利用高压场效应晶体管子电路模型描述自热效应的方法

技术领域

本发明涉及半导体设计领域，更具体地说，本发明涉及一种利用高压场效 应晶体管子电路模型描述自热效应的方法。

背景技术

高压场效应LDMOS(横向扩散金属氧化物半导体)管在模拟电路中的电源电 路设计中有着广泛的应用，其应用电压范围较高，耐压大，被用于大功率电路 应用中，由于高压场效应管会工作在高电压大电流的工作区域，工作时器件功 率远远高于常规低压MOS管，因此造成器件本身发热量也随着功率增大而增大。 而当器件自身温度的提升导致的结果就是沟道电流随着温度的提升而减小，也 就是业界所说的“自热效应”。自热效应在器件测试和器件建模中不可避免，测 试造成的功率发热导致的电流下降在普通MOS模型中无法描述，因此有必要在 模型中对其进行描述。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种能 够描述自热效应的高压场效应管子电路模型的建立方法。

为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种利用高压场效应晶体管 子电路模型描述自热效应的方法，包括：建立高压场效应晶体管子电路模型， 所述高压场效应晶体管子电路模型包括第一LDMOS管、第二LDMOS管、热电阻、 电压控制电压源以及电流控制电流源；其中，第一LDMOS管和第二LDMOS管的 栅极都连接外部栅极电压，第一LDMOS管MOS1的漏端连接外部漏极电压，第二 LDMOS管的漏端连接电压控制电压源，热电阻的一端连接至电流控制电流源，热 电阻的另一端连接至第一LDMOS管的源极和第二LDMOS管的源极，而且使得流 过第二LDMOS管的电流为电流控制电流源的输出电流；利用仿真工具对高压场 效应晶体管子电路模型进行仿真，并且将第二LDMOS管的仿真得到的功耗发热 对第一LDMOS管进行温度补偿反馈，通过拟合热电阻的电阻数值对自热效应下 的漏极电流电压曲线进行拟合，获得对LDMOS自热效应的描述。

其中，外部漏极电压的电压值等于电压控制电压源的输出电压值。

优选地，所述方法用于描述模拟电路的自热效应。

优选地，所述方法用于描述数字电路的自热效应。

优选地，所述方法用于数字器件测试。

优选地，所述方法用于模拟器件测试。

优选地，所述仿真工具为HSPICE。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整 的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的40V高压场效应管Id vs Vds 在25℃室温下的测试结果。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的40V高压场效应管Id vs Vds 测试结果同普通MOS管模型拟合结果比对；其中点线为实测值，实线为仿真结 果。

图3示意性地示出了本发明优选实施例采用的高压场效应晶体管子电路模 型。

图4示意性地示出了根据本发明优选实施例的拟合曲线。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构 的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或 者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发 明的内容进行详细描述。

要实现对LDMOS自热效应的描述，必须从器件原理出发。具体地说，自热 效应导致的漏端电流下降是由于电流流过器件时自身功率较大，导致LDMOS管 自身的温度升高引起的沟道迁移率下降造成的。根据这个原来，在模型中可以 假设器件沟道中存在一个热电阻，该热电阻同自发热(即，自热)存在一定的 数学关系。具体地：

步骤1.假设在固定外部环境温度T的条件下，在器件漏端存在一个外加 电压Vds，栅极电压为Vgs；在LDMOS没有自热效应存在的情况下，流过漏端的 电流为一个随栅电压和漏端电压变化的电流函数I(Vds,Vgs)。

步骤2.当电流函数I(Vds,Vgs,T)流过假定的热电阻以后，产生功率发 热，器件自身的温度发生变化，定义为ΔT。ΔT为一个可变函数，定义为 ΔT＝Res_T*I(Vgs,Vds)*Vds。关系式中Res_T为假定的热电阻，数值待定。

步骤3.ΔT和外部环境温度T共同对器件产生共同影响，使器件自身的温 度变为T+ΔT。将变化后的温度T+ΔT重新计算入电流函数I(VDS,VGS,T’)中， 获得自热效应后的电流值，其中T’＝T+ΔT。

根据上述思路，通过仿真软件HSPICE搭建如图3所示的子电路，可以实现 对自热效应的描述。其中，子电路模型由两个MOS管组成，通过自定义热电阻 的方式使其中一个理想MOS管模型仿真得到的功耗发热对另一个MOS器件进行 温度补偿反馈，通过拟合热电阻数值的方式对自热效应下的漏极电流电压曲线 曲线进行拟合，从而获得良好的模拟效果。具体如下所述：

(1)假设对LDMOS比较理想情况下没有自热效应的漏极电流电压曲线 (IdVd曲线)，先不考虑自热效应对图1中IdVd曲线进行模型提取，提取方法 可以为业界比较普遍的BSIM4提取方法，可以获得如图2中实线描述的器件模 型。

(2)根据假设的步骤1、步骤2和步骤3用仿真软件HSPICE搭建了如图 3所示的子电路。其中第一LDMOS管MOS1和第二LDMOS管MOS2为由相同的器件 模型参数构成的两个LDMOS管(模型参数由步骤(1)获得)，第一LDMOS管MOS1 和第二LDMOS管MOS2的栅极共同地接外部栅极电压Vgs，第一LDMOS管MOS1的 漏端外接漏极电压Vds，第二LDMOS管MOS2的漏端外接一个电压控制电压源Ex， 电压控制电压源Ex的输出电压等同于Vds，流过第二LDMOS管MOS2的电流为 Ids2，电流控制电流源Fx的输出电流等于Ids2，Res_T是假定的热电阻的电阻 值，其数值待定。通过公式T’＝Res_T*Fx*Vds计算出自热效应后由自热电阻产生 的温度差。

(3)将温度差公式T’补偿到第一LDMOS管MOS1中，将第一LDMOS管MOS1 仿真的电流结果同图1中测试得到的漏极电流电压数据进行比较，对热电阻 Res_T进行拟合，近似得到如图4所示的拟合曲线。从图4中可以看到仿真出的 Ids电流已经随着Vds和Vgs的增加电流开始下降。根据该子电路，成功获得一 定精度的自热效应的仿真结果。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第 一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤 等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并 非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技 术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多 可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发 明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、 等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。