高压大电流DMOS结构和输出特性仿真设计

半导体技术人 2020-12-29 00:00

    功率MOS场效应晶体管电参数指标中规定的电参数一般分为三大类:直流参数、交流参数和极限参数。直流参数包括:漏源击穿电压BVDSS,静态漏源导通电阻RDS(on),栅阈值电压VGS(th),正向跨导gfs;交流参数包括:输入电容Ciss、输出电容Coss,反向传递电容Crss,开关时间tontstf等;极限参数包括:连续电流ID和脉冲漏电流IDM,最大耗散功率PD,栅源电压VGS,单脉冲雪崩耐量EAS等。功率MOS场效应晶体管的设计任务就是根据用户使用要求,确定主要电学参数指标,设计出满足参数指标要求的纵向参数、横向参数和热学参数。

    功率MOS场效应晶体管在实际设计过程中,主要从以下几个方面进行设计:功率MOS场效应晶体管的结构设计、功率MOS场效应晶体管的主要电参数设计、功率MOS场效应晶体管的工艺设计以及功率MOS场效应晶体管的零部件设计。

    由产品电参数指标可知,该产品具有漏源击穿电压(BVDSS)、导通电阻低、电流容量高、耗散功率大、抗静电击穿能力强等特点。产品具有电压控制、快开关速度、易并联以及电参数温度稳定性高。非常适合应用于开关电源、马达驱动、逆

变器、斩波器、音频放大器以及高能量脉冲电路。

表1 产品电参数指标(25℃)

设计参数总结:

    采用n/n+外延片,晶向(100),外延层电阻率为14~16W.cm、外延层厚73mm ~83mm,掺杂浓度Na=2.8~3.2×1014cm-3。P+扩散结深4.26mm;P-扩散结深为3.55mm,浓度为3.00´1017 cm-3;N+扩散结深为0.8mm;栅氧化层厚50nm;沟道长度2.0mm;
    方型单胞,正方形排列;单胞多晶硅尺寸为22mm,扩散窗口区尺寸为8mm,单胞面积为30mm×30mm =900mm2;芯片面积为                6450mm×3980mm =25.67mm2;栅压焊点面积为360mm×340mm =0.1224mm2;器件有效总单胞数为27722个;器件有效面积为24.95mm2;划道横向为55mm,纵向为1400mm ;

    图1为仿真得到的器件漏源击穿电压BVDSS曲线。由图1可见,在采用上述外延层掺杂浓度和厚度情况下,仿真得到的器件漏源击穿电压约为660V(测试条件为IDS=1mA,VGS=0V),仿真得到的漏源击穿电压高于产品电参数指标要求的500V,满足指标要求。图2为仿真得到的器件漏电流IDSS曲线。由图2可见,在测试条件VDS=400V,VGS=0V下,器件漏电流IDSS小于1.3μA,远远低于电参数指标要求(25μA),满足指标要求。

    图3为仿真得到的产品转移特性曲线。按照测试阈值的电压的条件,在仿真过程中将漏极和栅极短接。当IDS=250μA时,仿真得到的器件栅源电压约为2.25V(阈值电压)。仿真得到的器件阈值电压在电参数指标要求的2~4V的范围内,满足指标要求。

   4为仿真得到的器件的输入电容、输出电容以及反向传输电容随漏源电压变化的曲线。仿真测试条件与电参数表中测试条件相同,在栅源电压为0V,漏源电压为25V,测试频率为1MHZ。由图4可见,在漏源电压为25V情况下,输出电容为1800PF,输出电容为500PF,反向传输电容为200PF,三种电容均满足电参数指标要求,表明器件结构参数的设计满足交流特性要求。

半导体技术人 半导体器件及集成电路仿真设计、制造技术交流
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