功率MOSFET寄生電容劣化對開關瞬態響應的影響

戴宇晟， 王國輝,*， 關 永， 吳立鋒， 李曉娟

(1.首都師范大學信息工程學院，北京 100048；2.首都師范大學高可靠嵌入式系統技術北京市工程研究中心，北京 100048；3.首都師范大學電子系統可靠性技術北京市重點實驗室，北京 100048)

功率MOSFET，以其開關速度快、驅動功率小、過載能力強等優點，在開關電源等領域中廣泛應用，使電源的進一步小型化成為現實[1]。現代MOSFET技術也已朝著更為精密且性能優良的方向發展。

MOSFET的寄生參數對MOSFET的性能起著重要的影響。文獻[2-3]中提出，MOSFET漏極與源極之間的寄生電容的存在會對輸出信號的電壓、電流、頻率等存在影響。而在文獻[4]中也有涉及到MOS器件溝道效應。由此可見，MOSFET的寄生參數的變化，會對MOSFET結構產生影響，更會對MOSFET的性能起到至關重要的作用。

在功率MOSFET器件中，柵極對MOSFET的影響是十分關鍵的。在電壓應力的情況下，柵極相對于其他極，能承受的電壓相對較低，也更容易被擊穿[5]。文獻[6]指出，當MOSFET柵長縮小到納米量級，很多應力效應對器件性能的影響也越發明顯。由此可見，柵極端對MOSFET的影響至關重要，所以，本文選擇討論與柵極相關的兩個寄生參數柵源電容Cgs和柵漏電容Cgd，研究寄生參數Cgs和Cgd對功率MOSFET的開關瞬態響應影響。

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等效電路建模，最后利用Saber軟件仿真，對MOSFET的寄生參數Cgs，Cgd進行分析，得出兩個寄生參數對MOSFET輸出信號瞬態響應的影響。與此同時，也可以通過分析輸出信號的瞬態響應參數，來找到MOSFET失效時發生劣化的寄生參數。上述分析，不僅能夠對MOSFET失效進行預測，同時也為生產工藝改進給出建議，盡可能減小寄生參數Cgs，Cgd，從而減小其對MOSFET輸出瞬態響應的影響。

1 MOSFET寄生參數簡介

MOSFET雖然種類繁多，但其基本設計思想和主要參數分布都大相庭徑，MOSFET參數結構圖如圖1所示。主要存在以下一些寄生參數[6]：

(1)與金屬電阻率相關的寄生電阻Rg,Rd,Rs,Rgs；

(2)導通電阻Rds（on）；

(3)在p+本體和n－外延層結點中的二極管和一個位于n+源散射區的BJT；

(4)各極之間的寄生電容，Cgs，Cds和 Cgd。

針對不同研究需要以及實際應用情況，人們會對上述寄生參數進行省略，以便分析。

圖1 MOSFET結構圖

在MOSFET的實際應用中，MOSFET的性能在很大程度上依賴于柵介質的可靠性。根據摩爾定律和等比例縮小原則，隨著半導體集成電路的規模越來越大，柵氧化層厚度會越來越薄[7]。所以，和柵極相關的寄生參數，也會隨之而發生變化，最終引起MOSFET失效。本次對于寄生電容的研究，也圍繞和柵極有關的兩個寄生電容Cgs和Cgd來進行。二氧化硅以其優秀的絕緣性能，一直用于隔離MOS器件中從柵電極到溝道的電流[8]。當MOSFET發生劣化或者故障，尤其是擊穿，往往是由于二氧化硅發生了變化，如公式(1)和(2)，二氧化硅的變化，對寄生電容是有影響的，當其他參數不變時，隨著二氧化硅的變薄，寄生電容會增大。在本次實驗，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；Tox為二氧化硅厚度。在實驗過程中，假設其他參數都是恒定不變。這樣，就能大大簡化對寄生電容的研究。

2 頻域分析

2.1 頻率響應分析

對于一個含有電容、電感以及電阻的電路，在其發生輸入信號突變時，會在信號突變的上升沿或者下降沿，產生一個震蕩信號，成為響鈴波形。利用這個響鈴的變化，就可以獲得MOSFET寄生參數和頻率響應的重要信息。通過系統的瞬態響應特征，來研究MOSFET寄生參數變化。

對于一個系統的震蕩信號，上升時間和超調量是兩個重要的表征特性。通過獲得這兩個值，就能夠得出瞬態響應的變化情況，從而得到寄生電容Cgs和Cgd的變動和MOSFET輸出信號瞬態響應之間的關系。通過寄生電容和瞬態響應特性的關系，就可以分析獲得MOSFET寄生電容的改變對輸出信號瞬態響應變化的影響。

2.2 傳遞函數建立

在本次實驗中，傳遞函數的建立，是為了對實驗結果進行分析和驗證，以便得出更為準確的結論。通過對MOSFET高頻等效模型進行拉氏變換，獲取簡化的S域等效電路圖如圖2所示。通過對電路圖進行S域的轉化，使得對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，通過將柵源極的負載端斷路，在柵漏極加入電壓源E(S)，并將各參數進行合并化簡，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是為了簡化計算結果，替代計算過程中含有各項寄生參數的多項式系數，而給出的替代符號。

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

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

利用求解得出的傳遞函數，則可分析MOSFET寄生參數所引起的零極點變化情況，從而得到系統瞬態響應改變的原因。

3 實驗結果和分析

為了模擬這兩個參數在發生變化時，對輸出信號的影響情況，將某型號MOSFET兩個寄生參數Cgs和Cgd分別從最大值開始進行若干組等數據間隔的數據仿真。在信號輸出端，分別測量MOSFET電壓的超調量、峰值、上升時間、穩定時間等瞬態響應的參數。再通過分析，找出輸出信號變動較為明顯的瞬態響應特性，以此來觀察Cgs，Cgd變化量。在其中一個參數發生變化時，其他參數均為額定值，得到Cgs電容輸出信號瞬態響應參數的變化趨勢圖如圖3所示。橫軸為電容變化值，縱軸為瞬態響應對應的特征參數變化值。

圖3 C gs電容值與輸出信號特性關系圖

由圖3可以看出，隨著Cgs的增大，超調量也隨之增加。當電容值增加了16%時，超調量增加了8.11%。上升時間下降了3.3%。而對于Cgd，超調量和上升時間并不具有線性相關的趨勢。相比之下，其峰值以及峰峰值和電容值有線性相關性，如圖4所示。

圖4 C gd電容值與輸出信號特性關系圖

圖5 C gs和C gd輸出特性對比圖

為了看出Cgs和Cgd在同樣有趨勢變化的峰值和峰峰值中，哪個寄生參數對輸出影響更大，更為明顯，經過處理，得到對比圖如圖5。由圖5可以看出，通過曲線擬合，對于同樣具有線性相關性特征的Cgs和Cgd，Cgs的改變，所引起的輸出信號瞬態響應的峰值以及峰峰值的變化更明顯。其中Cgs的改變使輸出信號的峰值平均改變了1.1 mV，峰峰值平均改變了0.577mV，而Cgd對應的值只改變了0.009 82和0.01mV。

通過實驗仿真結果，可以得到如表1所示關于寄生電容和輸出瞬態響應的關系趨勢。

為了更清晰地找出規律，利用上面所求的傳遞函數(6)，來觀察其零極點變化，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的零極點圖如圖6所示。由圖6(a)可以看出Cgs的改變，引起了零極點的變化。其中變化最大的極點值改變了7.08%。而在6(b)中，Cgd的改變，所引起的極點最大變化為1.6%。

表1 寄生電容C,C和輸出瞬態響應關系

圖6 C gs和C gd零極點分布圖

通過表1和圖6可以知道，Cgs改變引起的輸出瞬態響應變化，要比Cgd的更為明顯。對于Cgs，從圖6可以看出，隨著電容值的增大，零極點逐漸變小。由實驗結果以及圖4也能得出，其超調量隨著電容增大而增大，與RLC系統的性質相吻合。由圖6可以看出，Cgs極點比Cgd離單位圓更近，所以其幅度變化更大。正是由于MOSFET寄生參數的改變，使得傳遞函數發生變化，從而引起系統零極點的變動，最終導致了輸出信號的瞬態響應發生改變。同時，從圖6也能很好的看出，Cgs的零極點變化幅度，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，可以得到如下幾個結論：

(1)Cgs和Cgd發生劣化時，會對MOSFET的瞬態響應產生影響，這是由于電容值的改變，影響了系統零極點，從而造成MOSFET輸出信號瞬態響應的變動。

(2)相對于Cgd，Cgs的變動對MOSFET瞬態響應影響更大，趨勢更明顯。

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

柵極端寄生電容的損壞，對整個電路的影響是不容忽視的。可以利用上述結論對MOSFET，尤其是柵極端進行相應的改進或監控，這對整個電路失效和預測有重要的作用。

4 結論

通過本文可以看出，MOSFET的寄生參數，對MOSFET甚至整個電路，都有至關重要的影響。在MOSFET寄生參數中，柵源極電容Cgs對MOSFET乃至整個電路的影響不可忽視。不同寄生參數的改變，對輸出信號的瞬態響應影響是不相同的。要根據實際情況觀察輸出信號的瞬態響應特性，從而獲得較為準確的判斷，確定可能是MOSFET哪一部分出現了問題。同時，也可以通過對MOSFET相應管腳進行監控或改良，減小MOSFET發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，獲得了MOSFET主要寄生參數Cgs和Cgd對信號輸出的影響，同時得到不同寄生參數對信號瞬態響應影響不同，為判斷MOSFET在電路中的運行狀態，以及電路的劣化和失效預測提供了依據。

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