← 返回
电动汽车驱动
★ 5.0
分裂栅沟槽MOSFET在分布式效应引起临界条件下的行为
Behavior of Split-Gate Trench MOSFETs in Critical Conditions Caused by Distributed Effects
| 作者 | R. Tambone · A. Ferrara · F. Magrini · R. J. E. Hueting |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年5月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 分裂栅沟槽MOSFET 击穿电压 分布式效应 紧凑模型 场板电压 |
语言:
中文摘要
分裂栅沟槽(SGT)金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管(MOSFET)是一种垂直功率器件,其深沟槽内设有独立的场板(FP)。这种设计通过降低表面电场(RESURF)效应提高了击穿电压(BV)。然而,在快速瞬态开关操作期间,器件各部分可能会出现电压波动。这些波动是由分布效应引起的,可能导致过早击穿、电流拥挤,在最坏的情况下还会导致器件失效。在这项工作中,采用晶圆级传输线脉冲(TLP)测试装置并结合技术计算机辅助设计(TCAD)模拟,来分析SGT MOSFET在分布效应导致的临界条件下的行为。这些临界条件通常出现在场板电位较高、栅 - 源电压接近阈值电压或两者兼有的情况下。通过该分析,开发了一个紧凑模型,并将其用于分布式SPICE模拟。结果表明,栅极和场板电位变化对击穿电压有很大影响。此外,结果还显示了雪崩电流和沟道电流如何影响器件内部的电荷平衡。最后,模拟结果表明,要准确预测器件行为并优化布局,需要一个能描述场板电压对击穿电压影响的良好模型。
English Abstract
The split-gate trench (SGT) MOSFET is a vertical power device having a separate field plate (FP) inside a deep trench. This design increases the breakdown voltage (BV) via the reduced surface field (RESURF) effect. However, during switching operations via fast transients, voltage fluctuations in various parts of the device can appear. These are due to distributed effects and can lead to premature breakdown, current crowding, and, in the worst case, device failure. In this work, an on-wafer transmission line pulse (TLP) setup together with technology computer-aided design (TCAD) simulations are employed to analyze the behavior of SGT MOSFETs in critical conditions caused by distributed effects. These typically occur for a higher FP potential, a gate-source voltage near the threshold voltage, or a combination of both. From this analysis, a compact model has been developed, which is used in distributed SPICE simulations. The results indicate a great impact of the gate and FP potential variations on the BV. Moreover, they show how both the avalanche and channel current can affect the charge balance inside the device. Finally, the simulations show that a good model for the impact of the FP voltage on BV is necessary for an accurate prediction of the device behavior and layout optimization.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于分栅沟槽MOSFET(SGT MOSFET)的研究对我们的核心产品线具有重要的技术参考价值。作为光伏逆变器和储能系统的关键功率器件,MOSFET的性能直接影响系统效率、可靠性和功率密度。
SGT MOSFET通过RESURF效应提升击穿电压的设计理念,与我们在高压大功率应用场景中的需求高度契合。特别是在1500V光伏系统和高压储能变流器中,更高的击穿电压意味着可以减少器件串联数量,降低系统复杂度和成本。然而,论文揭示的分布效应问题值得我们高度关注:在快速开关瞬态过程中,场板电位和栅源电压的波动可能导致提前击穿和电流拥挤,这在我们的高频开关应用中是潜在的可靠性隐患。
该研究采用TLP测试和TCAD仿真建立的紧凑模型,为我们的器件选型和电路设计提供了重要工具。通过SPICE仿真预测分布效应对击穿电压的影响,可以帮助我们优化逆变器的开关策略和保护电路设计,避免在极端工况下的器件失效。特别是论文强调的场板电压对击穿电压的影响模型,对我们进行多电平拓扑和软开关技术的器件应力分析具有指导意义。
从应用前景看,这项研究尚处于器件物理层面的基础研究阶段,距离商业化产品还有一定距离。但其揭示的物理机制对我们与功率半导体供应商的技术交流、定制化器件开发以及系统级可靠性设计都具有实际价值,可纳入我们的技术储备和前瞻性研发规划中。