在電子儀器行業(yè)中，寬帶隙半導(dǎo)體已被證明比傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體更有利可圖和有效。寬帶隙碳化硅（SiC）半導(dǎo)體是市場上最先進(jìn)的半導(dǎo)體之一。這些半導(dǎo)體在各種條件下都具有令人印象深刻的性能，包括高溫、頻率、電壓和各種其他條件。

碳化硅（SiC）由于其成熟的制造工藝而具有無與倫比的電氣性能，使其適用于下一代設(shè)備制造。由于其快速的開關(guān)速度和低導(dǎo)通電阻，SiC-JFET吸引了市場的注意力，使其成為電子行業(yè)不斷增長的商業(yè)市場中的高需求材料。來自突尼斯莫納斯提爾大學(xué)和法國里昂大學(xué)的研究小組創(chuàng)建了一個(gè)JFET的多維結(jié)構(gòu)，以提高性能并通過對(duì)論文“具有橫向通道的VJFET的多物理場模型”中已經(jīng)提出的模型[2]進(jìn)行測試來驗(yàn)證它。

(資料圖)

JFET的設(shè)計(jì)和 特點(diǎn)

JFET是一種單極器件，具有兩個(gè)通道，即橫向通道和垂直通道，它們串聯(lián)連接。SiC JFET的管芯尺寸為2.4×2.4mm2，導(dǎo)通電阻為300m，閾值柵極電壓為-20V，飽和電流為20A。它由SiCED/INFINION（TO220封裝）制造，具有-20V的閾值柵極電壓和20A的飽和電流。

在JFET的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電路模型中可以看到三種物理電容：柵極和源極（CjGS），柵極和M點(diǎn)（CjGM）以及漏極和拉極（CjDS），漏極和M點(diǎn)之間有一個(gè)額外的電容器（CjMD）。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電路模型受到阻塞條件的影響，這意味著通道中不會(huì)有靜態(tài)電流流動(dòng)，以便繪制C-V（電容-電壓）特性。在指定條件下，模型的工作頻率設(shè)置為300 kHz，導(dǎo)致電容器的阻抗大于模型電路中的所有電阻。由于電阻相等，電容只會(huì)影響圖3所示合成電路模型中的特性。CGS、CDS 和 CGD 是 JFET 每個(gè)端子之間的總電容。[注意：由于柵極和漏極之間串聯(lián)的兩個(gè)電容器，因此使用兩點(diǎn)之間的合計(jì)（總）電容公式計(jì)算。

CGS= CJGS

CDS = CjDS

1/CGD = 1/CjGM + 1/CjMD

數(shù)值模擬

研究人員決定使用ISE TCAT軟件進(jìn)行2D數(shù)值模擬，其中包含SiC-JFET的預(yù)定義參數(shù)，這些參數(shù)可在研究論文中找到。使用-20 V負(fù)柵極偏置來確保JFET在仿真開始前處于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)橫向通道完全阻塞時(shí)，可以使用疊加在直流偏置電壓上的小交流信號(hào)分析來提取數(shù)值模擬中的電容。CDS（VDS）、CGD（VGD）、CGS（VDS）和CGS（VGS）作為測量特性，與二維數(shù)值模擬和分析模型獲得的特性之間的比較如下圖所示。

通過數(shù)值仿真，分析了電容CGD、CGS和CDS的結(jié)果和測量值，電容值與相關(guān)的空間電荷（SCR）寬度相關(guān)。以下標(biāo)準(zhǔn)將應(yīng)用于SCR邊界的計(jì)算。

由上式可知，Г（x）為凈摻雜濃度，p（x，t）為凈空穴濃度，n（x，t）為電子濃度，其中x和t分別是空間和時(shí)間變量。 仿真圖中分別顯示了平面結(jié)柵極-源極 CGS 和 C DS 電容與 VDS 的測量、數(shù)值仿真和分析模型。根據(jù)C DS模型的方程，已經(jīng)觀察到C GS（在~400pF電容周圍顯示為圓圈和頂部箭頭）隨VDS而微弱增加，但CGS取決于VGS，類似于柵源平面電容。研究人員注意到，在這種情況下，實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果是一致的，但在CDS和CGS電容的第三種情況下則不然，其中CGD電容與平面結(jié)電容不匹配。為了解決這種差異，基于TCAD數(shù)值分析，該團(tuán)隊(duì)提出了CGD電容的分析模型。

使用解析模型可以得出結(jié)論，CGD測量的電容與計(jì)算的電容之間存在相關(guān)性。

碳化硅JFET動(dòng)態(tài)模型驗(yàn)證

所提出的方法的驗(yàn)證對(duì)于任何實(shí)驗(yàn)都非常重要。為此，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了測試，以評(píng)估動(dòng)態(tài)性能在切換情況下的有效性。負(fù)載電阻R、負(fù)載電感L和柵極電阻RG都是電感開關(guān)仿真電路的一部分。

通過比較感阻開關(guān)關(guān)斷的仿真（藍(lán)色波形）和實(shí)驗(yàn)結(jié)果（綠色波形），我們可以看到兩者非常一致。對(duì)于感阻開關(guān)關(guān)斷，我們看到兩個(gè)結(jié)果彼此吻合良好。兩個(gè)波形重合的點(diǎn)是理想點(diǎn)。但是，在實(shí)際場景中，錯(cuò)誤會(huì)有一些差異。目的是減少誤差以獲得優(yōu)化的結(jié)果。

結(jié)論與分析

該研究文章旨在改進(jìn)和驗(yàn)證JFET的多維結(jié)構(gòu)。在阻塞條件下（靜態(tài)電流= 0A），從JFET的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電路模型開始，導(dǎo)致JFET的每個(gè)端子之間的電容器串聯(lián)和并聯(lián)。C-V特性的數(shù)值模擬顯示了不同的結(jié)果，少數(shù)結(jié)果與其他結(jié)果不遵循相同的模式。在這篇[1]研究文章中，該團(tuán)隊(duì)為垂直SiC JFET開發(fā)了一個(gè)動(dòng)態(tài)模型，該模型具有考慮端子電容中的多功能效應(yīng)的橫向通道。隨后，在VHDL-AMS軟件中對(duì)動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并在電感-電阻開關(guān)條件和電容-電壓測量下通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了仿真結(jié)果。