CN104753523A - 带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路及仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路，包含基于标准BSIM3的LDMOS管，以及分别接在LDMOS源、漏端端的源端电阻、漏端电阻，另外增加一寄生MOS管，其源漏端分别于源端电阻、漏端电阻的剩余一端相连，并引出作为整个等效电路的源极及漏极，LDMOS管得栅极直接引出作为整个等效电路的栅极，寄生MOS管的栅极接一电压控制电压源的正极，电压控制电压源的负极接等效电路的漏极。本发明还公开了所述带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路的仿真方法。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件设计及制造领域，特别是指一种带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路，本发明还涉及所述带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路的仿真方法。
背景技术
高压场效应管LDMOS在模拟电路中的电源电路设计中有着广泛的应用，其应用电压范围较高，因此LDMOS的结构同普通MOS相比较为特殊，往往根据不同的应用要求，其结构也有各式各样。往往会代入一些在普通MOS器件中看不到的特殊寄生特性。如图1所示，该图为一种特殊的圆形N型场效应管的版图结构，其圆环中心1为LDMOS的漏端，整个漂移区以漏端中心向外延伸。图中最中心的圆形区域是该器件的漏端N+杂质注入，外部的圆形区域2为该器件的漂移区,同样该区域也是由N型，并且为了降低该区域的N型杂质，还注入了P型杂质作为补偿，形成了一个电阻值非常高的区域。再外面一圈区域3是多晶硅栅，从多晶硅栅3外围一圈是P阱，多晶栅有一部分交叠覆盖在P阱上形成了底部沟道，最外面的圆环4为源端N型杂质注入。
该结构的好处在与既有足够的驱动电流和耐压，又能做到版图面积最小。它的缺点也很明显，在于散热较差，一旦器件开启进入工作状态，由于是大功率器件，晶体管马上进入发热状态，随着晶体管温度的提升，沟道电流也随着温度减小，也就是业界所称的自热效应。并且由于漂移区有P杂质补偿，在沟道与漂移区边缘，容易浓度分布不均，导致沟道分段开启。在自热效应与沟道浓度不均匀的共同作用下，会导致晶体管Id-Vg曲线特性呈现出特别的形状，如图2，当该种LDMOS工作在线性区的时候，随着栅电压的提高，同常规器件不同，漏端电流会出现凹陷的特性，如果将Id-Vg曲线对应的gm（栅跨导）同Vg的关系，如图3，会发现图中存在两个gm的峰值，普通MOS器件只存在一个gm峰值。由于SPICE仿真器中的MOS模型都是建立在对称结构上的理想器件模型，因此该器件由于结构特殊，带入的寄生特性通过普通的器件模型已无法描述，当电路设计仿真时器件应用在该工作范围就无法得到实际应有的精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路。
本发明所要解决的另一技术问题是提供所述带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路的仿真方法。
为解决上述问题，本发明所述的带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路，包含一个基于BSIM3标准的LDMOS管，一个MOS管，第一电阻及第二电阻，以及一个电压控制电压源，所述各元件的连接关系为：
所述LDMOS管的漏端连接第一电阻的第一端，LDMOS管的源端连接第二电阻的第一端，LDMOS管的栅极直接引出；
所述MOS管的栅极连接电压控制电压源的正极，MOS管的源极接电压控制电压源的负极，MOS管的漏极接所述第二电阻的第二端；
所述第一电阻的第二端引出为等效电路的漏极，第二电阻的第二端引出为等效电路的源极。
进一步地，所述的MOS管基于BSIM3标准模型，描述LDMOS管的寄生MOS管，其栅宽及栅长分别作为一个拟合数值放在宏模型中，并且该MOS管还具有开启电压、迁移率、衬偏效应参数、源/漏阻抗、温度特性参数、ute参数，作为MOS管模型拟合参数。
进一步地，所述的第一电阻描述LDMOS管漏端寄生电阻系数，第二电阻描述LDMOS管源端寄生电阻系数；第一电阻和第二电阻均包含BSIM3标准模型所含的温度和电压的修正系数。
进一步地，所述的电压控制电压源受LDMOS管的栅源电压控制，具有电压控制系数，其输出电压加在所述MOS管的栅源端。
本发明所述的带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路的仿真方法，包含如下工艺步骤：
第1步，构建所述带寄生效应的圆形高压场效应管的等效电路；
第2步，根据构建的带寄生效应的圆形高压场效应管的等效电路，进行仿真。
进一步地，所述的带寄生效应的圆形高压场效应管的等效电路，包含一个基于BSIM3标准的LDMOS管，一个MOS管，第一电阻及第二电阻，以及一个电压控制电压源，所述各元件的连接关系为：
所述LDMOS管的漏端连接第一电阻的第一端，LDMOS管的源端连接第二电阻的第一端，LDMOS管的栅极直接引出；
所述MOS管的栅极连接电压控制电压源的正极，MOS管的源极接电压控制电压源的负极，MOS管的漏极接所述第二电阻的第二端；
所述第一电阻的第二端引出为等效电路的漏极，第二电阻的第二端引出为等效电路的源极。
进一步地，所述的MOS管基于BSIM3标准模型，描述LDMOS管的寄生MOS管，其栅宽及栅长分别作为一个拟合数值放在宏模型中，并且该MOS管还具有开启电压、迁移率、衬偏效应参数、源/漏阻抗、温度特性参数、ute参数，作为MOS管模型拟合参数。
进一步地，所述的第一电阻描述LDMOS管漏端寄生电阻系数，第二电阻描述LDMOS管源端寄生电阻系数；第一电阻和第二电阻均包含BSIM3标准模型所含的温度和电压的修正系数。
进一步地，所述的电压控制电压源受LDMOS管的栅源电压控制，具有电压控制系数，其输出电压加在所述MOS管的栅源端。
本发明所述的带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路及仿真方法，通过添加描述源漏寄生电阻的第一及第二电阻，寄生MOS管以及电压控制电压源，构建LDMOS管的等效电路，通过对各类器件参数同测试数据的拟合，得到同实测数据吻合的Id-Vg曲线以及gm-Vg特性曲线，提高了仿真的精度。
附图说明
图1是圆形高压场效应管的结构示意图。
图2是圆形高压场效应管的Id-Vg曲线图。
图3是圆形高压场效应管的gm-Vg曲线图。
图4是本发明圆形高压场效应管的等效电路图。
图5是基于本发明圆形高压场效应管的等效电路的Id-Vg仿真曲线图。
图6是基于本发明圆形高压场效应管的等效电路的gm-Vg仿真曲线图。
图7是本发明仿真流程图。
具体实施方式
首先对线性区电流特性中的寄生效应进行分析，从图2中可以看到，当Vgs增大到一定程度后，电流曲线开始出现一个凹陷的特性，由于器件特性上分析较为复杂，较为简便的方法可以假设为器件在栅极电压的条件下有某个寄生效应出现了类似与MOS管的开启状态，该曲线可以看作寄生晶体管和本身LDMOS的电特性叠加后可以得到的结果。圆形LDMOS本身的栅极从版图上看并没有寄生的并联器件，但是从版图的漂移区和漏端区域看，为了提高漂移区的耐压，在漂移区还专门加了一层P型的淡掺杂注入。假定把整个多晶栅下沟道区域反型特性看成是两个并联的MOS晶体管并联在高压场效应管边。
基于上述考虑，本发明给出了带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路，如图4所示，包含一个基于BSIM3标准的LDMOS管，一个MOS管，第一电阻RD及第二电阻RS，以及一个电压控制电压源EX，所述各元件的连接关系为：
所述LDMOS管的漏端连接第一电阻RD的第一端，LDMOS管的源端连接第二电阻RS的第一端，LDMOS管的栅极直接引出；
所述MOS管的栅极连接电压控制电压源EX的正极，MOS管的源极接电压控制电压源EX的负极，MOS管的漏极接所述第二电阻RS的第二端；所述的MOS管基于BSIM3标准模型，描述LDMOS管的寄生MOS管，其栅宽及栅长分别作为一个拟合数值放在宏模型中，并且该MOS管还具有开启电压Vth0、迁移率μ0、衬偏效应参数K1、源/漏阻抗rdsw、温度特性参数kt1及kt2、ute(BSIM3模型拟合参数)，作为MOS管模型拟合参数。
所述第一电阻RD的第二端引出为等效电路的漏极，第二电阻RS的第二端引出为等效电路的源极。所述的第一电阻RD描述LDMOS管漏端寄生电阻系数，第二电阻RS描述LDMOS管源端寄生电阻系数。第一电阻RD包含BSIM3标准模型所含的电压修正系数vv1、vv2，第二电阻RS包含BSIM3标准模型所含的电压修正系数vv3、vv4,以及第一电阻RD包含BSIM3标准模型所含的温度修正系数tcx1、tcx2，第二电阻RS包含BSIM3标准模型所含的温度修正系数tcx3、tcx4。
所述的电压控制电压源EX受LDMOS管的栅源电压控制，具有电压控制系数，假定有一阶电压系数PT来描述寄生MOS管的电压差，其输出电压加在所述MOS管的栅源端。
本发明所述的带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路的仿真方法，包含如下工艺步骤：
第1步，构建所述带寄生效应的圆形高压场效应管的等效电路。在SPICE仿真器中构建圆形高压场效应管的等效电路，构建方法如上所述，此处不再赘述。
第2步，根据构建的带寄生效应的圆形高压场效应管的等效电路，进行仿真。将器件测试数据和搭建完成的等效电路模型载入到模型提取软件中，通过对上述参数同测试数据的拟合，得到较为理想精度的曲线，结合以上所述，整个宏模型在主体由BSIM3描述的LDMOS上人为添加了3组额外的模型修正系数：
1）、以BSIM3模型为基础的寄生MOS管选择了栅宽W,栅长L，vth0,u0,k1,rdsw,kt1,kt2,ute共9个参数作为漏端第二电流波峰的拟合参数。
2）、以电阻电压公式描述的漂移区和源区寄生电阻修正系数Rd,Rs,vv1,vv2,tcx1,tcx2,vv3,vv4,tcx3,tcx4共10个参数来拟合电流第一台阶的曲线特性。
3）、以电压控制电压源描述的控制寄生MOS管Vgs的电压系数PT来拟合电流曲线凹陷处的曲率。
通过本发明仿真方法仿真的曲线如图5及图6所示，图5是圆形场效应管的Id-Vg曲线。漏端电压0.1V，多晶硅栅上扫描电压，点线是测量得到漏端电流，实线是仿真得到的漏端电流，图6是圆形场效应管的gm-Vg曲线。漏端电压0.1V，多晶硅栅上扫描电压，点线是测量得到漏端gm，实线是仿真得到的漏端Gm曲线，从两个图上均能看出，实测曲线和仿真曲线都非常吻合，几乎完全重叠。本发明通过添加的假想元件来描述原LDMOS的寄生元件或效应，提高了仿真精度。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路，其特征在于：包含一个基于BSIM3标准的LDMOS管，一个MOS管，第一电阻及第二电阻，以及一个电压控制电压源，所述各元件的连接关系为：
所述LDMOS管的漏端连接第一电阻的第一端，LDMOS管的源端连接第二电阻的第一端，LDMOS管的栅极直接引出；
所述MOS管的栅极连接电压控制电压源的正极，MOS管的源极接电压控制电压源的负极，MOS管的漏极接所述第二电阻的第二端；
所述第一电阻的第二端引出为等效电路的漏极，第二电阻的第二端引出为等效电路的源极。
2.如权利要求1所述的带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路，其特征在于：所述的MOS管基于BSIM3标准模型，描述LDMOS管的寄生MOS管，其栅宽及栅长分别作为一个拟合数值放在宏模型中，并且该MOS管还具有开启电压、迁移率、衬偏效应参数、源/漏阻抗、温度特性参数、ute参数，作为MOS管模型拟合参数。
3.如权利要求1所述的带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路，其特征在于：所述的第一电阻描述LDMOS管漏端寄生电阻系数，第二电阻描述LDMOS管源端寄生电阻系数；第一电阻和第二电阻均包含BSIM3标准模型所含的温度和电压的修正系数。
4.如权利要求1所述的带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路，其特征在于：所述的电压控制电压源受LDMOS管的栅源电压控制，具有电压控制系数，其输出电压加在所述MOS管的栅源端。
5.如权利要求1所述的带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路的仿真方法，其特征在于：包含如下工艺步骤：
第1步，构建所述带寄生效应的圆形高压场效应管的等效电路；
第2步，根据构建的带寄生效应的圆形高压场效应管的等效电路，进行仿真。
6.如权利要求5所述的带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路的仿真方法，其特征在于：所述的带寄生效应的圆形高压场效应管的等效电路，包含一个基于BSIM3标准的LDMOS管，一个MOS管，第一电阻及第二电阻，以及一个电压控制电压源，所述各元件的连接关系为：
所述LDMOS管的漏端连接第一电阻的第一端，LDMOS管的源端连接第二电阻的第一端，LDMOS管的栅极直接引出；
所述MOS管的栅极连接电压控制电压源的正极，MOS管的源极接电压控制电压源的负极，MOS管的漏极接所述第二电阻的第二端；
所述第一电阻的第二端引出为等效电路的漏极，第二电阻的第二端引出为等效电路的源极。
7.如权利要求5或6所述的带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路的仿真方法，其特征在于：所述的MOS管基于BSIM3标准模型，描述LDMOS管的寄生MOS管，其栅宽及栅长分别作为一个拟合数值放在宏模型中，并且该MOS管还具有开启电压、迁移率、衬偏效应参数、源/漏阻抗、温度特性参数、ute参数，作为MOS管模型拟合参数。
8.如权利要求5或6所述的带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路的仿真方法，其特征在于：所述的第一电阻描述LDMOS管漏端寄生电阻系数，第二电阻描述LDMOS管源端寄生电阻系数；第一电阻和第二电阻均包含BSIM3标准模型所含的温度和电压的修正系数。
9.如权利要求5或6所述的带寄生效应的圆形高压场效应管等效电路的仿真方法，其特征在于：所述的电压控制电压源受LDMOS管的栅源电压控制，具有电压控制系数，其输出电压加在所述MOS管的栅源端。
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