[發明專利]高功率電磁脈沖作用下MOSFET電熱一體化分析方法

有效

• 申請號: 201410710215.2
• 申請日: 2014-11-28
• 公開（公告）號: CN105699871B
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 丁大志;陳如山;樊振宏;曹軍;包華廣;盛亦軍
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

本發明公開了一種高功率電磁脈沖作用下MOSFET電熱一體化分析方法。該方法首先采用時域譜元法求解漂移?擴散方程組，求出MOSFET在高功率脈沖作用下瞬時的載流子濃度和電勢分布，得出當前時刻的電場強度和電流密度。假設模型內部的熱源只有焦耳熱源，考慮周圍環境溫度和熱對流的影響，得到當前時刻各點的溫度分布。根據溫度變化更新載流子遷移率等電場參數。如此反復循環，直到漂移擴散方程組滿足收斂精度，此時的電場分布和熱分布就是應求的當前時刻MOSFET內部的電熱分布。該分析方法對研究MOSFET等半導體器件抗高功率摧毀具有極其重要的現實意義。

技術領域

本發明屬于半導體器件的瞬態的電熱效應分析，特別是一種針對MOSFET設計的數值分析方法。

背景技術

電磁脈沖是一種瞬變電磁現象。高功率電磁脈沖注入到集成電路后，會導致電路的電擊穿或者熱擊穿，甚至使設備完全損壞。集成電路和電子設備主要由半導體器件組成，電路的集成程度不斷提高，對強電磁脈沖特別是高功率電磁脈沖越來越敏感，電路中的有源元件特別是MOSFET容易吸收輻射的電磁能量，容易受到電應力的影響，使器件內部電流劇烈增大，溫度劇烈升高，從而失效，甚至損毀。為了采取有效措施對電子設備或者電子系統免受高功率電磁脈沖的危害，用軟件仿真預測半導體器件特別是應用廣泛的場效應管就有重要的理論意義和實用價值。

對MOSFET物理模型的數值仿真能夠準確仿真MOSFET內部的電場分布和熱分布，為電磁防護提供有效指導。針對MOSFET的仿真以模型劃分，主要有經典模型、半經典模型和量子模型(何野，魏同立.半導體器件的計算機模擬方法[M].北京：科學出版社，1989.12)。經典模型就是求解漂移-擴散方程組，考慮到電磁脈沖中電參數為時變函數和熱模型時間延續性的特點，采用時域方法更為合適，一般FDTD，FEM更常用。然而由于FDTD的Yee網格特性在模擬結構復雜的模型時受到限制。FEM應用到時域時每個時間步都涉及到對線性方程組的求解，計算量非常龐大，很浪費時間。

發明內容

本發明的目的在于提供一種高功率電磁脈沖作用下MOSFET電熱一體化分析方法，實現快速得到器件內部電場分布和溫度分布的方法。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種高功率電磁脈沖作用下MOSFET電熱一體化分析方法，步驟表述如下：

第一步，建立MOSFET的求解模型及網格剖分。并采用曲六面體對模型進行整體剖分，得到模型的結構信息，包括每個曲六面體單元的結點編號和坐標等。剖分網格的尺 寸大于滿足精度所需的剖分尺寸；本發明采用ANSYS對MOSFET的物理模型進行剖分，柵漏PN結附近場變化較劇烈，需要加密剖分網格。

第二步，從電流密度方程、電流連續性方程和泊松方程出發，對等式采用伽遼金法測試，強加邊界條件，進而求解得到各節點的電場及電流分布；

第三步，由以上步驟得到的電場及電流分布得出各點的功率密度；

第四步，建立MOSFET的熱傳導方程，將功率密度作為熱源項代入該方程中，求解得到各節點溫度分布；

第五步，由上步得到的溫度更新電場方程中的載流子遷移率、產生復合項等參數，重復步驟二、三、四、五步，如此反復循環，直到電場方程達到收斂條件，此時的電場、電流分布和溫度分布就是當前時刻的電熱分布結果；

本發明與現有技術相比，其顯著優點：(1)SETD采用曲六面體剖分，建模靈活，剖分方便，使用用特定的正交多項式作為基函數，隨著多項式階數的提高，計算誤差將呈指數下降。(2)MOSFET的電特性與熱特性是一體化分析的，沒有將其割裂開來。而且下一步可以將電熱之間的相互影響聯系起來。(3)熱傳導方程形成的矩陣方程性態較好，直接求逆相當方便，使用直接解法可快速求得器件內部的溫度分布。

附圖說明

圖1是MOSFET的二維剖面圖。