功率MOSFET寄生电容劣化对开关瞬态响应的影响

戴宇晟， 王国辉,*， 关 永， 吴立锋， 李晓娟

(1.首都师范大学信息工程学院，北京 100048；2.首都师范大学高可靠嵌入式系统技术北京市工程研究中心，北京 100048；3.首都师范大学电子系统可靠性技术北京市重点实验室，北京 100048)

功率MOSFET，以其开关速度快、驱动功率小、过载能力强等优点，在开关电源等领域中广泛应用，使电源的进一步小型化成为现实[1]。现代MOSFET技术也已朝着更为精密且性能优良的方向发展。

MOSFET的寄生参数对MOSFET的性能起着重要的影响。文献[2-3]中提出，MOSFET漏极与源极之间的寄生电容的存在会对输出信号的电压、电流、频率等存在影响。而在文献[4]中也有涉及到MOS器件沟道效应。由此可见，MOSFET的寄生参数的变化，会对MOSFET结构产生影响，更会对MOSFET的性能起到至关重要的作用。

在功率MOSFET器件中，栅极对MOSFET的影响是十分关键的。在电压应力的情况下，栅极相对于其他极，能承受的电压相对较低，也更容易被击穿[5]。文献[6]指出，当MOSFET栅长缩小到纳米量级，很多应力效应对器件性能的影响也越发明显。由此可见，栅极端对MOSFET的影响至关重要，所以，本文选择讨论与栅极相关的两个寄生参数栅源电容Cgs和栅漏电容Cgd，研究寄生参数Cgs和Cgd对功率MOSFET的开关瞬态响应影响。

本文首先建立功率MOSFET的等效电路模型，然后利用频域分析方法对等效电路建模，最后利用Saber软件仿真，对MOSFET的寄生参数Cgs，Cgd进行分析，得出两个寄生参数对MOSFET输出信号瞬态响应的影响。与此同时，也可以通过分析输出信号的瞬态响应参数，来找到MOSFET失效时发生劣化的寄生参数。上述分析，不仅能够对MOSFET失效进行预测，同时也为生产工艺改进给出建议，尽可能减小寄生参数Cgs，Cgd，从而减小其对MOSFET输出瞬态响应的影响。

1 MOSFET寄生参数简介

MOSFET虽然种类繁多，但其基本设计思想和主要参数分布都大相庭径，MOSFET参数结构图如图1所示。主要存在以下一些寄生参数[6]：

(1)与金属电阻率相关的寄生电阻Rg,Rd,Rs,Rgs；

(2)导通电阻Rds（on）；

(3)在p+本体和n－外延层结点中的二极管和一个位于n+源散射区的BJT；

(4)各极之间的寄生电容，Cgs，Cds和 Cgd。

针对不同研究需要以及实际应用情况，人们会对上述寄生参数进行省略，以便分析。

图1 MOSFET结构图

在MOSFET的实际应用中，MOSFET的性能在很大程度上依赖于栅介质的可靠性。根据摩尔定律和等比例缩小原则，随着半导体集成电路的规模越来越大，栅氧化层厚度会越来越薄[7]。所以，和栅极相关的寄生参数，也会随之而发生变化，最终引起MOSFET失效。本次对于寄生电容的研究，也围绕和栅极有关的两个寄生电容Cgs和Cgd来进行。二氧化硅以其优秀的绝缘性能，一直用于隔离MOS器件中从栅电极到沟道的电流[8]。当MOSFET发生劣化或者故障，尤其是击穿，往往是由于二氧化硅发生了变化，如公式(1)和(2)，二氧化硅的变化，对寄生电容是有影响的，当其他参数不变时，随着二氧化硅的变薄，寄生电容会增大。在本次实验，通过模拟二氧化硅变薄所引起寄生电容增大，以获得MOSFET的源极输出信号变化。

式中：W为沟道宽度；L为沟道长度；εox为二氧化硅介电常数；Tox为二氧化硅厚度。在实验过程中，假设其他参数都是恒定不变。这样，就能大大简化对寄生电容的研究。

2 频域分析

2.1 频率响应分析

对于一个含有电容、电感以及电阻的电路，在其发生输入信号突变时，会在信号突变的上升沿或者下降沿，产生一个震荡信号，成为响铃波形。利用这个响铃的变化，就可以获得MOSFET寄生参数和频率响应的重要信息。通过系统的瞬态响应特征，来研究MOSFET寄生参数变化。

对于一个系统的震荡信号，上升时间和超调量是两个重要的表征特性。通过获得这两个值，就能够得出瞬态响应的变化情况，从而得到寄生电容Cgs和Cgd的变动和MOSFET输出信号瞬态响应之间的关系。通过寄生电容和瞬态响应特性的关系，就可以分析获得MOSFET寄生电容的改变对输出信号瞬态响应变化的影响。

2.2 传递函数建立

在本次实验中，传递函数的建立，是为了对实验结果进行分析和验证，以便得出更为准确的结论。通过对MOSFET高频等效模型进行拉氏变换，获取简化的S域等效电路图如图2所示。通过对电路图进行S域的转化，使得对MOSFET的求解更简单。图中Rgs(S),Rgd(S),Rds(S),RL(S)分别为Cgs,Cgd,Cgd以及L的拉式变换的等效电阻。

图2 MOSFET高频等效S域模型

首先，获取等效电路的开路电压，通过将栅源极的负载端断路，在栅漏极加入电压源E(S)，并将各参数进行合并化简，则可求解得到戴维南等效电路的电源U(S)。其中A1，A2，A3，B1，B2，B3是为了简化计算结果，替代计算过程中含有各项寄生参数的多项式系数，而给出的替代符号。

然后，将电路内部电源置零，在负载端加入激励电源，求解等效电阻Req(S)。其中R1(S)，R2(S)和R3(S)分别为栅源极、漏源极和负载端进行合并化简所得到的等效电阻。

则根据戴维南等效电路，可以求得在含有负载时，MOSFET等效输出电压。其中，RL(S)为负载。

利用求解得出的传递函数，则可分析MOSFET寄生参数所引起的零极点变化情况，从而得到系统瞬态响应改变的原因。

3 实验结果和分析

为了模拟这两个参数在发生变化时，对输出信号的影响情况，将某型号MOSFET两个寄生参数Cgs和Cgd分别从最大值开始进行若干组等数据间隔的数据仿真。在信号输出端，分别测量MOSFET电压的超调量、峰值、上升时间、稳定时间等瞬态响应的参数。再通过分析，找出输出信号变动较为明显的瞬态响应特性，以此来观察Cgs，Cgd变化量。在其中一个参数发生变化时，其他参数均为额定值，得到Cgs电容输出信号瞬态响应参数的变化趋势图如图3所示。横轴为电容变化值，纵轴为瞬态响应对应的特征参数变化值。

图3 C gs电容值与输出信号特性关系图

由图3可以看出，随着Cgs的增大，超调量也随之增加。当电容值增加了16%时，超调量增加了8.11%。上升时间下降了3.3%。而对于Cgd，超调量和上升时间并不具有线性相关的趋势。相比之下，其峰值以及峰峰值和电容值有线性相关性，如图4所示。

图4 C gd电容值与输出信号特性关系图

图5 C gs和C gd输出特性对比图

为了看出Cgs和Cgd在同样有趋势变化的峰值和峰峰值中，哪个寄生参数对输出影响更大，更为明显，经过处理，得到对比图如图5。由图5可以看出，通过曲线拟合，对于同样具有线性相关性特征的Cgs和Cgd，Cgs的改变，所引起的输出信号瞬态响应的峰值以及峰峰值的变化更明显。其中Cgs的改变使输出信号的峰值平均改变了1.1 mV，峰峰值平均改变了0.577mV，而Cgd对应的值只改变了0.009 82和0.01mV。

通过实验仿真结果，可以得到如表1所示关于寄生电容和输出瞬态响应的关系趋势。

为了更清晰地找出规律，利用上面所求的传递函数(6)，来观察其零极点变化，从而更为清楚地找出Cgs和Cgd引起的变化原因以及变化幅度不同的原因。利用MATLAB得到Cgs和Cgd的零极点图如图6所示。由图6(a)可以看出Cgs的改变，引起了零极点的变化。其中变化最大的极点值改变了7.08%。而在6(b)中，Cgd的改变，所引起的极点最大变化为1.6%。

表1 寄生电容C,C和输出瞬态响应关系

图6 C gs和C gd零极点分布图

通过表1和图6可以知道，Cgs改变引起的输出瞬态响应变化，要比Cgd的更为明显。对于Cgs，从图6可以看出，随着电容值的增大，零极点逐渐变小。由实验结果以及图4也能得出，其超调量随着电容增大而增大，与RLC系统的性质相吻合。由图6可以看出，Cgs极点比Cgd离单位圆更近，所以其幅度变化更大。正是由于MOSFET寄生参数的改变，使得传递函数发生变化，从而引起系统零极点的变动，最终导致了输出信号的瞬态响应发生改变。同时，从图6也能很好的看出，Cgs的零极点变化幅度，要比Cgd的更大，这也解释了图5中，Cgs的改变幅度比Cgd的大的原因。

通过分析和讨论，可以得到如下几个结论：

(1)Cgs和Cgd发生劣化时，会对MOSFET的瞬态响应产生影响，这是由于电容值的改变，影响了系统零极点，从而造成MOSFET输出信号瞬态响应的变动。

(2)相对于Cgd，Cgs的变动对MOSFET瞬态响应影响更大，趋势更明显。

(3)MOSFET输出信号的瞬态响应，随着Cgs的减小呈现出线性变化的趋势。这是由于Cgs的电容值增大使得零极点变小。

栅极端寄生电容的损坏，对整个电路的影响是不容忽视的。可以利用上述结论对MOSFET，尤其是栅极端进行相应的改进或监控，这对整个电路失效和预测有重要的作用。

4 结论

通过本文可以看出，MOSFET的寄生参数，对MOSFET甚至整个电路，都有至关重要的影响。在MOSFET寄生参数中，栅源极电容Cgs对MOSFET乃至整个电路的影响不可忽视。不同寄生参数的改变，对输出信号的瞬态响应影响是不相同的。要根据实际情况观察输出信号的瞬态响应特性，从而获得较为准确的判断，确定可能是MOSFET哪一部分出现了问题。同时，也可以通过对MOSFET相应管脚进行监控或改良，减小MOSFET发生劣化或故障的概率。

本文利用Saber仿真软件，从理论的角度出发，获得了MOSFET主要寄生参数Cgs和Cgd对信号输出的影响，同时得到不同寄生参数对信号瞬态响应影响不同，为判断MOSFET在电路中的运行状态，以及电路的劣化和失效预测提供了依据。

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