寬禁帶材料實(shí)現(xiàn)了較當(dāng)前硅基技術(shù)的飛躍,。 它們的大帶隙導(dǎo)致較高的介電擊穿,，從而降低了導(dǎo)通電阻(RSP)。 更高的電子飽和速度支持高頻設(shè)計(jì)和工作,，降低的漏電流和更好的導(dǎo)熱性有助于高溫下的工作,。

安森美半導(dǎo)體提供圍繞寬禁帶方案的獨(dú)一無二的生態(tài)系統(tǒng),，包含從旨在提高強(qiáng)固性和速度的碳化硅(SiC)二極管、SiC MOSFET到 SiC MOSFET的高端IC門極驅(qū)動(dòng)器,。 除了硬件以外,，我們還提供spice物理模型，幫助設(shè)計(jì)人員在仿真中實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用性能,，縮短昂貴的測(cè)試周期,。

我們的預(yù)測(cè)性離散建模可以進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真,，其中可以針對(duì)系統(tǒng)級(jí)性能指標(biāo)（例如效率）進(jìn)行優(yōu)化,，而不局限于優(yōu)化元器件級(jí)性能指標(biāo)，例如RDS（on）,。 此外,，設(shè)計(jì)人員可以放心地模擬數(shù)據(jù)表中未涵蓋的工作條件，例如開關(guān)應(yīng)用的變化溫度,、總線電壓,、負(fù)載電流和輸入門極電阻。

為滿足這些需求,，模型必須是基于物理規(guī)律的,、直觀的、可預(yù)測(cè)的,，最重要的是精確的,。

在IC行業(yè)中,，追溯到幾十年前，采用SPICE模型的支持CAD設(shè)計(jì)的環(huán)境對(duì)于IC設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電路性能至關(guān)重要,。 通過首次正確設(shè)計(jì)縮短生產(chǎn)周期,。 迄今為止，由于缺乏可靠的SPICE模型,，電力電子CAD環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于IC行業(yè),。 電力電子器件模型基于簡(jiǎn)單的子電路和復(fù)雜的非物理行為模型。仿真最終不可靠,。

圖1 

簡(jiǎn)單的子電路過于基礎(chǔ)簡(jiǎn)單,，不足以充分利用所有器件性能,。 在圖1中,，我們顯示了一個(gè)CRSS圖，將典型的簡(jiǎn)單模型（藍(lán)色）與更先進(jìn)的物理模型（綠色）和測(cè)量數(shù)據(jù)（紅色）進(jìn)行了比較,。 顯然,，您可以看到簡(jiǎn)單模型無法捕獲非線性電容效應(yīng)，最終導(dǎo)致不準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)開關(guān)仿真,。

眾所周知,，更準(zhǔn)確、更復(fù)雜的行為模型會(huì)導(dǎo)致收斂問題,。 此外,，此類模型通常以專有的仿真器行為語言（例如MAST?）編寫，因此無法跨多個(gè)仿真器平臺(tái),。

通常,，電力電子模型既不是基于工藝技術(shù)和布局的，也不具有芯片平面布局的可擴(kuò)展性,。

我們以物理可擴(kuò)展模型開發(fā)了一個(gè)適用于整個(gè)技術(shù)平臺(tái)的模型,。 這就是說，它不是包含經(jīng)驗(yàn)擬合參數(shù)的單個(gè)模型的庫,，最終曲線適合所有產(chǎn)品,。只需輸入給定產(chǎn)品的芯片平面布局參數(shù)，通過芯片擴(kuò)展,，我們就可以使技術(shù)迅速發(fā)展,。

在下一級(jí)水平，模型中基于物理學(xué)的工藝依賴性使我們能夠預(yù)測(cè)新的虛擬技術(shù)變化帶來的影響,。 顯然,，早期設(shè)計(jì)有助于從應(yīng)用角度帶動(dòng)技術(shù)要求，并加快產(chǎn)品上市時(shí)間,。 一方面,，工藝和器件設(shè)計(jì)工程師使用限定的元器件仿真,，也稱為TCAD。 另一方面,，應(yīng)用和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)人員使用基于SPICE的仿真環(huán)境,。 基于工藝參數(shù)的spice模型有助于這兩方面的融合。

現(xiàn)在,，我們介紹一下碳化硅功率MOSFET模型的部分特性,。

圖2

    圖3

 圖2顯示了典型的碳化硅MOSFET橫截面，圖3顯示了子電路模型的簡(jiǎn)化版本,。

現(xiàn)在介紹該模型的一些元素,。 首先，我們談?wù)勱P(guān)鍵通道區(qū)域,。 在這里,，我們使用著名的伯克利BSIM 3v3模型。 我們都盡可能地不做重復(fù)工作,。 在這種情況下,，我們嘗試建模MOSFET通道，該通道非常適合用BSIM模型進(jìn)行,。 該模型是基于物理的,，通過亞閾值、弱反演和強(qiáng)反演來準(zhǔn)確捕獲轉(zhuǎn)換,。此外,，它具有出色的速度和收斂性，可以廣泛用于多個(gè)仿真平臺(tái),。

接下來,，我們需要覆蓋由EPI區(qū)域的多晶硅重疊形成的門極至漏極臨界電容CGD。 該電容本質(zhì)上是高度非線性的金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）電容器,。 該電容器的耗盡區(qū)由摻雜剖面,、P阱dpw之間的距離以及外延層的厚度等工藝參數(shù)復(fù)雜的依賴性控制。SPICE行為方法實(shí)施一種基于物理的模型,，并將所有這些影響考慮進(jìn)去,。 

 圖4

如圖4所示，從橫截面開始,，我們想介紹芯片平面圖可擴(kuò)展性背后的一些概念和結(jié)構(gòu),。灰色區(qū)域是有源區(qū),。 藍(lán)色無源區(qū)與裸芯邊緣(die edges),、門極焊盤和門極通道(gate runners)相關(guān)。 基于物理幾何的衍生確定了無源區(qū)和有源區(qū)之間的分布，這是實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性所需的,。 我們非常關(guān)注在有源和無源區(qū)之間的邊界區(qū)域中形成的寄生電容,。 一旦開始忽略布局中的寄生電容，你什么時(shí)候才會(huì)停止這種錯(cuò)誤呢,？ 所有被忽略的電容最終累積起來成為一個(gè)麻煩,。 在這種情況下，就無法實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展,。 而我們的理念是不忽略任何電容器,。

碳化硅MOSFET支持非常快的dV / dt,，大約每納秒50至100伏,，而dI / dts大約每納秒3至6安培。器件固有的門極電阻很重要,，可以用來抗電磁干擾(EMI),。 圖4右邊的設(shè)計(jì)具有較少的門極通道，因此RG較高,， 很好地限制了振鈴,。 圖4左邊的設(shè)計(jì)有許多門極通道,，因此RG較低,。 左邊的設(shè)計(jì)適用于快速開關(guān)，但每個(gè)區(qū)域的RDSon也較高,，因?yàn)殚T極通道會(huì)在有源區(qū)侵蝕掉,。

圖5

現(xiàn)在，我們要談?wù)勀Ｐ万?yàn)證,。 我們首先在左側(cè)的圖5中顯示輸出電流-電壓特性,。該模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)整個(gè)偏置范圍，包括高門極處的漂移區(qū)和漏極偏差,。右圖中的精確導(dǎo)通仿真突出了模型的連續(xù)性,，這對(duì)于強(qiáng)固的收斂性能很重要。 除了線性以外,，我們經(jīng)常查看對(duì)數(shù)刻度,，以發(fā)現(xiàn)隱藏的不準(zhǔn)確和不連續(xù)。

圖6

在圖6中,，我們顯示了在寬溫度范圍內(nèi)的當(dāng)前電壓,、RDSon和閾值電壓的結(jié)果。 SiC MOSFET器件具有穩(wěn)定的溫度性能,，因此非常有吸引力,。寬溫度范圍內(nèi)的高精度建模使設(shè)計(jì)人員可以充分利用這種特性。

圖7

前面我們介紹了對(duì)復(fù)雜器件電容的物理建模。 圖7顯示了結(jié)果,。在左側(cè),，CRSS（或CGD）仿真跟蹤數(shù)據(jù)在2個(gè)數(shù)量級(jí)以上的多次變化，僅在對(duì)數(shù)刻度上可見,。

圖8

開關(guān)結(jié)果具有精確建模的固有電容和器件布局寄生效應(yīng),，如圖8所示，無需額外調(diào)整模型,。這種水平的保真度使應(yīng)用設(shè)計(jì)人員有信心精確地仿真器件電路的相互影響,，例如dV/dt、dI/dt,、開關(guān)損耗和EMI,。門極驅(qū)動(dòng)器和電源環(huán)路的相互作用可以被更進(jìn)一步地研究和優(yōu)化。

對(duì)我們來說,，滿足客戶各種不同的仿真平臺(tái)要求非常重要,。因此，SPICE方法至關(guān)重要,。SPICE不局限于某個(gè)專用平臺(tái)或系統(tǒng),，我們僅使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仿真軟件中的最小公分母結(jié)構(gòu)，從而避免依賴于仿真器的專有方案,。

安森美半導(dǎo)體提供一系列先進(jìn)的寬禁帶器件和仿真環(huán)境,。 完整的產(chǎn)品陣容形成一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，使客戶能夠充分利用新的,、令人興奮的寬禁帶應(yīng)用和系統(tǒng),。

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