功率MOSFET模型的建立

1、1. 功率功率MOSFET結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 可控功率電子器件主要分兩大類：一類是電平觸發(fā)的功率電子器件，只要在器件的控制端的電平保持正向偏置，器件就處于開通狀態(tài)，這類器件有、GTR、IGBT等；另一類是脈沖觸發(fā)的功率電子器件，器件控端受到正向脈沖的觸發(fā)而導(dǎo)通，器件的關(guān)斷要么器件的主電極反向或在器件控端加以反向脈沖，這類器件有SCR、GTO等。MOSFET是屬于電平觸發(fā)的功率電子器件。2.5.1 功率功率MOSFETMOSFET結(jié)構(gòu)與特性結(jié)構(gòu)與特性 MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Fiele-Effect Transistor）是一種單極性器件。功率MOSFET具有較高

2、的開關(guān)速度；非常低的門驅(qū)動(dòng)功率；容易并聯(lián)；沒有雙極型晶體管的二次擊穿的現(xiàn)象。LDSGPUGSUDSNN一個(gè)普通一個(gè)普通MOSFETMOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 制造功率MOSFET的關(guān)鍵，主要是解決大電流和高電壓問題，以提高器件的功率處理能力對比MOSFET與雙極型器件（如GTR）的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)后者首先在功率領(lǐng)域獲得突破的原因主要有三點(diǎn)： 1) 發(fā)射極和集電極是安置在基區(qū)的兩側(cè)，電流是流過面積很大而厚度較薄的基區(qū)，因而可以參照GTR等功率器件，制造為垂直導(dǎo)電模式，電流容量可以很大； 2) 為了提高耐壓，在集電區(qū)中加人了一個(gè)輕摻雜N-型區(qū)，使器件耐壓能力大為改善； 3) 基區(qū)寬度的控制是靠雙重

3、擴(kuò)散技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，尺寸控制嚴(yán)格準(zhǔn)確，適宜于各種功率要求的設(shè)計(jì)。 VVMOSFET和和UMOSFET基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 電場集電場集中，不中，不易提高易提高耐壓。耐壓。功率功率MOSFETMOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 胞元并聯(lián)結(jié)RDS小，可達(dá)m。 垂直導(dǎo)電VD，面積大，電流大； 無電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，UDSS較GTR大。 輕摻雜，電阻率大，耐壓高； 溝道短D-S間U、R、C均??；(1) 靜態(tài)特性靜態(tài)特性靜態(tài)特性主要指功率MOSFET的輸出特性、飽和特性和轉(zhuǎn)移特性。與靜態(tài)特性相關(guān)的參數(shù)主要有通態(tài)電阻Ron、開啟電壓VGS(Th)、跨導(dǎo)gm。最大電壓額定值BVDS和最大電流額定值IDM等。A輸出特性輸出特

4、性 B飽和壓降特性飽和壓降特性 由于功率MOSFET是單極型器件，不像GTR、SCR及GTO那樣具有載流子存貯效應(yīng)，因而通態(tài)電阻較大，飽和壓降也較高，使導(dǎo)通損耗大。為了降低通態(tài)電阻，在設(shè)計(jì)上要采取一些相應(yīng)的措施。但是，MOSFET的通態(tài)電阻總是要比GTR、SCR及GTO的通態(tài)電阻大。 C轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性 柵源電壓VGS漏極電流ID之間的關(guān)系稱為轉(zhuǎn)移特性。下圖為功率MOSFET在小信號(hào)下的轉(zhuǎn)移特性。圖中特性曲線的斜率DID/DVGS即表示功率MOSFET的放大能力，因?yàn)樗请妷嚎刂破骷?，所以用跨?dǎo)參數(shù)gm來表示，跨導(dǎo)gm的作用與GTR中的電流增益相似。 (2) 靜態(tài)參數(shù)靜態(tài)參數(shù) A通態(tài)電阻通態(tài)電

5、阻Ron Ron=rCH+rACC+rJFET+rD 功率功率MOSFET通態(tài)電阻分布示意圖通態(tài)電阻分布示意圖 rCH 反型層溝道電阻rACC 柵漏積聚區(qū)電阻 rJFET FET夾斷區(qū)電阻rD 輕摻雜漏極區(qū)電阻Ron與溫度的關(guān)系 1. Ron與溫度非常敏感2. 易于并聯(lián)3. 電壓等級(jí)越高影響越大Ron與漏極電流的關(guān)系 Ron與柵源電壓的關(guān)系 電壓等級(jí)越高rD對Ron的影響越大 對于高耐壓功率MOSFET，為了滿足電壓設(shè)計(jì)的需要，其漂移區(qū)的雜質(zhì)濃度較低，所用的外延層較厚。當(dāng)導(dǎo)電溝道充分強(qiáng)化之后，其總的通態(tài)電阻Ron主要決定于漂移區(qū)電阻rD。利用漏源之間的擊穿電壓BVDS與漂移區(qū)雜質(zhì)濃度和厚度的關(guān)

6、系，以及漂移區(qū)電阻與其雜質(zhì)濃度和厚度的關(guān)系，可以將功率MOSFET的通態(tài)電阻表示成擊穿電壓的函數(shù)，即 式中，A代表芯片面積。若其單位用mm2，BVDS的單位用V，則Ron的單位是。于是，我們可以很方便地利用器件的電壓額定來估計(jì)它的通態(tài)壓降VDSIDRDS或功耗ID2RDS。 ABVRDSon5 . 27103 . 8B開啟電壓開啟電壓VGS(Th) VGS(Th)與溫度的關(guān)系 C跨導(dǎo)跨導(dǎo)gm 小信號(hào)跨導(dǎo)gm與柵壓VGS的關(guān)系曲線 D漏極擊穿電壓漏極擊穿電壓BVDS BVDS-Tj關(guān)系 E柵源擊穿電壓BVGS 對柵源擊穿電壓BVGS是為了防止絕緣柵層會(huì)因柵源電壓過高而發(fā)生介電擊穿而設(shè)定的參數(shù)。M

7、OSFET處于不工作狀態(tài)時(shí)，因靜電感應(yīng)引起的柵極上的電荷積累將有可能擊穿器件一般將柵源電壓的極限值定為20V。 F最大漏極電流IDM 最大漏極電流IDM表征功率MOSFET的電流容量，其測量條件為：VGS=10V,VDS為某個(gè)適當(dāng)數(shù)值。功率MOSFET極間電容分布及其等效電路 A極間電容極間電容 (3) 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性極間電容與極間電容與VDS成反比，成反比，因此高耐壓器因此高耐壓器件不應(yīng)應(yīng)用在件不應(yīng)應(yīng)用在低壓電路中。低壓電路中。B柵極電荷特性柵極電荷特性 柵源電壓時(shí)間曲線 Miller電容靜態(tài)下很小，動(dòng)態(tài)值最高可以達(dá)到CGS的20倍以上，因此需要比手冊中提供的Ciss更多的充電電荷。柵電荷

8、曲線（恒流充電） CGD充電電荷隨充電電荷隨外電路不同而外電路不同而不同。不同。開關(guān)時(shí)間與漏極電流關(guān)系曲線 驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電阻如何計(jì)算？C開關(guān)過程D源漏二極管特性源漏二極管特性 由于功率MOSFET中專門集成一個(gè)反并聯(lián)二極管，用以提供無功電流通路。所以當(dāng)源極電位高于漏極時(shí)，這個(gè)二極管即正向?qū)āＳ捎谶@個(gè)二極管成為電路的重要組成部分，所以手冊中都給出它的正向?qū)▔航?即VSD)和反向恢復(fù)時(shí)間trr的參數(shù)值。 E漏源極的漏源極的dv/dt耐量耐量 功率MOSFET內(nèi)部存在著一個(gè)寄生三極管，它的集電極與基極間的電容CCB和基射電阻RBE相連接。當(dāng)漏源極間出現(xiàn)較高的電壓變化率dvDS/dt時(shí)，在電容

9、CCB中會(huì)產(chǎn)生位移電流iB其值為iB=CCBdvDS/dt 該位移電流iB流入寄生三極管基極，在iB值達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，有可能使寄生三極管導(dǎo)通，進(jìn)而使功率MOSFET的耐壓能力受到破壞。但在一般情況下由于電阻RBE值很小，不致出現(xiàn)這種嚴(yán)重情況。 由于功率MOSFET的開關(guān)頻率很高，若帶電感負(fù)載運(yùn)行時(shí)必然使器件在關(guān)斷過程中承受很高的再加電壓。在這種情況下功率MOSFET有可能出現(xiàn)電壓和電流同時(shí)為最大值的瞬態(tài)工況，使器件因承受很大的瞬時(shí)功率損耗而遭受損壞。此外，與靜態(tài)dvDS/dt的效應(yīng)相同，過高的dvDS/dt會(huì)經(jīng)反饋電容Crss耦合到柵極上，致使正在關(guān)斷的功率MOSFET再次誤開通。 二極管反向

10、恢復(fù)期內(nèi)決定的漏源極的電壓上升率dvDS/dt，稱之為二極管恢復(fù)dvDS/dt。這也是一種動(dòng)態(tài)dvDS/dt。 反向恢復(fù)特性體二極管DSBRNNN一個(gè)單細(xì)胞功率一個(gè)單細(xì)胞功率MOSFETMOSFET 一個(gè)單細(xì)胞功率一個(gè)單細(xì)胞功率MOSFETMOSFET的等效電路的等效電路 體二極管DSNNNG寄生節(jié)型磁效應(yīng)管MOSFET橫向PN N溝道功率溝道功率MOSFETMOSFET的模型的模型 1. 1. 功率功率MOSFETMOSFET的模型電路的模型電路 結(jié)型場效應(yīng)晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)型場效應(yīng)晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2. 2. 模型參數(shù)的提取模型參數(shù)的提取 1）橫向）橫向MOSFET參數(shù)的提取參數(shù)的提取主要涉及

11、主要涉及轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線，在曲線上特性曲線和輸出特性曲線，在曲線上確定本征跨導(dǎo)參數(shù)確定本征跨導(dǎo)參數(shù)KP、門檻電壓、門檻電壓UT、源極電阻、源極電阻RS等。等。2）縱向）縱向JFET參數(shù)的提取參數(shù)的提取漏電阻漏電阻Rd、門檻電壓、門檻電壓UTO、電流增益、電流增益Bt、飽和電流、飽和電流IS等。等。3）體二極管參數(shù)的提取）體二極管參數(shù)的提取結(jié)電容結(jié)電容Cj0、恢復(fù)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間Tr、飽和電流、飽和電流IS1、體電阻、體電阻RS1等。等。4）其他參數(shù)）其他參數(shù)Cgd、Ca、Cgs由電容電壓特性曲線得到；由電容電壓特性曲線得到；Ubreak功率功率MOSFET的擊穿電壓。的擊穿電壓。功率功

12、率MOSFETMOSFET的子電路模型的子電路模型3. 3. 仿真結(jié)果仿真結(jié)果2.6.1 IGBTIGBT結(jié)構(gòu)與特性結(jié)構(gòu)與特性 IGBT按緩沖區(qū)的有無來分類，緩沖區(qū)是介于P+發(fā)射區(qū)和N-飄移區(qū)之間的N+層。無緩沖區(qū)者稱為對稱型IGBT，有緩沖區(qū)者稱為非對稱型IGBT。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)不同，因而特性也不同。非對稱型IGBT由于存在N+區(qū)，反向阻斷能力弱，但其正向壓降低、關(guān)斷時(shí)間短、關(guān)斷時(shí)尾部電流??；與此相反，對稱型IGBT具有正反向阻斷能力，其他特性卻不及非對稱型IGBT。由于目前商品化的IGBT單管或模塊大部分是非對稱型IGBT，所以本課程就以具有緩沖區(qū)N+的IGBT進(jìn)行討論。 1700V/1200A

13、 ， 3300V/1200A IGBT 模塊模塊Powerex CM300DY-24H4x IGBT4x Diode 一一. . 非對稱型非對稱型IGBT的物理描述的物理描述 電導(dǎo)調(diào)制電導(dǎo)調(diào)制 反向阻斷反向阻斷雙載流子參與導(dǎo)電雙載流子參與導(dǎo)電二二. . 導(dǎo)通特性導(dǎo)通特性 IGBT的開通和關(guān)斷時(shí)由柵極電壓來控制的，當(dāng)柵極加上正向電壓時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為PNP晶體管提供基極電流，進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。此時(shí)，從P+區(qū)注入到N-區(qū)的空穴（少數(shù)載流子）N-區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N-區(qū)的電阻Rdr，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)電壓特性，在柵極上施加反向電壓后，MOSFET的溝道消除，PNP晶體

14、管的基極電流被切斷，IGBT即被切斷。 作為一個(gè)虛擬達(dá)林頓電路末級(jí)，PNP管從不進(jìn)入深飽和區(qū)，它的電壓降比處于深飽和區(qū)的同樣PNP管要高。然而特別應(yīng)該指出的是：一個(gè)IGBT發(fā)射極覆蓋芯片的整個(gè)面積，因此它的注射效率和通態(tài)壓降比同樣尺寸的雙極晶體管要優(yōu)越得多。三三. . 靜態(tài)特性靜態(tài)特性 VdsIDVthVRMVGS(th)VgsIDVdsIDonoff(a)(b)(c)當(dāng)IGBT關(guān)斷后，J2結(jié)阻斷正向電壓；反向阻斷電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無N+緩沖區(qū)，正、反向阻斷電壓可以做到同樣水平，但加入N+緩沖區(qū)后，伏安特性中的反向阻斷電壓只能達(dá)到幾十伏，因此限制了IGBT在需要阻斷反向電壓場合的應(yīng)用。 V

15、VVI RDS onJbDon1與普通達(dá)林頓電路不同，流過等效電路中MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。 式中VJ1為J1結(jié)的正向電壓，其值約為0.71V；Vb為擴(kuò)展電阻Rb上的壓降；Ron為溝道歐姆電阻。 IIIDSMOSPNPMOS1PNPMOSI與功率MOSFET相比，IGBT通態(tài)壓降要小得多，1000V的IGBT約有25V的通態(tài)壓降。 因?yàn)楦邏篒GBT中的PNP小于1，所以PNP晶體管的基區(qū)電流，也即MOSFET的電流構(gòu)成IGBT總電流的主要部分。這種不均衡的電流分配是由IGBT的結(jié)構(gòu)所決定的。 四四. . 動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性 IGBT動(dòng)態(tài)特性 iCtt1 1t2 2t3 3

16、t4 4USTuGEUGEM0.1UGEMICM0.9ICMtONtOFF0.1ICM0.9UGEMuCEMOSONGTRONMOSOFFGTROFFt鉗位效應(yīng)鉗位效應(yīng)：G-E 驅(qū)動(dòng)電流 二極管正向特性拖尾電流拖尾電流MOS已經(jīng)關(guān)斷，IGBT存儲(chǔ)電荷釋放緩慢IGBT的擎?。ǖ那孀。↙atch）效應(yīng)）效應(yīng)GCERNRPSCR 靜態(tài)擎住靜態(tài)擎住 動(dòng)態(tài)擎住動(dòng)態(tài)擎住 過熱擎住過熱擎住P區(qū)體電阻區(qū)體電阻RP引發(fā)擎住引發(fā)擎住關(guān)斷過急關(guān)斷過急位移電流位移電流ECEJidtduCCJPN結(jié)電容RG 不能過小，限制關(guān)斷時(shí)間。RP 及PNP、NPN 電流放大倍數(shù)因溫度升高而增大。（150時(shí)ICM降至1/2）IGB

17、T的通態(tài)特性的通態(tài)特性ccesonIURIGBT的電流容量的電流容量 最大連續(xù)電流最大連續(xù)電流 IC506012018030024075100125150CTc/AIC/CTjm15025CTAICC125250 最大脈沖電流最大脈沖電流 ICM 最大開關(guān)電流最大開關(guān)電流 ILMCCMoncIImstCT)(;32125規(guī)定條件下，可重復(fù)開關(guān)電流的最大值。規(guī)定條件下，可重復(fù)開關(guān)電流的最大值。CLMgeoncIIVUHLCT).(.;51211520125 允許短路電流允許短路電流 ISC52004006001k80010152025VUge/05AISC/stSC/SCI10201525SCt

18、VUCTCEc700125CSCII)(54GSDN-P+P+N+becCdsjCmCbejCebdRbCoxdCoxsCgdj耗盡層Ccer緩沖層N+ Rb厚基區(qū)調(diào)制電阻 Coxd柵漏重疊氧化電容 Cm源極金屬層電容 Coxs柵源重疊氧化電容 Cgdj柵漏重疊耗盡電容 Cdsj漏源重疊耗盡電容 Ccer集射再分布電容 Cebd射基擴(kuò)散電容 Cebj射基耗盡電容 柵源電容Cgs=Cm+Coxs 柵漏電容CgdCgdj Coxd/( Cgdj+ Coxd) 1. 柵源電容柵源電容Cgs 從圖2-4中可以看出，柵極和源極金屬層之間有一等效源極金屬層電容Cm；同時(shí)存在一柵源重疊氧化電容Coxs，而且

19、兩者以并聯(lián)的方式同時(shí)影響著柵源之間的電容特性，由于Cm與Coxs的動(dòng)態(tài)特性相當(dāng)穩(wěn)定，所以 Cgs=Cm/Coxs =Cm+Coxs可知Cgs可近似為一靜態(tài)穩(wěn)定電容。 2. 柵漏電容柵漏電容Cgd 由于IGBT的物理工藝特性，柵極與漏極之間始終存在一個(gè)穩(wěn)定的線性電容柵源重疊氧化電容Coxd；在IGBT工作狀態(tài)下，隨著Vce的增加，在源極（P+區(qū)）和柵極（N-區(qū)）下方，會(huì)產(chǎn)生一耗盡層( Depletion Region ) 如圖2-4所示，該耗盡層即可等效為柵漏耗盡層重疊電容Cgdj，而Cgdj與Coxd串聯(lián)構(gòu)成了柵漏電容Cgd。因此，當(dāng)IGBT未開通時(shí)，耗盡層電容Cgdj等于零，此時(shí)Cgd=Co

20、xd，當(dāng)IGBT開通時(shí)，耗盡層產(chǎn)生，直至穩(wěn)定，因此Cgdj等效為一非線性電容，影響著柵漏電容Cgd的大小。 CCCCCCgdoxdoxdgdjoxdgdj/()當(dāng)時(shí)當(dāng)時(shí)VVVVVVdsgsthdsgsth3. 集射再分布電容Ccer 集射再分布電容 Ccer是由基區(qū)與集電區(qū)邊界條件中的電荷分布所引起的，其動(dòng)態(tài)特性主要決定于集基耗盡電容Cbcj且與之成比例，而Cbcj由于其形成原因同Cdsj相同，因此包含在MOSFET模型中。集基耗盡層的寬度與Cbcj成反比，當(dāng)集基間電壓增加時(shí)，集基間耗盡層的寬度Wbcj也隨之增加， CWWQQCcereffBbcj22其中，W是是N區(qū)與等效BJT基集耗盡層寬度

21、差，而Weff是基區(qū)載流子流通有效寬度，通常情況下，兩者的比值大約為0.334。實(shí)際中，基區(qū)多子電荷數(shù)Q要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于P+襯底電荷數(shù)QB，因此在IGBT關(guān)斷時(shí)輸出電容中分布電容Ccer占主導(dǎo)地位。而在IGBT開通時(shí)由于Q的值為零，因此此時(shí)的輸出電容要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于關(guān)斷時(shí)的輸出電容。在射基區(qū)之間沒有緩沖區(qū)時(shí)，Q及QB可以表示為： 其中，P0表示等效BJT中靠發(fā)射極側(cè)基區(qū)末端載流子密度。 QqAWP02/QqAWNBscl4. 等效射基電容等效射基電容Ceb由圖2-4中可知，等效BJT射基擴(kuò)散電容Cebj及射基耗盡電容Cebd串聯(lián)構(gòu)成了Ceb。在IGBT實(shí)際工作狀態(tài)下，當(dāng)射基PN結(jié)反偏時(shí)，Cebj占主導(dǎo)地位

22、，而當(dāng)射基PN結(jié)正向偏置時(shí)，Cebd占主導(dǎo)地位。通常我們以電容兩端電壓特性來代替電容特性：對于Cebj：對于Cebd： VQQqNAebjbiBsi0 6222.() /()VkTqPnNNPDPNNebdiBBcncBBln ()()ln02001VVVVVebebjebjebdebdmin(,)當(dāng)當(dāng)當(dāng)QQQQQbibi005. 溝道調(diào)制電阻溝道調(diào)制電阻Rb溝道調(diào)制電阻是IGBT中所特有的特性，它的存在使得IGBT關(guān)斷尾部電流得到了抑止，使得關(guān)斷速度能夠加以提高，使其具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)特性。但是這又和器件開關(guān)時(shí)的能量損耗有著直接的關(guān)系，同時(shí)，由于IGBT自身的散熱問題，也使得器件設(shè)計(jì)者們必須選擇

23、一個(gè)擇中的方案。若是以Q表示所有載流子的電荷總和，那么： 其中， 式中 eff為有效雙極變化率 m2/Vs，neff為N-區(qū)有效摻雜濃度 m-3。RWqANWqAnbncBeffeff/()/()當(dāng)當(dāng)QQ00effncpcBQQQ/()WWWLbcjnWLNPhWLhNPhWLWLNPhWLWLeffBBB222202220220csc()arctancsc()tanh()csc ()tanh()一. 目前國內(nèi)外IGBT模型的發(fā)展概況 GCgdIcgdCgsImosIcdsIp w()VcbSCdsD+IGBT的數(shù)值模型 各電流源是通過對器件的數(shù)值分析而得到的數(shù)值模型。各級(jí)間的非線性電容都以一

24、線性電容和一電流源( Icgd, Icds )并聯(lián)或一非線性電壓源所表示。同時(shí)，等效MOSFET中溝道電流以Imos所表示，等效BJT中集電極-發(fā)射極電流以Ip(w)表示。 IcssIcdsdQdsdtIcgsdQgsdtCgsCdsjmosIDGSCcerCebRbIbssCgdIcdgCgddVdgdtIccerCcerdVecdtImult精確的IGBT子電路模型基于IG-SPICE ImDIbs2Ibd2Ibd1Ibs1RDRgRdCgdCgsCjdCjsGSIqD1D3D4D2D5簡單的IGBT子電路模型 基于PSpice二. IGBT的子電路原理模型GDCgs64SImos+-gdCcerCEeb78dsjCRb復(fù)雜的IGBT子電路模型 基于PSpice1溝道調(diào)節(jié)電阻Rb2柵漏電容Cgd的數(shù)學(xué)表達(dá)式在實(shí)際工作中IGBT作為開關(guān)器件時(shí)漏源間電壓往往是定值3對于Cdsj，類似于Cgdj，而且A2Agd，所以有4集射再分布電容Ccer與Cbcj成正比，則可得：5等效射基極電容Ceb的大小可以直接用其兩端電壓Veb來替代，它的大小與Vgs成反比，則：1.靜態(tài)特性的比較 VD=010VRL=0.2Rg=100IDVgs=01