基于碳化硅肖特基二极管的Spice模型及其构建方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体技术领域，具体设计一种基于碳化硅肖特基二极管的Spice模 型及其构建方法。
【背景技术】
[0002] 在功率系统应用中，碳化硅肖特基二极管比硅基PIN具有更高效的开关速度及更 低的开关损耗。然而，由于高浓度掺杂的外延层浓度，碳化硅肖特基二极管的耗尽层电容一 般要大于硅基PIN。当碳化硅肖特基二极管应用在斩波电路中时，会导致输出电流电压的电 磁振荡，造成系统稳定性问题，如引发电磁干扰及额外的能量损耗。振荡的主要原因是由于 肖特基二极管的耗尽层电容、耗尽层电阻、电路中的寄生杂散电感及级联电阻组成的RLC二 阶网络引起的。因此，需要建立一个精确的碳化硅肖特基二极管模型来评估器件的动态特 性和坚固性。
[0003] 现在对碳化娃肖特基二极管的模型已有一些报道，如文献The impact of parasitic inductance on the performance of silicon carbide Schottky barrier diodes (IEEE Trans·Power Electron·，voI·27，no·8，pp·3826-3833，Aug·2012^PThe impact of temperature and switching rate on the dynamic characteristics of silicon carbide Schottky barrier diodes and M0SFETs(IEEE Trans.Ind.Electron., vol.62，no. I，pp. 163-171，Jan.2015)。在这些模型中，二极管的耗尽层电容和级联电阻都 被认为是固定不变的，所以由其拟合出来的二极管的动态特性曲线与实验数据相比出现了 明显的偏差，特别是在振荡频率和幅度方面。这就造成了对二极管动态特性评估的不准确 性，如二极管的开关时间、电流电压的过冲及开关损耗的计算，而这些动态参数对于二极管 在高频率高功率应用中是十分关键的。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
[0005] 为此，本发明的第一个目的在于提出一种基于碳化硅肖特基二极管的Spice模型。
[0006] 本发明的第二个目的在于提出一种构建上述基于碳化娃肖特基二极管的Spice模 型的方法。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种基于碳化硅肖特基二极管的 Spice模型，包括:压控电容，用于表示碳化硅肖特基二极管的耗尽层电容;压控电阻，与所 述压控电容并联，用于表示所述碳化硅肖特基二极管的耗尽层电流;压控体电阻，与所述压 控电容和所述压控电阻并联的节点串联，用于表示所述碳化硅肖特基二极管的体电阻；以 及接触电阻，与所述压控体电阻串联。
[0008] 根据本发明实施例的基于碳化硅肖特基二极管的Spice模型，得到的二极管动态 曲线同实验数据匹配良好。此模型可以用于准确评估二极管的动态性能，同时可以用于指 导碳化硅肖特基二极管的设计及应用。
[0009] 另外，根据本发明上述实施例的基于碳化硅肖特基二极管的Spice模型，还可以具 有如下附加的技术特征：
[0010] 进一步地，所述压控电容和电压的关系如以下公式：
[0012] 其中，Nd为外延层的掺杂浓度，es为碳化硅材料的介电常数，q为单位电子电荷，A为 所述碳化硅肖特基二极管的有源区面积，Vd为所述碳化硅肖特基二极管反向偏执电压，C (Vd)为耗尽层电容。
[0013] 进一步地，所述压控体电阻由以下公式表示：
[0015] 其中，Rbulk为所述压控体电阻，μ(3为碳化硅材料的电子迀移率，1为外延层的厚度。
[0016] 进一步地，所述接触电阻是根据所述碳化硅肖特基二极管的伏安特性曲线中的大 电流区域提取，所述压控电阻是由所述碳化硅肖特基二极管的击穿特性曲线描述的。
[0017] 为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种基于碳化硅肖特基二极管的 Spice模型的构建方法，包括以下步骤:对所述碳化硅肖特基二极管进行测试，得到碳化硅 肖特基二极管的伏安特性曲线、击穿特性曲线和电容特性曲线；从所述电容特性曲线提取 出外延层的掺杂浓度Nd及外延层的厚度1，并根据以下公式设定所述压控电容：
[0019]其中，Nd为外延层的掺杂浓度，es为碳化硅材料的介电常数，q为单位电子电荷，A为 所述碳化硅肖特基二极管的有源区面积，Vd为所述碳化硅肖特基二极管反向偏执电压，C (Vd)为耗尽层电容;根据以下公式设定所述压控体电阻：
[0021]其中，Rbulk为所述压控体电阻，~为碳化硅材料的电子迀移率，1为外延层的厚度； 从所述伏安特性曲线中的大电流区域提取出接触电阻;所述压控电阻由所述击穿特性曲线 描述为压控电流源。
[0022]根据本发明实施例的基于碳化硅肖特基二极管的Spice模型的构建方法，得到的 二极管动态曲线同实验数据匹配良好，此模型可以用于准确评估二极管的动态性能，同时 可以用于指导碳化硅肖特基二极管的设计及应用。
[0023]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0024]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解，其中：
[0025]图1是本发明一个实施例的基于碳化硅肖特基二极管的Spice模型的示意图；
[0026]图2(a)、2(b)是本发明一个实施例的基于碳化硅肖特基二极管的等效测试原理 图；
[0027] 图3是本发明一个实施例的碳化硅肖特基二极管在钳位的感性负载测试条件下实 测的电流电压输出曲线示意图；
[0028] 图4是本发明一个实施例的输出曲线发生振荡时的碳化硅肖特基二极管截面图及 能带图；
[0029]图5是本发明一个实施例的用于Spice仿真的等效电路图；
[0030] 图6是本发明一个实施例的根据文献方法提参后的耗尽层电容-电压曲线与实测 曲线对比示意图。
[0031] 图7是本发明一个实施例的二极管输出曲线的测试结果同模型仿真结果的对比示 意图。
[0032] 图8是本发明一个实施例的测试结果同模型仿真结果在不同测试电流下计算出的 二极管关断损耗的对比示意图。
【具体实施方式】
[0033] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0034]在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"上"、"下"、 "前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对 重要性。
[0035]在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相 连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接;可 以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。
[0036]参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述 和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施 例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的 实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
[0037]以下结合附图描述根据本发明实施例的基于碳化硅肖特基二极管的Spice模型。
[0038] 请参考图I，一种基于碳化硅肖特基二极管的Spice模型，包括:压控电容Cd，用于 表示碳化硅肖特基二极管的耗尽层电容;压控电阻Rd，与压控电容Cd并联，用于表示碳化硅 肖特基二极管的耗尽层电流;压控体电阻R buik，与压控电容Cd和压控电阻Rd并联的节点串 联，用于表示碳化硅肖特基二极管的体电阻；以及接触电阻R_，与压控体电阻串联。
[0039] 在本发明的一个实施例中，压控电容和电压的关系如以下公式：
[0041] 其中，Nd为外延层的掺杂浓度，es为碳化硅材料的介电常数，q为单位电子电荷，A为 碳化硅肖特基二极管的有源区面积，Vd为碳化硅肖特基二极管反向偏执电压，C(Vd)为耗尽 层电容。
[0042] 在本发明的一个实施例中，压控体电阻由以下公式表示：
[0044] 其中，Rbulk为压控体电阻，以6为碳化硅材料的电子迀移率，1为外延层的厚度。
[0045] 在本发明的一个实施例中，接触电阻是根据碳化硅肖特基二极管的伏安特性曲线 中的大电流区域提取，压控电阻是由碳化硅肖特基二极管的击穿特性曲线描述的。
[0046] 为了让本领域技术人员更加清楚地理解本发明，将通过以下具体实施例进行说 明。
[0047]实验中采用的测试仪器为半导体功率器件动态参数测试系统ITC57300,使用双脉 冲电压驱动控制M0S(IXTH12N120)开关，以此来实现碳化硅肖特基二极管和MOS之间的换 流。图2(a)和图2(b)展示了测试装置的等效电路图。其中总线电压V dc为400V，测试电流为 10A。待测碳化硅肖特基二极管是由SemiSouth生产，额定值为1200V/10A(两个二极管并 联），型号为SDP20S120D。二极管的规格如表1所示。
[0048]
[0049] 表1碳化硅肖特基二极管参数表
[0050] 第一个栅极脉冲打开MOS开关，总线电压开始给负载电感La充电。接着MOS开关断 开，电流从MOS器件换流到二极管，如图2(a)所示，二极管开始正向导通。随着第二个脉冲的 到来MOS被打开，MOS的导通电流开始上升，二极管的正向电流开始下降