一种基于电场连续性的高压MOSFET紧凑模型，用于精确表征电容特性

来源：A Compact Model of High-Voltage MOSFET Based on Electric Field Continuity for Accurate Characterization of Capacitance（TED 24年）

摘要

本文提出了一种新的高压MOSFET（HV MOS）紧凑模型，以消除现有模型中过高电容峰值的问题。与现有的改进电容模型方法相比，所提出的模型不再基于内部MOS和漂移区模型之间的电流连续性，而是基于电场连续性，并考虑了由于屏蔽栅（SG）和接触场板（CFP）引起的漂移区的二维效应。引入了一个新的远离SiO2/Si界面的点Ki，并使用点Ki处的静电势ψKi来替代内部漏极电压VK作为内部MOS的漏极电压，用于计算电流和电荷。此外，我们不再使用大多数现有模型中用于获取栅-漏极重叠（GDO）区域表面静电势ψK的一维高斯方程，而是提出了一个考虑P-区/ N-漂移结影响的新ψK模型。所提出的模型利用MM11模型来描述内部MOS的电流和电荷，并结合了作为ψK函数的GDO区域电荷模型，可以有效消除过高的电容峰值，并准确捕捉HV MOS的直流和电容特性。
关键词：2D效应、紧凑模型、电场连续性、栅-漏极重叠（GDO）区域电荷、高压MOSFET（HV MOS）
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文章的研究内容

文章的研究内容是提出了一种新的高压MOSFET（HV MOS）紧凑模型，该模型基于电场连续性来精确表征电容特性。与现有改进的电容模型方法相比，此模型不再依赖于内在MOS与漂移区模型之间的电流连续性，而是考虑了由屏蔽栅（SG）和接触场板（CFP）引起的漂移区的二维效应。研究中引入了一个远离SiO₂/Si界面的新点Ki，并使用Ki点处的静电势ψ_Ki来替代内在MOS的漏极电压V_K，进而计算电流和电荷。此外，研究没有采用多数现有模型中使用的基于一维高斯方程来获取栅-漏重叠（GDO）区域的表面静电势ψ_K，而是提出了一种新的ψ_K模型，该模型考虑了P体/N-漂移结界面对ψK的影响。

文章所提出的模型利用MM11模型来描述内在MOS的电流和电荷，并结合考虑ψ_K影响的GDO区域电荷模型，能够有效消除过高的电容尖峰，精确捕捉HV MOS的直流和电容特性。研究还通过使用二维泊松方程来求解ψ_Ki，并提出了一种非迭代方法来计算ψ_Ki，从而提高了计算速度和鲁棒性。通过与技术计算机辅助设计（TCAD）模拟结果以及15伏LDMOS的实际测量数据对比，验证了模型的有效性和准确性。模型还纳入了热网络以考虑自热效应，尽管实验条件限制使得无法获取所有VDS下的CGG曲线，但模型能准确捕捉CGD-VDS曲线的尖峰。

文章的核心贡献是开发了一个新的紧凑模型，它通过创新的电场连续性概念和对漂移区二维效应的考虑，显著改善了高压MOSFET电容特性的模拟精度。

文章的研究方法

文章采用的研究方法主要集中在理论建模、数值分析和实验验证几个方面，具体包括：

理论建模与创新：研究团队提出了一种新型的高压MOSFET（HV MOS）紧凑模型，该模型基于电场连续性而非传统电流连续性原理，这是理论创新之处。模型设计时考虑了二维（2-D）效应，特别是由屏蔽栅（SG）和接触场板（CFP）结构引起的漂移区效应。模型中引入了一个新的变量点Ki，用Ki点处的静电势ψKi代替传统的漏极电压VK来计算内在MOS的电流和电荷，这有助于更精确地表征高压MOS器件的电容特性。
数值求解与参数优化：研究中利用二维泊松方程求解ψKi，并通过数学推导与近似方法，如泰勒级数展开，得到了一系列方程来描述不同工作区间的电压和电荷关系。同时，提出了一个非迭代方法来快速且稳定地计算ψKi，以提高计算效率。模型中涉及的参数（如θch、θc、θd、kvg0、kvg1等）通过理论分析和拟合确定，以确保模型的精确度和实用性。
与现有方法对比：通过与现有的几种方法（称为方法1至3）进行对比，文章展示了新模型在消除过高电容尖峰方面的优势，特别是在精确捕获高压MOS器件的直流和电容特性方面。这种对比分析是通过理论推导和数值仿真完成的。
技术计算机辅助设计（TCAD）仿真验证：研究团队利用成熟的TCAD软件进行了仿真，验证了所提模型在18伏LDMOS器件上的适用性和准确性，包括直流特性和电容特性。仿真结果表明，新模型能够准确预测并消除电容尖峰现象。
实验数据验证：除了仿真验证，文章还利用了15伏LDMOS的实际测量数据进一步验证模型的准确性，证明模型不仅能有效应用于仿真环境，也能很好地反映真实器件的行为。
模型参数调整与优化：通过对模型参数的细致调整，确保模型能够适应不同条件下的器件特性，体现了模型的灵活性和普适性。

研究结合了理论分析、数值模拟与实验验证等多种研究方法，旨在开发并验证一种能够准确表征高压MOSFET电容特性的创新紧凑模型。

文章的创新点

文章的创新点在于提出了一种新的高压MOSFET（HV MOS）紧凑模型，旨在解决现有模型中电容尖峰过高的问题。以下是几个关键创新点：

基于电场连续性的新方法：不同于以往基于电流连续性的模型，新模型侧重于电场连续性，更准确地处理了高压MOS器件中漂移区的二维效应。这得益于考虑了屏蔽栅（SG）和接触场板（CFP）对漂移区的二维影响，使用了二维泊松方程来描述漂移区的电场分布。
引入Ki点和ψKi参数：模型创新性地引入了远离SiO2/Si界面的新点Ki，并使用该点的电势ψKi替代传统的内在漏极电压VK，来计算电流和电荷。ψKi的使用不仅避免了复杂的Maxwell-Boltzmann统计结合，而且简化了模型复杂度，提高了计算速度和模型的稳健性。
非迭代计算ψKi：为提升计算效率，文章提出了一个非迭代计算ψKi的方法，这在处理复杂物理现象时特别有益，因为通常迭代计算过程可能较为缓慢且稳定性不佳。
改进的ψK模型：针对栅-漏重叠（GDO）区域的电荷模型，文章提出了一种新的ψK模型，该模型考虑了P体/N-漂移结界面对ψK的影响，从而克服了传统模型仅使用一维高斯方程忽略二维效应的局限性。
综合MM11模型应用：模型综合运用了MM11模型来描述内在MOS的电流和电荷特性，并将GDO区域的电荷模型与之结合，实现了对HV MOS器件的直流特性和电容特性准确的描述，有效消除了电容尖峰问题。
理论与实践结合验证：研究不仅在理论上构建了模型，还通过技术计算机辅助设计（TCAD）仿真和实际15伏LDMOS器件的测量数据进行了验证，证明了模型的有效性和准确性，体现了理论与实践的紧密结合。

这些创新点共同构成了一个更为精准、高效且实用的高压MOSFET电容特性描述模型，对高压集成电路的设计与优化具有重要意义。

文章的结论

文章的结论是，为了消除高压MOSFET（HV MOS）中现存模型表现出的过度电容尖峰问题，本文提出了一种基于电场连续性的新型紧凑模型。该模型创新性地考虑了由屏蔽栅(SG)和接触场板(CFP)引起的漂移区二维效应，并引入了一个远离SiO2/Si界面的点Ki，利用该点的电势ψKi代替传统的内在MOS漏极电压VK来计算电流和电荷。此外，模型摒弃了常用的沿通道方向的一维高斯方程来获取GDO区域的表面电势ψK，而是提出了一个新的ψK模型，该模型考虑了P体/N-漂移结界面对ψK的影响。

模型的核心组成部分包括MM11模型来模拟内在MOS的电流和电荷，以及基于ψK的GDO区域电荷模型。这些组件的整合有效地去除了电容尖峰现象，并精确地捕捉了HV MOS的直流特性和电容特性。TCAD仿真结果和15V LDMOS的实际测量数据均被用来验证模型的准确性，表明模型在预测和表征高压MOS器件的电容特性方面具有显著的优势。

为了提高计算速度和模型的稳健性，文中还提出了一种非迭代方法来计算ψKi。最后，模型中加入了热网络以实现自热效应的模拟，尽管受限于实验条件，无法获取不同VDS下的CGG曲线，但模型能精确捕捉CGD-VDS曲线的尖峰。

总之，本文提出的基于电场连续性的高压MOSFET紧凑模型成功解决了电容尖峰问题，提高了电容特性的预测精度，并通过理论分析、仿真验证和实测数据的综合评估，验证了其在HV MOS器件建模中的有效性和实用性。