基于Chebyshev理论的高压LDMOS器件SPICE宏模型

论文摘要

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LDMOS作为功率DMOS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LDMOS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CMOS工艺相兼容，生产成本低。因此，近年来体硅LDMOS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LDMOS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SPICE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SPICE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CAD设计的需要。本文在深入分析高压LDMOS器件工作原理的基础上，围绕高压LDMOS器件SPICE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MEDICI数值模拟软件，并结合半导体理论，优化和设定了LDMOS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LDMOS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MATLAB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LDMOS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I-V和C-V特性的数学方程式嵌入SPICE模拟器中，解决了模型和SPICE之间的兼容问题。通过验证建立的数学模型、SPICE宏模型与MEDICI模拟之间的误差分别在5％和10％范围之内。通过以上的工作，本文最终提供了一个建立SPICE宏模型的通用方法。通过这种方法，不仅可以建立高压DMOS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CAD设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 功率半导体器件的发展
• 1.1.2 功率 LDMOS器件的结构和特点
• 1.2 器件模型综述
• 1.2.1 物理模型
• 1.2.2 数值模型
• 1.2.3 宏模型
• 1.2.4 经验模型
• 1.3 建立高压 LDMOS器件模型的方法
• 1.4 本论文的主要工作和意义
• 1.4.1 论文选题的意义
• 1.4.2 论文内容的安排
• 第二章 高压 LDMOS的结构参数设计
• 2.1 器件结构设计
• 2.2 PN结击穿机理
• 2.3 漂移区参数设计
• 2.3.1 漂移区长度
• 2.3.2 漂移区浓度和结深
• 2.3.3 场板长度
• 2.4 栅极及沟道参数设计
• 2.4.1 阈值电压及沟道浓度设计
• 2.4.2 沟道长度的设计
• 2.4.3 栅氧厚度的设计
• 2.5 最终确定的结构参数
• 2.6 小结
• 第三章 LDMOS电容的分析和计算
• 3.1 MOS电容和 LDMOS电容的比较
• 3.2 LDMOS寄生电容模型
• 3.2.1 栅源寄生电容
• 3.2.2 栅漏寄生电容
• 3.3 结构和工艺参数对栅电容的影响
• 3.3.1 沟道浓度对栅漏电容的影响
• 3.3.2 漂移区浓度对栅漏电容的影响
• 3.3.3 场板长度对栅漏电容的影响
• 3.4 小结
• 第四章 切比雪夫（Chebyshev）多项式模型
• 4.1 切比雪夫（Chebyshev）多项式建模的基本思想
• 4.1.1 拉格朗日逼近的性质
• 4.1.2 切比雪夫多项式性质
• 4.1.3 插值多项式余项的极小化
• 4.1.4 一维切比雪夫（Chebyshev）多项式模型
• 4.1.5 二维切比雪夫（Chebyshev）多项式模型
• 4.1.6 二维电流的数学模型
• 4.2 切比雪夫（Chebyshev）多项式的优越性
• 4.2.1 龙格现象（Runge phenomenon）
• 4.2.2 模型精度比较
• 4.2.3 模拟阶数讨论
• 4.3 小结
• 第五章 高压LDMOS器件的宏模型
• 5.1 高压 LDMOS的SPICE模型
• 5.1.1 等效电路宏模型
• 5.1.2 子电路宏模型
• 5.1.3 直流电流宏模型
• 5.1.4 寄生电容宏模型
• 5.1.5 寄生二极管宏模型
• 5.2 模型的验证
• 5.2.1 SPICE中基本语法结构
• 5.2.2 IV特性特性测试
• 5.2.3 SPICE库的建立和瞬态特性测试
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文