建立SiC VJFET 的动态电路模型

在与电子仪器相关的行业中，与传统的硅基半导体相比，宽带隙半导体的创新已被证明是有利可图和有效的。碳化硅 (SiC)宽带隙半导体是最先进的半导体之一，具有显着的相关性。这些半导体在各种参数(如高温、频率、电压等)方面表现相当出色。

通过其成熟的制造工艺，碳化硅 (SiC) 具有无与伦比的电气特性，使其能够融入下一代设备制造。SiC-JFET 以其快速的开关速度和低的导通电阻吸引着市场，使其成为电子行业不断上升的商业市场中的高需求材料。

隶属于突尼斯莫纳斯提尔大学和法国里昂大学的一组研究人员开发了 JFET 的多维结构，以提高性能并通过对模型的测试进行验证，该模型已在论文“A Multi - 具有横向通道的 VJFET 的物理模型”。

JFET 的布局和特性

JFET 是一种单极器件，具有两个串联连接的通道——横向通道和垂直通道。SiCED/INFINION(TO220封装)1200V SiC JFET芯片尺寸为2.4×2.4mm 2，导通电阻为300mΩ，阈值栅极电压为-20V，饱和电流为20A。

在 JFET 的静态和动态电路模型中，我们可以看到三个物理电容：栅极和源极之间 (C jGS )、栅极和 M 点之间 (C jGM ) 和漏极和源极 (C jDS )，漏极之间还有一个电容和点 M (C jMD )。为了绘制 CV(电容-电压)特性，静态和动态电路模型经历阻塞条件，这意味着通道中不会有静态电流流动。当模型处于规定条件下时，工作频率设置为 300 kHz，这导致电容器的阻抗大于模型电路中存在的所有电阻。

在图 3 所示的结果电路模型中很明显，电容器只会影响特性，因为与电容器相比，电阻较低。取 JFET 每个端子之间的总电容，我们得到 CGS、CDS 和 CGD。[注意：栅极和漏极之间的两个电容器是串联的，因此它们是根据两点之间的合成(总)电容的公式计算的。

CGS = CJGS _

CDS = CjDS _

1/C GD = 1/C jGM + 1/C jMD

数值模拟

研究人员决定使用 ISE TCAT 软件在研究论文中提供的预定义参数下对 SiC-JFET 进行二维数值模拟。

为开始仿真，施加 -20 V 的负栅极偏置以确保 JFET 设置为关闭状态。当横向通道完全阻塞时，可以通过叠加在直流偏置电压上的小交流信号分析在数值模拟中提取电容。

下图显示了测量特性 C DS (V DS )、C GD (V GD )、C GS (V DS ) 和 C GS (V GS ) 与从 2D 数值获得的特性的比较模拟和分析模型。

数值模拟分析

在数值模拟之后，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。

从上面的等式中，Γ(x) 是净掺杂浓度，p(x,t) 是净空穴浓度，n(x,t) 是电子浓度，其中 x 和 t 分别是空间和时间变量。

平面结栅极-源极 C GS和 C DS电容与 V DS的测量、数值模拟和分析模型分别显示在模拟图中。根据 C DS模型的方程式，已观察到 C GS(在约 400pF 电容周围标示为圆圈和顶部箭头)随 V DS微弱增加，但 C GS取决于 V GS并且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，而在 CDS 和 CGS 电容的第三种情况下，情况并非如此，其中 CGD 电容不适合平面结电容。为了解决这个差异，基于TCAD数值分析，该团队提出了CGD电容的分析模型。

使用分析模型，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。

SiC JFET 动态模型验证

验证所提出的方法对于任何实验都非常重要。为此，该团队进行了测试，以评估切换情况下动态性能的有效性。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。

查看电感-电阻开关关断的仿真(蓝色波形)和实验(绿色波形)结果的比较，我们可以看到两者非常吻合。对于感阻开关关断，我们看到两个结果非常吻合。两个波形重合的点是理想点。但是，在实际场景中，误差会有所不同。目的是减少错误以获得优化的结果。

结论与分析

该研究文章基于中开展的工作，旨在改进和验证 JFET 的多维结构。在阻断条件下(静态电流 = 0A)，从 JFET 的静态和动态电路模型开始，在 JFET 的每个端子之间产生串联和并联的电容器。CV 特性的数值模拟展示了不同的结果，其中一些结果与其他结果不遵循相同的模式。在这篇 [1] 研究文章中，该团队为具有横向沟道的垂直 SiC JFET 开发了一个动态模型，该模型考虑了终端电容中的多功能效应。后来在VHDL-AMS软件中进行动态建模，