SiC VJFET的動(dòng)態(tài)電路模型

在與電子儀器相關(guān)的行業(yè)中，與傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體相比，寬帶隙半導(dǎo)體的創(chuàng)新已被證明是有利可圖且有效的。碳化硅 (SiC)寬帶隙半導(dǎo)體是最先進(jìn)的半導(dǎo)體之一，具有顯著的相關(guān)性。這些半導(dǎo)體在各種參數(shù)（如高溫、頻率、電壓和其他幾個(gè)參數(shù)）上表現(xiàn)相當(dāng)出色。

通過(guò)其成熟的制造工藝，碳化硅 (SiC) 具有無(wú)與倫比的電氣特性，使其能夠融入下一代器件制造。SiC-JFET 憑借其快速的開(kāi)關(guān)速度和較低的導(dǎo)通電阻而吸引著市場(chǎng)，使其成為電子行業(yè)不斷上升的商業(yè)市場(chǎng)中的高需求材料。

隸屬于突尼斯莫納斯提爾大學(xué)和法國(guó)里昂大學(xué)的一組研究人員開(kāi)發(fā)了 JFET 的多維結(jié)構(gòu)，以提高性能并通過(guò)對(duì)論文中已經(jīng)提出的模型 進(jìn)行測(cè)試來(lái)驗(yàn)證它，“A Multi -具有橫向通道的 VJFET 的物理模型”[2]。

JFET的布局和特點(diǎn)

圖 1：SiC JFET 的半電池橫截面?

JFET 是一種單極器件，具有兩個(gè)串聯(lián)的通道——橫向通道和垂直通道。1200V SiC JFET采用SiCED/INFINION（TO220封裝）制造，裸片尺寸為2.4×2.4mm 2，導(dǎo)通電阻為300mΩ，閾值柵極電壓為-20V，飽和電流為20A。?

圖 2：JFET 的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電路模型

In the static and dynamic circuit model of JFET, we can see three physical capacitances: between gate and source (CjGS), gate and point M (CjGM), and drain and source (CjDS), with an additional capacitor between drain and point M (CjMD). To plot the C-V (Capacitance-Voltage) characteristics, the static and dynamic circuit model undergoes blocking conditions, which means there will be no static current flow in the channel. When the model is under prescribed conditions, the operating frequency is set to 300 kHz, which results in the impedance of the capacitors being greater than all the resistances present in the model circuit.

It is clear in the resultant circuit model shown in figure 3 that the capacitors will only affect the characteristics because the resistances are low in comparison to the capacitors. Taking the total capacitance between each terminal of the JFET, we get CGS, CDS, and CGD. [Note: Two capacitors between gate and drain are in series, hence they are taken as per the formula for resultant (total) capacitance between the two points.

CGS= CJGS

CDS? = CjDS

1/CGD = 1/CjGM + 1/CjMD

Figure 3: Dynamic circuit model of a SiC JFET in blocking conditions

Numerical simulation?

The researchers decided to use ISE TCAT Software for 2D numerical simulation of the SiC-JFET under predefined parameters, which are available in the research paper.

To start the simulation, a negative gate bias of -20 V is applied to make sure that the JFET is set to the off state. The capacitances can be extracted in the numerical simulations with a small AC signal analysis superimposed on the DC bias voltage when the lateral channel is completely blocked.

下圖顯示了作為測(cè)量特性的 C DS (V DS )、C GD (V GD )、C GS (V DS ) 和 C GS (V GS )與從二維數(shù)值獲得的特性之間的比較模擬和分析模型。

圖 4：C DS (V DS )、C GD (V GD )、C GS (V DS ) 和 C GS (V GS ) 的模擬

數(shù)值模擬分析

在數(shù)值模擬之后，分析了電容 CGD、CGS 和 CDS 的結(jié)果和測(cè)量值，電容值與相關(guān)空間電荷 (SCR) 寬度有關(guān)。以下標(biāo)準(zhǔn)將應(yīng)用于 SCR 邊界的計(jì)算。

等式 1：計(jì)算 SCR 的邊界

由上式可知，Г(x) 是凈摻雜濃度，p(x,t) 是凈空穴濃度，n(x,t) 是電子濃度，其中 x 和 t 分別是空間和時(shí)間變量。??

平面結(jié)柵源 C GS和 C DS電容與 V DS的測(cè)量、數(shù)值模擬和分析模型分別呈現(xiàn)在模擬圖中。根據(jù) C DS模型的方程，已經(jīng)觀察到 C GS（以圓圈和頂部箭頭表示，約 400pF 電容）隨 V DS微弱增加，但 C GS取決于 V GS并且類(lèi)似于柵源平面電容。研究人員注意到，在這種情況下，實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果是一致的，這在 CDS 和 CGS 電容的第三種情況下是不正確的，其中 CGD 電容不適合平面結(jié)電容。為了解決這種差異，該團(tuán)隊(duì)基于 TCAD 數(shù)值分析，提出了 CGD 電容的解析模型。

公式 2：C GD電容的分析模型

使用分析模型，可以得出結(jié)論，CGD 測(cè)量的電容與計(jì)算的電容之間存在相關(guān)性。

SiC JFET 動(dòng)態(tài)模型驗(yàn)證

驗(yàn)證所提出的方法對(duì)于任何實(shí)驗(yàn)都非常重要。為此，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了測(cè)試，以評(píng)估切換情況下動(dòng)態(tài)性能的有效性。負(fù)載電阻R、負(fù)載電感L和柵極電阻RG都是電感開(kāi)關(guān)模擬電路的一部分。

圖 5：用于感應(yīng)開(kāi)關(guān)仿真的電路

查看電感電阻開(kāi)關(guān)關(guān)斷的仿真（藍(lán)色波形）和實(shí)驗(yàn)（綠色波形）結(jié)果的比較，我們可以看到兩者非常吻合。對(duì)于感阻開(kāi)關(guān)關(guān)斷，我們看到兩個(gè)結(jié)果彼此非常吻合。兩個(gè)波形重合的點(diǎn)是理想點(diǎn)。但是，在實(shí)際場(chǎng)景中，誤差會(huì)有所不同。目的是減少誤差以獲得優(yōu)化的結(jié)果。?

圖6：感阻開(kāi)關(guān)關(guān)斷波形

結(jié)論與分析

該研究文章基于中開(kāi)展的工作，旨在改進(jìn)和驗(yàn)證 JFET 的多維結(jié)構(gòu)。在阻斷條件下（靜態(tài)電流 = 0A），從 JFET 的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電路模型開(kāi)始，在 JFET 的每個(gè)端子之間產(chǎn)生串聯(lián)和并聯(lián)電容器。CV 特性的數(shù)值模擬顯示了不同的結(jié)果，其中一些結(jié)果與其他結(jié)果不遵循相同的模式。在這篇研究文章中，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)具有橫向通道的垂直 SiC JFET 的動(dòng)態(tài)模型，該模型考慮了終端電容中的多功能效應(yīng)。后來(lái)，動(dòng)態(tài)模型在VHDL-AMS軟件中進(jìn)行，?

審核編輯：劉清

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