，它的 临界电场强度e 。g 0 4 x 1 0 5 v c m 3 2 1 ，作为一级近似，e 。与掺杂浓度无关。 2 3 漂移区参数设计 对l d m o s 而言，漂移区的参数是其最重要的特性参数。l d m o s 之所以能 够耐高压，是因为漂移区承担了大部分的压降，因此漂移区的设计至关重要，漂 移区的好坏决定了器件耐压、导通电阻、功耗等很多重要的性能。高压d m o s 器件耐压和导通电阻取决于漂移区阱掺杂浓度、结深及漂移区长度的折中选择， 因为耐压和导通阻抗对于漂移区的长度、浓度和厚度的要求是矛盾的。可以通过 增加漂移区的长度以提高击穿电压，但是这会增加芯片面积和导通电阻。高的击 穿电压要求厚的轻掺杂外延层和长的漂移区，而低的导通电阻则要求薄的重掺杂 外延层和短的漂移区，因此必须选择最佳外延参数和漂移区长度，以便在满足一 定的源漏击穿电压的前提下，得到最小的导通电阻。本文使用m e d i c i 软件仿真 和理论分析相结合的方法对漂移区具体结构参数进行设计。漂移区的主要参数有 漂移区长度l d ，漂移区浓度n a r m ，漂移区结深t d 曲，场板长度l p 。 2 3 1 漂移区长度 模拟选择衬底浓度为l e l5c m - 3 ，漂移区表面浓度峰值为3 5 e 1 6c m - 3 ，界面 固定电荷为l e l o e m - 2 ，沟道浓度为l e l t c m - 3 ，场极板长度为3 5 呻1 ，漂移区结 深为2 5 p m 。改变漂移区长度，可以得到下面的击穿电压和