vdmos元胞设计与模拟仿真(附件)【字数：7729】
摘 要垂直双扩散金属-氧化物-场效应晶体管简称VDMOS，它比双极型器件有更多的优良特性:输入阻抗高、驱动电流低、开关速度快、没有二次击穿等，因此被广泛应用于消费电子、电脑、工业控制、电力设备、汽车电子和网络通讯等领域。本文首先介绍了VDMOS的研究背景，然后分析了VDMOS的工作原理和电学参数，继而研究了VDMOS的元胞结构，最后利用TSUPREM4工艺仿真软件和MEDICI电学特性仿真软件设计了150V的VDMOS，并对器件的元胞结构和击穿电压进行了仿真，得到的仿真结果与理论分析一致。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景 1
1.2国内外的发展情况 2
1.3本课题的主要内容 2
第二章 VDMOS的工作原理和电学参数 3
2.1VDMOS的工作原理 3
2.2VDMOS的电学特性 3
2.3VDMOS的击穿电压和导通电阻 5
第三章 VDMOS的元胞设计 9
3.1VDMOS的元胞图形设计 9
3.2VDMOS的元胞结构设计 9
第四章 VDMOS的工艺仿真和电学仿真 13
4.1仿真软件的介绍 13
4.2VDMOS的工艺仿真 13
4.3VDMOS的电学特性仿真 17
结束语 18
致谢 19
参考文献 20
附录A 21
附录B 24
第一章 绪论
1.1课题的研究背景
电力电子器件又称为功率半导体器件，在电子器件中起控制电路和电能转换的作用。从第一支工业用晶闸管的研发成功开始，功率半导体的发展一共经历了四个阶段，从表11中看出，VDMOS处于第三代。
表11 功率半导体所经历的四个代表性阶段表
阶段
时间
优点
代表器件
第一代
五、六十年代
重量轻、效率高
晶闸管
第二代
七十年代
开关频率高、控制方法简单
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
可关断晶闸管、功率双极型晶体管等
第三代
八十年代
更高的工作频率
MOS控制晶闸管、功率MOSFET、绝缘栅晶体管、静电感应晶体管和晶闸管
第四代
九十年代以后
集成功率等级不同的驱动、保护、检测和功率输出单元
功率集成电路和智能功率集成电路
在器件的设计中，VDMOS具有高输入阻抗、低驱动功率、高开关速度、优越的频率性、优良的热稳定性、宽安全工作区等特点，因而被广泛运用在通讯、航空航天、电脑操控、家用电器等方面，例如：
（1）在计算机中的运用
根据VDMOS的各项特性，可将集成芯片中的逻辑信号转化为驱动信号，提供各项执行部件所需电流，执行各项部件功能。如继电器、步进机、打印机、磁盘机等等。作为接口部件，具有电路简单、体积小、重量轻、速度快等特点，是实现软硬件间信息转化的重要器件。
（2）在音响设备中的运用
VDMOS具有理想的线性转移特性，基于理想的转移特性，让VDMOS的音响设备工作在高线性区，减少信号的失真，实现电路保护。因而VDMOS多被运用在高档的音响设备中。
高频范围内的运用
根据VDMOS短沟道多数载流子导电的特性，因而拥有较高的截止频率，所以器件的响应速度相对于其他器件要快，还可以将多余的低频信号过滤。此特性在通信、微波、雷达等方面中得到了广泛的使用。
电子电力方面运用
在开关器件中VDMOS具有开关损耗小，无需储存时间、开关时间在几毫秒之间等特点，因此在开关器件中有突出的优势。变换器中可以改变输出功率，实现器件功率转化，增强了器件的性能。尤其是在大功率器件中，VDMOS起到功率振荡和放大的作用，具有高频率，高效率，器件结构简单等优势。
上述的几个领域中，不同的需求所对应的性能指标也不一样。对于电源供应电路来说，在阻断电压的范围内，降低损耗，提高器件的效率成为关键。尤其是在当今能源损耗情形下，各个国家都在追求低能耗发展，发展新的节能型电子器件已成为重要机遇。垂直双扩散场效应晶体管(VDMOS)作为最广范运用的电子器件，是提高整体电力系统性能和节能指标的首要选择。
功率器件另一个特例就是IGBT，它是VDMOS技术与BJT技术相结合，其特点在具有VDMOS优势的同时，它在高压区耐压受导通电阻损耗相比于VDMOS较小。所以现在VDMOS占据低压市场较多，IGBT占据高压市场较多。
1.2国内外的发展情况
1979年，VDMOS结构提出后，半导体功率器件发展产生了巨大的变革，到上世纪90年代，MOS器件几乎垄断了中小功率器件的市场，占据了市场大量的份额。VDMOS在欧美、日韩等发达国家已经拥有较成熟的制造工艺，并大批量的生产和流入市场。如：美国的IR公司，ON Semi公司，欧洲的ST公司和Infineon公司，韩国的三星公司等。
尽管国外VDMOS的发展较为先进，但是国内在该领域的发展仍比较落后。目前国内VDMOS几乎所有都是从国外进口，随着这几年VDMOS器件在中国的发展，东光微电、华微电子、深圳深爱、江阴新顺等公司与国外公司不断交流借鉴，引进设备，逐渐打破了国外制造商垄断市场的现象，成为中国VDMOS发展的重要推力。江苏东光微电子股份有限公司占据了VDMOS生产的重要地位，拥有较为规范的管理体系和规模较大的生产体系。其中最为成熟的是600V系列，也是市场比例最高和利润率最高的一个系列。
1.3本课题的主要内容
本课题的主要研究内容是VDMOS元胞设计与仿真，首先学习并掌握VDMOS的工作原理和电学特性，然后研究VDMOS的元胞结构，最后利用TSUPREM4工艺仿真软件和MEDICI电学特性仿真软件设计了150V的VDMOS，并对器件的元胞结构和击穿特性进行仿真，得到的仿真结果与理论分析一致。本文最后结束语简述了本文所实现的内容，以及对没有研究的电学特性做出了展望。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景 1
1.2国内外的发展情况 2
1.3本课题的主要内容 2
第二章 VDMOS的工作原理和电学参数 3
2.1VDMOS的工作原理 3
2.2VDMOS的电学特性 3
2.3VDMOS的击穿电压和导通电阻 5
第三章 VDMOS的元胞设计 9
3.1VDMOS的元胞图形设计 9
3.2VDMOS的元胞结构设计 9
第四章 VDMOS的工艺仿真和电学仿真 13
4.1仿真软件的介绍 13
4.2VDMOS的工艺仿真 13
4.3VDMOS的电学特性仿真 17
结束语 18
致谢 19
参考文献 20
附录A 21
附录B 24
第一章 绪论
1.1课题的研究背景
电力电子器件又称为功率半导体器件，在电子器件中起控制电路和电能转换的作用。从第一支工业用晶闸管的研发成功开始，功率半导体的发展一共经历了四个阶段，从表11中看出，VDMOS处于第三代。
表11 功率半导体所经历的四个代表性阶段表
阶段
时间
优点
代表器件
第一代
五、六十年代
重量轻、效率高
晶闸管
第二代
七十年代
开关频率高、控制方法简单
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
可关断晶闸管、功率双极型晶体管等
第三代
八十年代
更高的工作频率
MOS控制晶闸管、功率MOSFET、绝缘栅晶体管、静电感应晶体管和晶闸管
第四代
九十年代以后
集成功率等级不同的驱动、保护、检测和功率输出单元
功率集成电路和智能功率集成电路
在器件的设计中，VDMOS具有高输入阻抗、低驱动功率、高开关速度、优越的频率性、优良的热稳定性、宽安全工作区等特点，因而被广泛运用在通讯、航空航天、电脑操控、家用电器等方面，例如：
（1）在计算机中的运用
根据VDMOS的各项特性，可将集成芯片中的逻辑信号转化为驱动信号，提供各项执行部件所需电流，执行各项部件功能。如继电器、步进机、打印机、磁盘机等等。作为接口部件，具有电路简单、体积小、重量轻、速度快等特点，是实现软硬件间信息转化的重要器件。
（2）在音响设备中的运用
VDMOS具有理想的线性转移特性，基于理想的转移特性，让VDMOS的音响设备工作在高线性区，减少信号的失真，实现电路保护。因而VDMOS多被运用在高档的音响设备中。
高频范围内的运用
根据VDMOS短沟道多数载流子导电的特性，因而拥有较高的截止频率，所以器件的响应速度相对于其他器件要快，还可以将多余的低频信号过滤。此特性在通信、微波、雷达等方面中得到了广泛的使用。
电子电力方面运用
在开关器件中VDMOS具有开关损耗小，无需储存时间、开关时间在几毫秒之间等特点，因此在开关器件中有突出的优势。变换器中可以改变输出功率，实现器件功率转化，增强了器件的性能。尤其是在大功率器件中，VDMOS起到功率振荡和放大的作用，具有高频率，高效率，器件结构简单等优势。
上述的几个领域中，不同的需求所对应的性能指标也不一样。对于电源供应电路来说，在阻断电压的范围内，降低损耗，提高器件的效率成为关键。尤其是在当今能源损耗情形下，各个国家都在追求低能耗发展，发展新的节能型电子器件已成为重要机遇。垂直双扩散场效应晶体管(VDMOS)作为最广范运用的电子器件，是提高整体电力系统性能和节能指标的首要选择。
功率器件另一个特例就是IGBT，它是VDMOS技术与BJT技术相结合，其特点在具有VDMOS优势的同时，它在高压区耐压受导通电阻损耗相比于VDMOS较小。所以现在VDMOS占据低压市场较多，IGBT占据高压市场较多。
1.2国内外的发展情况
1979年，VDMOS结构提出后，半导体功率器件发展产生了巨大的变革，到上世纪90年代，MOS器件几乎垄断了中小功率器件的市场，占据了市场大量的份额。VDMOS在欧美、日韩等发达国家已经拥有较成熟的制造工艺，并大批量的生产和流入市场。如：美国的IR公司，ON Semi公司，欧洲的ST公司和Infineon公司，韩国的三星公司等。
尽管国外VDMOS的发展较为先进，但是国内在该领域的发展仍比较落后。目前国内VDMOS几乎所有都是从国外进口，随着这几年VDMOS器件在中国的发展，东光微电、华微电子、深圳深爱、江阴新顺等公司与国外公司不断交流借鉴，引进设备，逐渐打破了国外制造商垄断市场的现象，成为中国VDMOS发展的重要推力。江苏东光微电子股份有限公司占据了VDMOS生产的重要地位，拥有较为规范的管理体系和规模较大的生产体系。其中最为成熟的是600V系列，也是市场比例最高和利润率最高的一个系列。
1.3本课题的主要内容
本课题的主要研究内容是VDMOS元胞设计与仿真，首先学习并掌握VDMOS的工作原理和电学特性，然后研究VDMOS的元胞结构，最后利用TSUPREM4工艺仿真软件和MEDICI电学特性仿真软件设计了150V的VDMOS，并对器件的元胞结构和击穿特性进行仿真，得到的仿真结果与理论分析一致。本文最后结束语简述了本文所实现的内容，以及对没有研究的电学特性做出了展望。
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