碳化硅VJFET的动态电路模型设计

在电子仪器行业中，宽带隙半导体已被证明比传统的硅基半导体更有利可图和有效。宽带隙碳化硅（SiC）半导体是市场上最先进的半导体之一。这些半导体在各种条件下都具有令人印象深刻的性能，包括高温、频率、电压和各种其他条件。

碳化硅（SiC）由于其成熟的制造工艺而具有无与伦比的电气性能，使其适用于下一代设备制造。由于其快速的开关速度和低导通电阻，SiC-JFET吸引了市场的注意力，使其成为电子行业不断增长的商业市场中的高需求材料。来自突尼斯莫纳斯提尔大学和法国里昂大学的研究小组创建了一个JFET的多维结构，以提高性能并通过对论文“具有横向通道的VJFET的多物理场模型”中已经提出的模型[2]进行测试来验证它。

【资料图】

JFET的设计和 特点

JFET是一种单极器件，具有两个通道，即横向通道和垂直通道，它们串联连接。SiC JFET的管芯尺寸为2.4×2.4mm2，导通电阻为300m，阈值栅极电压为-20V，饱和电流为20A。它由SiCED/INFINION（TO220封装）制造，具有-20V的阈值栅极电压和20A的饱和电流。

在JFET的静态和动态电路模型中可以看到三种物理电容：栅极和源极（CjGS），栅极和M点（CjGM）以及漏极和拉极（CjDS），漏极和M点之间有一个额外的电容器（CjMD）。静态和动态电路模型受到阻塞条件的影响，这意味着通道中不会有静态电流流动，以便绘制C-V（电容-电压）特性。在指定条件下，模型的工作频率设置为300 kHz，导致电容器的阻抗大于模型电路中的所有电阻。由于电阻相等，电容只会影响图3所示合成电路模型中的特性。CGS、CDS 和 CGD 是 JFET 每个端子之间的总电容。[注意：由于栅极和漏极之间串联的两个电容器，因此使用两点之间的合计（总）电容公式计算。

CGS= CJGS

CDS = CjDS

1/CGD = 1/CjGM + 1/CjMD

数值模拟

研究人员决定使用ISE TCAT软件进行2D数值模拟，其中包含SiC-JFET的预定义参数，这些参数可在研究论文中找到。使用-20 V负栅极偏置来确保JFET在仿真开始前处于关断状态。当横向通道完全阻塞时，可以使用叠加在直流偏置电压上的小交流信号分析来提取数值模拟中的电容。CDS（VDS）、CGD（VGD）、CGS（VDS）和CGS（VGS）作为测量特性，与二维数值模拟和分析模型获得的特性之间的比较如下图所示。

通过数值仿真，分析了电容CGD、CGS和CDS的结果和测量值，电容值与相关的空间电荷（SCR）宽度相关。以下标准将应用于SCR边界的计算。

由上式可知，Г（x）为净掺杂浓度，p（x，t）为净空穴浓度，n（x，t）为电子浓度，其中x和t分别是空间和时间变量。 仿真图中分别显示了平面结栅极-源极 CGS 和 C DS 电容与 VDS 的测量、数值仿真和分析模型。根据C DS模型的方程，已经观察到C GS（在~400pF电容周围显示为圆圈和顶部箭头）随VDS而微弱增加，但CGS取决于VGS，类似于栅源平面电容。研究人员注意到，在这种情况下，实验和仿真结果是一致的，但在CDS和CGS电容的第三种情况下则不然，其中CGD电容与平面结电容不匹配。为了解决这种差异，基于TCAD数值分析，该团队提出了CGD电容的分析模型。

使用解析模型可以得出结论，CGD测量的电容与计算的电容之间存在相关性。

碳化硅JFET动态模型验证

所提出的方法的验证对于任何实验都非常重要。为此，该团队进行了测试，以评估动态性能在切换情况下的有效性。负载电阻R、负载电感L和栅极电阻RG都是电感开关仿真电路的一部分。

通过比较感阻开关关断的仿真（蓝色波形）和实验结果（绿色波形），我们可以看到两者非常一致。对于感阻开关关断，我们看到两个结果彼此吻合良好。两个波形重合的点是理想点。但是，在实际场景中，错误会有一些差异。目的是减少误差以获得优化的结果。

结论与分析

该研究文章旨在改进和验证JFET的多维结构。在阻塞条件下（静态电流= 0A），从JFET的静态和动态电路模型开始，导致JFET的每个端子之间的电容器串联和并联。C-V特性的数值模拟显示了不同的结果，少数结果与其他结果不遵循相同的模式。在这篇[1]研究文章中，该团队为垂直SiC JFET开发了一个动态模型，该模型具有考虑端子电容中的多功能效应的横向通道。随后，在VHDL-AMS软件中对动态模型进行了验证，并在电感-电阻开关条件和电容-电压测量下通过实验结果验证了仿真结果。

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