高壓MOSFET與IGBT SPICE模型

　只要時間足夠，大部分工程師都能找到正確的方向。 作為工程師，您是否經常需要了解電路應用中每個組件的性能? 是的。一般來說，來自半導體公司的模型能否反映真實的電路應用條件? 嗯…不一定。 即使找到正確的方向，充分并迅速地了解供應商提供的仿真模型是否真實反映既定應用空間內的器件仍然是棘手的問題。

　　與競爭對手的模型不同，Fairchild的超級結MOSFET和IGBTSPICE模型基于一個物理可擴展模型，適用于整個技術平臺，而非針對每個器件尺寸和型號分別建模的獨立分立式模型庫。模型直接跟蹤布局和制程技術參數(圖1)?？蓴U展參數允許采用CAD電路設計工具進行設計優化。對于給定應用，最佳設備無法在固定的、分立式設備尺寸或額定值數據庫中找到。因此，設計人員常常束手束腳，不得已地采用次優器件。圖2顯示了一個模型跟蹤超級結MOSFETS的挑戰性縮放CRSS特性并在IGBT中傳遞特性的能力。

　　以前，SPICE級的功率MOSFET模型是以簡單分立式子電路或性能模型為基礎的。簡單的子電路模型常常過于簡單，不足以捕獲所有器件性能，如IV(電流與電壓)、 CV(電容與電壓)、瞬態和熱性能，且不包含任何器件結構關系和制程參數。電熱性能模型改進了精度，但是，模型與物理設備結構和制程參數之間的關系仍不夠明確。而且，眾所周知，這種性能模型存在速度和聚合問題。這點非常關鍵，設計人員不希望模型在仿真中不能立即收斂或直接發生故障，僅僅是因為某些數字性溢出故障。

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

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

　　Fairchild的新型HV SPICE模型不僅僅是匹配數據表。我們執行了廣泛的設備和電路級別的特性分析來確保模型精度。例如，采用行業標準雙脈沖測試電路來驗證模型的精度，如圖所示。通過實際電路工作條件下的設備操作來驗證模型的電熱精度(圖4)，而非僅僅提供數據表冷卻曲線圖。完整的電熱仿真性能帶電熱啟用符號(圖5)允許系統級的電熱優化。

　　圖3：SuperFET雙脈沖檢驗(a)簡化原理圖(b)導通(c)關斷

　　圖4：電熱檢驗： ID與脈沖寬度

　　圖5：電熱IGBT符號

　　現在，新開發的物理可擴展SPICE模型集成了工藝技術，位于設計流程的最前沿。憑借SPICE模型，設計人員可先模擬產品性能再進行器件制造，這樣就能縮短設計和制造周期，進而降低成本并加快產品上市時間。SPICE模型可配合新HV技術開發使用，以便制作虛擬產品原型。在成熟技術中，設計人員可對虛擬器件尺寸進行擴展以優化新開發的SPICE模型。