高壓MOSFET與IGBT SPICE模型

　只要時(shí)間足夠，大部分工程師都能找到正確的方向。 作為工程師，您是否經(jīng)常需要了解電路應(yīng)用中每個(gè)組件的性能? 是的。一般來(lái)說(shuō)，來(lái)自半導(dǎo)體公司的模型能否反映真實(shí)的電路應(yīng)用條件? 嗯…不一定。 即使找到正確的方向，充分并迅速地了解供應(yīng)商提供的仿真模型是否真實(shí)反映既定應(yīng)用空間內(nèi)的器件仍然是棘手的問(wèn)題。

　　與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的模型不同，F(xiàn)airchild的超級(jí)結(jié)MOSFET和IGBTSPICE模型基于一個(gè)物理可擴(kuò)展模型，適用于整個(gè)技術(shù)平臺(tái)，而非針對(duì)每個(gè)器件尺寸和型號(hào)分別建模的獨(dú)立分立式模型庫(kù)。模型直接跟蹤布局和制程技術(shù)參數(shù)(圖1)。可擴(kuò)展參數(shù)允許采用CAD電路設(shè)計(jì)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。對(duì)于給定應(yīng)用，最佳設(shè)備無(wú)法在固定的、分立式設(shè)備尺寸或額定值數(shù)據(jù)庫(kù)中找到。因此，設(shè)計(jì)人員常常束手束腳，不得已地采用次優(yōu)器件。圖2顯示了一個(gè)模型跟蹤超級(jí)結(jié)MOSFETS的挑戰(zhàn)性縮放CRSS特性并在IGBT中傳遞特性的能力。

　　以前，SPICE級(jí)的功率MOSFET模型是以簡(jiǎn)單分立式子電路或性能模型為基礎(chǔ)的。簡(jiǎn)單的子電路模型常常過(guò)于簡(jiǎn)單，不足以捕獲所有器件性能，如IV(電流與電壓)、 CV(電容與電壓)、瞬態(tài)和熱性能，且不包含任何器件結(jié)構(gòu)關(guān)系和制程參數(shù)。電熱性能模型改進(jìn)了精度，但是，模型與物理設(shè)備結(jié)構(gòu)和制程參數(shù)之間的關(guān)系仍不夠明確。而且，眾所周知，這種性能模型存在速度和聚合問(wèn)題。這點(diǎn)非常關(guān)鍵，設(shè)計(jì)人員不希望模型在仿真中不能立即收斂或直接發(fā)生故障，僅僅是因?yàn)槟承?shù)字性溢出故障。

　　圖1：超級(jí)結(jié)MOSFET (a)和IGBT (b)橫截面，模型中包含嵌入式樣品制程參數(shù)

　　圖2：可從一個(gè)物理模型擴(kuò)展(a) SuperFET CRSS(b) IGBT IC與VGE

　　Fairchild的新型HV SPICE模型不僅僅是匹配數(shù)據(jù)表。我們執(zhí)行了廣泛的設(shè)備和電路級(jí)別的特性分析來(lái)確保模型精度。例如，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)雙脈沖測(cè)試電路來(lái)驗(yàn)證模型的精度，如圖所示。通過(guò)實(shí)際電路工作條件下的設(shè)備操作來(lái)驗(yàn)證模型的電熱精度(圖4)，而非僅僅提供數(shù)據(jù)表冷卻曲線圖。完整的電熱仿真性能帶電熱啟用符號(hào)(圖5)允許系統(tǒng)級(jí)的電熱優(yōu)化。

　　圖3：SuperFET雙脈沖檢驗(yàn)(a)簡(jiǎn)化原理圖(b)導(dǎo)通(c)關(guān)斷

　　圖4：電熱檢驗(yàn)： ID與脈沖寬度

　　圖5：電熱IGBT符號(hào)

　　現(xiàn)在，新開(kāi)發(fā)的物理可擴(kuò)展SPICE模型集成了工藝技術(shù)，位于設(shè)計(jì)流程的最前沿。憑借SPICE模型，設(shè)計(jì)人員可先模擬產(chǎn)品性能再進(jìn)行器件制造，這樣就能縮短設(shè)計(jì)和制造周期，進(jìn)而降低成本并加快產(chǎn)品上市時(shí)間。SPICE模型可配合新HV技術(shù)開(kāi)發(fā)使用，以便制作虛擬產(chǎn)品原型。在成熟技術(shù)中，設(shè)計(jì)人員可對(duì)虛擬器件尺寸進(jìn)行擴(kuò)展以優(yōu)化新開(kāi)發(fā)的SPICE模型。