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CN115392174B - 场板型半导体器件的电容拟合方法 - Google Patents

场板型半导体器件的电容拟合方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种场板型半导体器件的电容拟合方法，所述电容拟合方法包括：S1、基于第一函数Q(x)和第二函数Q'(x)对无场板作用下和有场板作用下的电荷量进行拟合；S2、基于第一函数Q(x)和/或第二函数Q'(x)对电容Cgd、Cgs、Cds对应的电荷量Qgd、Qgs、Qds进行拟合；S3、对电荷量Qgd、Qgs、Qds分别进行微分，得到电容Cgd、Cgs、Cds；S4、根据电容Cgd、Cgs、Cds得到输入电容Ciss、输出电容Coss及反馈电容Coss。本发明通过两个函数组合对电荷量进行非线性拟合，在此基础上拟合得到场板型半导体器件的电容随漏源电压的变化，拟合结果与实测结果吻合度较高，为电路设计、调试和验证提供了准确基础。

Description

场板型半导体器件的电容拟合方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种场板型半导体器件的电容拟合方法。
背景技术
氮化镓(GaN)基高电子迁移率晶体管(HEMT)因氮化镓材料具有禁带宽度大、击穿电场强度大、载流子饱和迁移率高等优点，已被广泛应用于高温、高频、高压、大功率等电力电子器件领域。由于氮化镓器件的寄生电容较小，使其有较快的开关速度，目前市场上的氮化镓器件主要用在快充领域、汽车充电桩等其他领域上的应用也会越来越多。
对于应用开发来说，电路仿真可以模拟应用电路，贯穿了电路设计、调试和验证的整个过程，缩短了研发周期。仿真模型的重要性不言而喻，一个准确的电路级仿真模型可以得出比较精准的仿真结果，使得应用上更加有信心。
氮化镓器件的模型研究起始于二十世纪末，发展时间短，模型不够成熟，基本上都是套用已经成熟的硅基器件模型。然而由于氮化镓器件与硅器件工作原理的不同以及其特殊的场板结构的设计，其模型不同于传统的硅器件模型，须在原有模型的基础上进行改进。
GaN器件的模型根据建模方式分为查表模型、物理模型和经验模型，其中经验模型即为等效电路模型，根据器件的物理结构和电学特性，推导出等效电路的拓朴结构。从电路设计需求分析，等效电路模型是CAD仿真工具中最常用的氮化镓器件模型。目前等效电路模型有Curtice2/3模型、EEHEMT模型、Angelov模型、Tom模型等，其基本的拓扑结构如(图1)所示。当器件工作于大信号状态时，器件内部的元件值会随着偏置电压的变化而变化，与栅源电压、漏源电压的函数关系式十分复杂。模型的重点是对这些变化的元件进行非线性建模。以上所述的几种模型对电流的描述较为精确，但对电容随漏源电压的变化的拟合效果则略有不足，尤其是对于增加了场板以后的氮化镓器件，难以描述出场板对氮化镓器件电容的影响作用。
因此，针对上述技术问题，有必要提供一种场板型半导体器件的电容拟合方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种场板型半导体器件的电容拟合方法。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一种场板型半导体器件的电容拟合方法，所述电容拟合方法包括：
S1、基于第一函数Q(x)和第二函数Q'(x)对无场板作用下和有场板作用下的电荷量进行拟合；
S2、基于第一函数Q(x)和/或第二函数Q'(x)对电容Cgd、Cgs、Cds对应的电荷量Qgd、Qgs、Qds进行拟合；
S3、对电荷量Qgd、Qgs、Qds分别进行微分，得到电容Cgd、Cgs、Cds；
S4、根据电容Cgd、Cgs、Cds得到输入电容Ciss、输出电容Coss及反馈电容Crss。
一实施例中，所述步骤S1中，第一函数Q(x)为以幂函数为基础的复合函数，第二函数Q'(x)为以双曲正切函数为基础的复合函数。
一实施例中，所述步骤S1中，第一函数Q(x)和第二函数Q'(x)的表达式为：
Q(x)＝(1e-12)*x*[A+B/(C+|(x/D)|E)]；
Q′(x)＝(1e-10)*[F*tanh(G*(x+H))]；
其中，A～H为不同的参数，变量x为漏源电压Vds。
一实施例中，所述步骤S2中，电荷量Qgd、Qgs、Qds为1个第一函数Q(x)与n个不同Vds范围内的第二函数Q'(x)之和，其中，n≥0，即：
Qgd或Qgs或Qds＝Q(x)+Q′(x1)+…+Q′(xn)。
一实施例中，所述步骤S2包括：
根据场板型半导体器件在不同Vds下电容Cgd、Cgs、Cds的测量值确定电荷量Qgd、Qgs、Qds对应的第一函数Q(x)中的参数A～E。
一实施例中，所述步骤S2还包括：
根据场板型半导体器件在不同Vds下电容Cgd、Cgs、Cds的测量值确定电荷量Qgd、Qgs、Qds对应的第二函数Q'(x)的个数及每个第二函数Q'(x)对应Vds范围；及，
根据场板型半导体器件在不同Vds下电容Cgd、Cgs、Cds的测量值确定每个Vds范围内第二函数Q'(x)对应的参数F～H。
一实施例中，所述步骤S4中，输入电容Ciss、输出电容Coss及反馈电容Crss与电容Cgd、Cgs、Cds满足：
Crss＝Cgd；
Ciss＝Cgd+Cgs；
Coss＝Cgd+Cds。
一实施例中，所述步骤S4后还包括：
根据输入电容Ciss、输出电容Coss及反馈电容Crss的拟合公式获取仿真电容曲线。
一实施例中，所述电容拟合方法在LTSPICE仿真软件中进行拟合。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过两个函数组合对电荷量进行非线性拟合，在此基础上拟合得到场板型半导体器件的电容随漏源电压的变化，拟合结果与实测结果吻合度较高，为电路设计、调试和验证提供了准确基础。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中GaN器件的基本拓扑结构电路图；
图2为本发明中场板型半导体器件电容拟合方法的流程示意图；
图3为本发明实施例1中场板型氮化镓器件的实测Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线图；
图4为本发明实施例1中场板型氮化镓器件的仿真Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线图；
图5为本发明实施例2中场板型氮化镓器件的实测Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线图；
图6为本发明实施例2中场板型氮化镓器件的仿真Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明公开了一种场板型半导体器件的电容拟合方法，包括：
S1、基于第一函数Q(x)和第二函数Q'(x)对无场板作用下和有场板作用下的电荷量进行拟合；
S2、基于第一函数Q(x)和/或第二函数Q'(x)对电容Cgd、Cgs、Cds对应的电荷量Qgd、Qgs、Qds进行拟合；
S3、对电荷量Qgd、Qgs、Qds分别进行微分，得到电容Cgd、Cgs、Cds；
S4、根据电容Cgd、Cgs、Cds得到输入电容Ciss、输出电容Coss及反馈电容Crss。
本发明对非线性拟合建模方法进行优化，通过LTSPICE(Simulation Programwith Integrated Circuit Emphasis)仿真软件，建立了一种场板型半导体器件的电容拟合方法，对器件寄生电容(Ciss、Coss及Crss)随漏源电压(Vds)的变化，达到了较为准确的拟合效果。
于步骤S1中，本发明中分别通过第一函数Q(x)和第二函数Q'(x)对无场板作用下和有场板作用下的电荷量进行拟合，确定拟合函数为：
第一函数Q(x)为以幂函数为基础的复合函数，表达式为：
Q(x)＝(1e-12)*x*[A+B/(C+|(x/D)|E)]；
第二函数Q'(x)为以双曲正切函数为基础的复合函数，表达式为：
Q′(x)＝(1e-10)*[F*tanh(G*(x+H))]；
其中，A～H为不同的参数，变量x为漏源电压Vds。
于步骤S2中，电荷量Qgd、Qgs、Qds为1个第一函数Q(x)与n个不同Vds范围内的第二函数Q'(x)之和，其中，n≥0，即：
Qgd或Qgs或Qds＝Q(x)+Q′(x1)+…+Q′(xn)。
本发明中通过测量不同Vds下电容Cgd、Cgs、Cds的值，可以得到Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线，根据Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线可以确定最终的电荷量Qgd/Qgs/Qds。
第一函数Q(x)的确定：
根据场板型半导体器件在不同Vds下电容Cgd、Cgs、Cds的测量值确定电荷量Qgd、Qgs、Qds对应的第一函数Q(x)中的参数A～E。
第一函数Q(x)拟合的是无场板作用下的电荷量，对应于Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线的下降趋势，根据Cgd/Cgs/Cds的最大值、最小值、斜率等最终可以确定参数A～E。
第二函数Q'(x)的确定：
根据场板型半导体器件在不同Vds下电容Cgd、Cgs、Cds的测量值确定电荷量Qgd、Qgs、Qds对应的第二函数Q'(x)的个数及每个第二函数Q'(x)对应Vds范围；
根据场板型半导体器件在不同Vds下电容Cgd、Cgs、Cds的测量值确定每个Vds范围内第二函数Q'(x)对应的参数F～H。
第二函数Q'(x)拟合的是有场板作用下的电荷量，对应于Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线中的变化平台(改变下降趋势)，根据Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线可以获取变化平台的数量n及每个变化平台对应的Vds范围，而后根据每个变化平台可以确定每个Vds范围内第二函数Q'(x)对应的参数F～H。
通过上述方案，最终可以拟合得到Qgd、Qgs、Qds的随Vds变化的具体函数。
于步骤S3中，在LTSPICE仿真软件中对电荷量Qgd、Qgs、Qds分别进行微分，可以得到电容Cgd、Cgs、Cds随Vds变化的具体函数。
输入电容Ciss、输出电容Coss及反馈电容Crss与电容Cgd、Cgs、Cds满足：
Crss＝Cgd；
Ciss＝Cgd+Cgs；
Coss＝Cgd+Cds。
于步骤S4中，基于上述电容关系，在LTSPICE仿真软件中即可拟合得到最终的输入电容Ciss、输出电容Coss及反馈电容Crss。
进一步地，通过LTSPICE仿真软件可以根据输入电容Ciss、输出电容Coss及反馈电容Crss的拟合公式输出仿真电容曲线。
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
基于本发明中的电容拟合方法，本实施例中对场板型氮化镓器件GPI65060DFN进行电容拟合，其实测Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线如图3所示。
根据Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线拟合得到的电荷量分别如下：
电荷量Qgd中包括一个第一函数Q(x)和两个第二函数Q'(x)，具体为：
Qgd＝Q(x)+Q′(x1)+Q′(x2)
＝(1e-12)*x*[7+75/(0.4+|(x/60)|1)]+(1e-10)*[8*tanh(0.04*(x+35))]+(1e-10)*[5*tanh(0.04*(x+80))]
其中，x的取值范围为0～500V。
电荷量Qgs中包括一个第一函数Q(x)，具体为：
Qgs＝(1e-12)*x*[420+0/(C+|(x/D)|E)]＝(1e-12)*x*420
其中，x的取值范围为0～500V，由于参数B为0，参数C、D、E的取值无需限定。
电荷量Qds中包括一个第一函数Q(x)和两个第二函数Q'(x)，具体为：
Qds＝Q(x)+Q′(x1)+Q′(x2)
＝(1e-12)*x*[(-50)+800/(1+|(x/400)|1)]+(1e-10)*[90*tanh(0.03*(x+35))]+(1e-10)*[4*tanh(0.14*(x+90))]
其中，x的取值范围为0～500V。
在LTSPICE仿真软件中，对Qgd、Qgs、Qds分别进行微分，得到电容Cgd、Cgs、Cds，并根据Crss＝Cgd、Ciss＝Cgd+Cgs、Coss＝Cgd+Cds可得到Crss、Ciss、Coss，最终LTSPICE仿真软件输出的仿真Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线参图4所示。
对比图3、图4可以看出，本实施例中拟合得到的仿真Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线(图4)与实测Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线(图3)基本吻合。
实施例2：
基于本发明中的电容拟合方法，本实施例中对另一个场板型氮化镓器件GPI65060DFN进行电容拟合，其实测Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线如图5所示。
根据Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线拟合得到的电荷量分别如下：
电荷量Qgd中包括一个第一函数Q(x)和五个第二函数Q'(x)，具体为：
Qgd＝Q(x)+Q′(x1)+Q′(x2)+Q′(x3)+Q′(x4)+Q′(x5)
＝(1e-12)*x*[3+120/(0.8+|(x/130)|1)]+(1e-10)*[4*tanh(0.07*(x+25))]+(1e-10)*[4*tanh(0.035*(x+75))]+(1e-10)*[6*tanh(0.035*(x+100))]+(1e-10)*[4*tanh(0.03*(x+180))]+(1e-10)*[2.3*tanh(0.035*(x+200))]
其中，x的取值范围为0～500V。
电荷量Qgs中包括一个第一函数Q(x)，具体为：
Qgs＝(1e-12)*x*[40+0/(C+|(x/D)|E)]＝(1e-12)*x*40
其中，x的取值范围为0～500V，由于参数B为0，参数C、D、E的取值无需限定。
电荷量Qds中包括一个第一函数Q(x)，具体为：
Qds＝(1e-12)*x*[3+0/(C+|(x/D)|E)]＝(1e-12)*x*3
其中，x的取值范围为0～500V，由于参数B为0，参数C、D、E的取值无需限定。
在LTSPICE仿真软件中，对Qgd、Qgs、Qds分别进行微分，得到电容Cgd、Cgs、Cds，并根据Crss＝Cgd、Ciss＝Cgd+Cgs、Coss＝Cgd+Cds可得到Crss、Ciss、Coss，最终LTSPICE仿真软件输出的仿真Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线参图6所示。
对比图5、图6可以看出，本实施例中拟合得到的仿真Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线(图6)与实测Vds-Cgd/Cgs/Cds曲线(图5)基本吻合。
由以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明通过两个函数组合对电荷量进行非线性拟合，在此基础上拟合得到场板型半导体器件的电容随漏源电压的变化，拟合结果与实测结果吻合度较高，为电路设计、调试和验证提供了准确基础。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种场板型半导体器件的电容拟合方法，其特征在于，所述电容拟合方法包括：
S1、基于第一函数Q(x)和第二函数Q'(x)对无场板作用下和有场板作用下的电荷量进行拟合，其中，第一函数Q(x)拟合的是无场板作用下的电荷量，第二函数Q'(x)拟合的是有场板作用下的电荷量；
S2、基于第一函数Q(x)或基于第一函数Q(x)和第二函数Q'(x)对电容Cgd、Cgs、Cds对应的电荷量Qgd、Qgs、Qds进行拟合；
S3、对电荷量Qgd、Qgs、Qds分别进行微分，得到电容Cgd、Cgs、Cds；
S4、根据电容Cgd、Cgs、Cds得到输入电容Ciss、输出电容Coss及反馈电容Crss；
所述步骤S1中，第一函数Q(x)为以幂函数为基础的复合函数，第二函数Q'(x)为以双曲正切函数为基础的复合函数；
所述步骤S1中，第一函数Q(x)和第二函数Q'(x)的表达式为：
Q(x)＝(1e-12)*x*[A+B/(C+|(x/D)|E)]；
Q′(x)＝(1e-10)*[F*tanh(G*(x+H))]；
其中，A～H为不同的参数，变量x为漏源电压Vds；
所述步骤S2中，电荷量Qgd为1个第一函数Q(x)、或为1个第一函数Q(x)与至少1个不同Vds范围内的第二函数Q'(x)之和，电荷量Qgs为1个第一函数Q(x)、或为1个第一函数Q(x)与至少1个不同Vds范围内的第二函数Q'(x)之和，电荷量Qds为1个第一函数Q(x)、或为1个第一函数Q(x)与至少1个不同Vds范围内的第二函数Q'(x)之和；
所述步骤S2还包括：根据场板型半导体器件在不同Vds下电容Cgd、Cgs、Cds的测量值分别确定电荷量Qgd、Qgs、Qds对应的第二函数Q'(x)的个数及每个第二函数Q'(x)对应Vds范围。
2.根据权利要求1所述的场板型半导体器件的电容拟合方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
根据场板型半导体器件在不同Vds下电容Cgd、Cgs、Cds的测量值确定电荷量Qgd、Qgs、Qds对应的第一函数Q(x)中的参数A～E。
3.根据权利要求2所述的场板型半导体器件的电容拟合方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：
根据场板型半导体器件在不同Vds下电容Cgd、Cgs、Cds的测量值确定每个Vds范围内第二函数Q'(x)对应的参数F～H。
4.根据权利要求1所述的场板型半导体器件的电容拟合方法，其特征在于，所述步骤S4中，输入电容Ciss、输出电容Coss及反馈电容Crss与电容Cgd、Cgs、Cds满足：
Crss＝Cgd；
Ciss＝Cgd+Cgs；
Coss＝Cgd+Cds。
5.根据权利要求1所述的场板型半导体器件的电容拟合方法，其特征在于，所述步骤S4后还包括：
根据输入电容Ciss、输出电容Coss及反馈电容Crss的拟合公式获取仿真电容曲线。
6.根据权利要求1所述的场板型半导体器件的电容拟合方法，其特征在于，所述电容拟合方法在LTSPICE仿真软件中进行拟合。
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