功率MOSFET寄生電容劣化對(duì)開關(guān)瞬態(tài)響應(yīng)的影響

戴宇晟， 王國輝,*， 關(guān) 永， 吳立鋒， 李曉娟

(1.首都師范大學(xué)信息工程學(xué)院，北京 100048；2.首都師范大學(xué)高可靠嵌入式系統(tǒng)技術(shù)北京市工程研究中心，北京 100048；3.首都師范大學(xué)電子系統(tǒng)可靠性技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048)

功率MOSFET，以其開關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率小、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在開關(guān)電源等領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，使電源的進(jìn)一步小型化成為現(xiàn)實(shí)[1]?，F(xiàn)代MOSFET技術(shù)也已朝著更為精密且性能優(yōu)良的方向發(fā)展。

MOSFET的寄生參數(shù)對(duì)MOSFET的性能起著重要的影響。文獻(xiàn)[2-3]中提出，MOSFET漏極與源極之間的寄生電容的存在會(huì)對(duì)輸出信號(hào)的電壓、電流、頻率等存在影響。而在文獻(xiàn)[4]中也有涉及到MOS器件溝道效應(yīng)。由此可見，MOSFET的寄生參數(shù)的變化，會(huì)對(duì)MOSFET結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，更會(huì)對(duì)MOSFET的性能起到至關(guān)重要的作用。

在功率MOSFET器件中，柵極對(duì)MOSFET的影響是十分關(guān)鍵的。在電壓應(yīng)力的情況下，柵極相對(duì)于其他極，能承受的電壓相對(duì)較低，也更容易被擊穿[5]。文獻(xiàn)[6]指出，當(dāng)MOSFET柵長縮小到納米量級(jí)，很多應(yīng)力效應(yīng)對(duì)器件性能的影響也越發(fā)明顯。由此可見，柵極端對(duì)MOSFET的影響至關(guān)重要，所以，本文選擇討論與柵極相關(guān)的兩個(gè)寄生參數(shù)柵源電容Cgs和柵漏電容Cgd，研究寄生參數(shù)Cgs和Cgd對(duì)功率MOSFET的開關(guān)瞬態(tài)響應(yīng)影響。

本文首先建立功率MOSFET的等效電路模型，然后利用頻域分析方法對(duì)等效電路建模，最后利用Saber軟件仿真，對(duì)MOSFET的寄生參數(shù)Cgs，Cgd進(jìn)行分析，得出兩個(gè)寄生參數(shù)對(duì)MOSFET輸出信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)的影響。與此同時(shí)，也可以通過分析輸出信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)，來找到MOSFET失效時(shí)發(fā)生劣化的寄生參數(shù)。上述分析，不僅能夠?qū)OSFET失效進(jìn)行預(yù)測，同時(shí)也為生產(chǎn)工藝改進(jìn)給出建議，盡可能減小寄生參數(shù)Cgs，Cgd，從而減小其對(duì)MOSFET輸出瞬態(tài)響應(yīng)的影響。

1 MOSFET寄生參數(shù)簡介

MOSFET雖然種類繁多，但其基本設(shè)計(jì)思想和主要參數(shù)分布都大相庭徑，MOSFET參數(shù)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要存在以下一些寄生參數(shù)[6]：

(1)與金屬電阻率相關(guān)的寄生電阻Rg,Rd,Rs,Rgs；

(2)導(dǎo)通電阻Rds（on）；

(3)在p+本體和n－外延層結(jié)點(diǎn)中的二極管和一個(gè)位于n+源散射區(qū)的BJT；

(4)各極之間的寄生電容，Cgs，Cds和 Cgd。

針對(duì)不同研究需要以及實(shí)際應(yīng)用情況，人們會(huì)對(duì)上述寄生參數(shù)進(jìn)行省略，以便分析。

圖1 MOSFET結(jié)構(gòu)圖

在MOSFET的實(shí)際應(yīng)用中，MOSFET的性能在很大程度上依賴于柵介質(zhì)的可靠性。根據(jù)摩爾定律和等比例縮小原則，隨著半導(dǎo)體集成電路的規(guī)模越來越大，柵氧化層厚度會(huì)越來越薄[7]。所以，和柵極相關(guān)的寄生參數(shù)，也會(huì)隨之而發(fā)生變化，最終引起MOSFET失效。本次對(duì)于寄生電容的研究，也圍繞和柵極有關(guān)的兩個(gè)寄生電容Cgs和Cgd來進(jìn)行。二氧化硅以其優(yōu)秀的絕緣性能，一直用于隔離MOS器件中從柵電極到溝道的電流[8]。當(dāng)MOSFET發(fā)生劣化或者故障，尤其是擊穿，往往是由于二氧化硅發(fā)生了變化，如公式(1)和(2)，二氧化硅的變化，對(duì)寄生電容是有影響的，當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，隨著二氧化硅的變薄，寄生電容會(huì)增大。在本次實(shí)驗(yàn)，通過模擬二氧化硅變薄所引起寄生電容增大，以獲得MOSFET的源極輸出信號(hào)變化。

式中：W為溝道寬度；L為溝道長度；εox為二氧化硅介電常數(shù)；Tox為二氧化硅厚度。在實(shí)驗(yàn)過程中，假設(shè)其他參數(shù)都是恒定不變。這樣，就能大大簡化對(duì)寄生電容的研究。

2 頻域分析

2.1 頻率響應(yīng)分析

對(duì)于一個(gè)含有電容、電感以及電阻的電路，在其發(fā)生輸入信號(hào)突變時(shí)，會(huì)在信號(hào)突變的上升沿或者下降沿，產(chǎn)生一個(gè)震蕩信號(hào)，成為響鈴波形。利用這個(gè)響鈴的變化，就可以獲得MOSFET寄生參數(shù)和頻率響應(yīng)的重要信息。通過系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)特征，來研究MOSFET寄生參數(shù)變化。

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)的震蕩信號(hào)，上升時(shí)間和超調(diào)量是兩個(gè)重要的表征特性。通過獲得這兩個(gè)值，就能夠得出瞬態(tài)響應(yīng)的變化情況，從而得到寄生電容Cgs和Cgd的變動(dòng)和MOSFET輸出信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)之間的關(guān)系。通過寄生電容和瞬態(tài)響應(yīng)特性的關(guān)系，就可以分析獲得MOSFET寄生電容的改變對(duì)輸出信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)變化的影響。

2.2 傳遞函數(shù)建立

在本次實(shí)驗(yàn)中，傳遞函數(shù)的建立，是為了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)證，以便得出更為準(zhǔn)確的結(jié)論。通過對(duì)MOSFET高頻等效模型進(jìn)行拉氏變換，獲取簡化的S域等效電路圖如圖2所示。通過對(duì)電路圖進(jìn)行S域的轉(zhuǎn)化，使得對(duì)MOSFET的求解更簡單。圖中Rgs(S),Rgd(S),Rds(S),RL(S)分別為Cgs,Cgd,Cgd以及L的拉式變換的等效電阻。

圖2 MOSFET高頻等效S域模型

首先，獲取等效電路的開路電壓，通過將柵源極的負(fù)載端斷路，在柵漏極加入電壓源E(S)，并將各參數(shù)進(jìn)行合并化簡，則可求解得到戴維南等效電路的電源U(S)。其中A1，A2，A3，B1，B2，B3是為了簡化計(jì)算結(jié)果，替代計(jì)算過程中含有各項(xiàng)寄生參數(shù)的多項(xiàng)式系數(shù)，而給出的替代符號(hào)。

然后，將電路內(nèi)部電源置零，在負(fù)載端加入激勵(lì)電源，求解等效電阻Req(S)。其中R1(S)，R2(S)和R3(S)分別為柵源極、漏源極和負(fù)載端進(jìn)行合并化簡所得到的等效電阻。

則根據(jù)戴維南等效電路，可以求得在含有負(fù)載時(shí)，MOSFET等效輸出電壓。其中，RL(S)為負(fù)載。

利用求解得出的傳遞函數(shù)，則可分析MOSFET寄生參數(shù)所引起的零極點(diǎn)變化情況，從而得到系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)改變的原因。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

為了模擬這兩個(gè)參數(shù)在發(fā)生變化時(shí)，對(duì)輸出信號(hào)的影響情況，將某型號(hào)MOSFET兩個(gè)寄生參數(shù)Cgs和Cgd分別從最大值開始進(jìn)行若干組等數(shù)據(jù)間隔的數(shù)據(jù)仿真。在信號(hào)輸出端，分別測量MOSFET電壓的超調(diào)量、峰值、上升時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間等瞬態(tài)響應(yīng)的參數(shù)。再通過分析，找出輸出信號(hào)變動(dòng)較為明顯的瞬態(tài)響應(yīng)特性，以此來觀察Cgs，Cgd變化量。在其中一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，其他參數(shù)均為額定值，得到Cgs電容輸出信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)參數(shù)的變化趨勢圖如圖3所示。橫軸為電容變化值，縱軸為瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)變化值。

圖3 C gs電容值與輸出信號(hào)特性關(guān)系圖

由圖3可以看出，隨著Cgs的增大，超調(diào)量也隨之增加。當(dāng)電容值增加了16%時(shí)，超調(diào)量增加了8.11%。上升時(shí)間下降了3.3%。而對(duì)于Cgd，超調(diào)量和上升時(shí)間并不具有線性相關(guān)的趨勢。相比之下，其峰值以及峰峰值和電容值有線性相關(guān)性，如圖4所示。

圖4 C gd電容值與輸出信號(hào)特性關(guān)系圖

圖5 C gs和C gd輸出特性對(duì)比圖

為了看出Cgs和Cgd在同樣有趨勢變化的峰值和峰峰值中，哪個(gè)寄生參數(shù)對(duì)輸出影響更大，更為明顯，經(jīng)過處理，得到對(duì)比圖如圖5。由圖5可以看出，通過曲線擬合，對(duì)于同樣具有線性相關(guān)性特征的Cgs和Cgd，Cgs的改變，所引起的輸出信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)的峰值以及峰峰值的變化更明顯。其中Cgs的改變使輸出信號(hào)的峰值平均改變了1.1 mV，峰峰值平均改變了0.577mV，而Cgd對(duì)應(yīng)的值只改變了0.009 82和0.01mV。

通過實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，可以得到如表1所示關(guān)于寄生電容和輸出瞬態(tài)響應(yīng)的關(guān)系趨勢。

為了更清晰地找出規(guī)律，利用上面所求的傳遞函數(shù)(6)，來觀察其零極點(diǎn)變化，從而更為清楚地找出Cgs和Cgd引起的變化原因以及變化幅度不同的原因。利用MATLAB得到Cgs和Cgd的零極點(diǎn)圖如圖6所示。由圖6(a)可以看出Cgs的改變，引起了零極點(diǎn)的變化。其中變化最大的極點(diǎn)值改變了7.08%。而在6(b)中，Cgd的改變，所引起的極點(diǎn)最大變化為1.6%。

表1 寄生電容C,C和輸出瞬態(tài)響應(yīng)關(guān)系

圖6 C gs和C gd零極點(diǎn)分布圖

通過表1和圖6可以知道，Cgs改變引起的輸出瞬態(tài)響應(yīng)變化，要比Cgd的更為明顯。對(duì)于Cgs，從圖6可以看出，隨著電容值的增大，零極點(diǎn)逐漸變小。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及圖4也能得出，其超調(diào)量隨著電容增大而增大，與RLC系統(tǒng)的性質(zhì)相吻合。由圖6可以看出，Cgs極點(diǎn)比Cgd離單位圓更近，所以其幅度變化更大。正是由于MOSFET寄生參數(shù)的改變，使得傳遞函數(shù)發(fā)生變化，從而引起系統(tǒng)零極點(diǎn)的變動(dòng)，最終導(dǎo)致了輸出信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)發(fā)生改變。同時(shí)，從圖6也能很好的看出，Cgs的零極點(diǎn)變化幅度，要比Cgd的更大，這也解釋了圖5中，Cgs的改變幅度比Cgd的大的原因。

通過分析和討論，可以得到如下幾個(gè)結(jié)論：

(1)Cgs和Cgd發(fā)生劣化時(shí)，會(huì)對(duì)MOSFET的瞬態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生影響，這是由于電容值的改變，影響了系統(tǒng)零極點(diǎn)，從而造成MOSFET輸出信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)的變動(dòng)。

(2)相對(duì)于Cgd，Cgs的變動(dòng)對(duì)MOSFET瞬態(tài)響應(yīng)影響更大，趨勢更明顯。

(3)MOSFET輸出信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)，隨著Cgs的減小呈現(xiàn)出線性變化的趨勢。這是由于Cgs的電容值增大使得零極點(diǎn)變小。

柵極端寄生電容的損壞，對(duì)整個(gè)電路的影響是不容忽視的。可以利用上述結(jié)論對(duì)MOSFET，尤其是柵極端進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)或監(jiān)控，這對(duì)整個(gè)電路失效和預(yù)測有重要的作用。

4 結(jié)論

通過本文可以看出，MOSFET的寄生參數(shù)，對(duì)MOSFET甚至整個(gè)電路，都有至關(guān)重要的影響。在MOSFET寄生參數(shù)中，柵源極電容Cgs對(duì)MOSFET乃至整個(gè)電路的影響不可忽視。不同寄生參數(shù)的改變，對(duì)輸出信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)影響是不相同的。要根據(jù)實(shí)際情況觀察輸出信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)特性，從而獲得較為準(zhǔn)確的判斷，確定可能是MOSFET哪一部分出現(xiàn)了問題。同時(shí)，也可以通過對(duì)MOSFET相應(yīng)管腳進(jìn)行監(jiān)控或改良，減小MOSFET發(fā)生劣化或故障的概率。

本文利用Saber仿真軟件，從理論的角度出發(fā)，獲得了MOSFET主要寄生參數(shù)Cgs和Cgd對(duì)信號(hào)輸出的影響，同時(shí)得到不同寄生參數(shù)對(duì)信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)影響不同，為判斷MOSFET在電路中的運(yùn)行狀態(tài)，以及電路的劣化和失效預(yù)測提供了依據(jù)。

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