ترانزیستور هیبرید برای  مدارهای مجتمع توان آینده

ترانزیستور هیبرید برای مدارهای مجتمع توان آینده – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه برق – الکترونیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

ترانزیستور هیبرید برای

 مدارهای مجتمع توان آینده

 چکیده

مدارهای مجتمع توان آینده برای مدیریت قدرت و الکترونیک خودکار (وسایل نقلیه) نیاز به سطح بالاتری از جامعیت مولفه های الکترونیک قدرت در فرآیندهای تکنولوژی CMOS پیشرفته، در مقایسه با کاربردهای امروزی، را خواهند داشت. نسل کنونی ادوات یا دستگاه های ولتاژ – توان بالای جانبی را نمی توان بیش از این بطور مناسبی مقیاس بندی نموده و در یک محدوده مشخص جای داد. با توجه به هزینه فزآینده مساحت کاربردی سیلیکون برحسب میلیمتر مربع در هر یک از نسلهای CMOS جدید، امر جامع سازی  این اجزای متعارف توان – HV به سرعت بعنوان یک پدیده غیر اقتصادی مطرح می شود. جایگزینی آنها با ادوات عمودی، بواسطه مقاومت بهتر و ذاتی آنها که قابلیت مقیاس دهی را بهتر می سازند، با توجه به نفوذ در مولفه های گسسته بازار، نیز بعنوان عملکردی مشهود مد نظر نیست. پردازش ادوات عمودی با رویه تولید CMOS بصورت مسطح ناسازگار بوده و همچنین جامعیت هر دوی این فرآیندها منجر به حصول پیچیدگی در حد زیاد و غیر قابل پذیرشی می شود که خود روال بازاری سازی این محصولات را با مشکل مواجه می سازد.

در این تحقیق، یک ترانزیستور هیبرید جدید که مزیتهای ابزاره های عمودی و عرضی را در خود جای داده است مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. بطور مشابه با ادوات عمودی، ترانزیستور هیبرید دارای جریان عمودی در هر دو ناحیه کانال گیت و دریفت (یا درین تعمیم یافته) می باشد که مقاومت بسیار اندکی را سبب شده و اندازه بسیار کوچکی دارد. بطور همزمان، کلیه ترمینالهای این ابزاره – سورس، درین، گیت و صفحه میدان – بر روی سطوح بالایی، همان گونه که در ابزاره های عرضی شایع هستند، قرار گرفته اند. این حقیقت در ترکیب با پردازش ساده یک جامعیت سر راست را برای ترانزیستور هیبرید در زمینه هر نوع تکنولوژی CMOS تضمین می کند. ناحیه دریفت عمودی با یک صفحه میدان همراه است، که اجازه ولتاژ شکست بالاتر و مقاومت خاص پایین تر را می دهد.

این ابزاره با استفاده از شبیه سازی های عددی تحلیل شد. توزیع بالقوه در حالت خاموش عمدتا با توجه به پارامترهای مختلف ابزاره مورد  مطالعه قرار گرفته است، همانند عمق و پهنای گودال، غلظت / تمرکز ناخالصی و ضخامت اکسید زیر صفحه میدان. هدف ما به حداکثر رسانی ولتاژ شکست (B_VDS) برای اندازه حداقلی ابزاره و غلظت ناخالصی حداکثری در ناحیه دریفت می باشد. غلظت این ابزاره برای حوزه های V 50 و V100 بهینه شد.

در نهایت، ناحیه دارای وضعیت باز برای ترانزیستور توان هیبرید به منظور تشخیص مقاومت خاص (Ron,sp) شبیه سازی شد. یک مقاومت خاص   ^۲mΩmm 76.7 برای ولتاژ شکست V100 مشخص شد. این یک رابطه جایگزین ممتاز BV_DS – R_on.sp بشمار آمده که عملکرد بهتری در برابر هر ابزاره عرضی موجود دیگری خواهد داشت.

کلمات کلیدی: مدارهای جامع قدرت، ولتاژ شکست، ولتاژ فشار قوی، مقاومت خاص، RESURF، صفحه میدان، TrenchMOS،  خودکار

ترانزیستور هیبرید برای  مدارهای مجتمع توان آینده

۱- مقدمه

۱-۱- مروری بر دستگاههای توان / قدرت

دستگاههای توان نقش مهمی را در تکنولوژی­های نیمه ­­رسانای امروزه ایفا می­کنند. بسیاری از دستگاههای پیچیده به تبدیل توان نیاز دارند (مثل تبدیل DC به DC). در کاربردهایی که در آنها اپراتور وجود ندارد و دستگاه باید به تنهایی و برای مدت طولانی کار کند و همچنین در مصارف توان کم هنگام شارژ باتری به تبدیلات توان موثر و کارا نیاز دارد. کاربردهایی که در آنها از دستگاه­های ولتاژ بالا استفاده می‌کنند را می­توان به دو دسته تقسیم کرد: سیستم به صورت بسته­ بندی(SiP) و سیستم روی تراشه (SoC). SiP مولفه­های ولتاژ بالای گسسته (که توسط تکنولوژی خاصی تولید می­شوند) را با استفاده از IC مخصوصی روی بردهای چاپی مجزا ترکیب می­کند. مولفه­های گسسته ولتاژ بالا معمولا دستگاههای عمودی هستند که توسط تکنولوژی بهینه ­شده­ای تولید می­شود، که اغلب با پردازش­ های IC هماهنگ نیست. در SoC ترانزسیورهای ولتاژ بالا به همراه دیگر مولفه­های IC روی یک تراشه­ سیلیکونی مجتمع / تعبیه می­شوند (البته می­تواند به صورت یک فرآیند اختیاری در هنگام ساخت IC باشد). در این گزارش تنها SoC بررسی می­شود و SiP و دستگاه­های ولتاژ بالای مربوط به آن لحاظ نمی­شوند.

دستگاه­ های توان یکپارچه (مجتمع) هم در صنعت و هم در مصرف مردم از قبیل تلویزیون­های رنگی، نمایشگر موبایل یا دستگاه‌های پخش موسیقی، الکترونیک وسایل نقلیه و مدارهای ارتباطی کاربردهای زیادی پیدا کرده است (شکل ۱-۱). در این کاربردها، ترانزیستورهای ولتاژ بالا معمولا در مدارات زیر به کار می­روند: مبدل­های DC به DC، درایورهای نمایشی و واحدهای تنظیم توان. در اکثر این کاربردها، به ولتاژهای زیر v200 و همچنین به قابلیت جریان­دهی بالا (زیر ۱۰ آمپر) نیاز می­باشد. قابلیت جریان­دهی بالا منجر به بزرگ­ شدن اندازه  نسبی وسیله­ی مورد نظر منجر می­شود (یعنی ترانزیستور با پهنای زیاد). از آنجا که هزینه برای هر میلیمتر مربع بیشتر افزایش می­یابد لذا برای دست یافتن به جریان­دهی بالا و همچنین پائین نگه­داشتن هزینه، پائین بودن مشخصه­ مقاومت در ترانزیستور یا دیود امری ضروری است.

ترانزیستور هیبرید برای  مدارهای مجتمع توان آینده

۱-۲- راه ­حل ­های موجود

شرکت­های مختلف ولتاژهای گوناگونی را در نسل­های CMOS جهت اختیار کردن تعبیه کرده­اند. برای مثالABCD  توسط شرکت Philips Semiconductors، BCD توسط STMicro Electronics، LBC توسط Texas Instruments یا SmartMOS توسط Freescale را می­توان نام برد. در تمامی این فرآیندها، ترانزیستورهای ولتاژ بالا در DMOS جانبی، که به درین گسترش یافته نیز مشهور می­باشد، تفاوت می‌کنند. در این نوع ترانزیستورها یک ناحیه­ کوچک دریفت ناخالص (doped drift) وجود دارد که گیت و درین را به منظور تولید ولتاژ بالا در درین از هم جدا می­کند. کانال گیت و ناحیه  دریفت هر دو در جهت جانبی وسعت داده می­شوند (موازی با سطح تراشه­ی سیلیکونی). در نتیجه مشخصه­ مقاومت در وضعیت روشن (on state) به طور نسبی بزرگ می­شود و ولتاژ شکست را نیز به صورت قابل توجهی افزایش می­دهد.

برای بهبود مصالحه بین ولتاژ شکست و مقاومت، چندین روش RESURF (میدان الکتریکی سطح کاهش یافته) به کار رفته است. برای مثال پیوند RESURF یا صفحه میدان (field plate) مبتنی بر RESURF از این روش­ها می­باشد. در این روش­ها یک تخلیه­ی توسعه ­یافته (اضافی) در ناحیه­ دریفت به وجود می­آید که به نوبه­ی خود ناخالصی بیشتر را ممکن می­سازد و این نیز به مقاومت کمتر بدون کاهش در ولتاژ شکست منجر می­شود.

۱-۳- مفهوم دستگاه پیشنهادی

در این تز، یک MOSFET توان جدید و یک MOSFET هیبرید (ترکیبی) کورد بررسی قرار می­گیرد. ساختار جدید، ناحیه  دریفت عمودی و ناحیه  کانال گیت عمودی را به وجود می­آورد که باعث می­شود از مزیت­های دستگاه­های عمودی استفاده کرد. در این ساختار ولتاژ شکست با استفاده از صفحه میدان افزایش یافته است. با این حال تمام ترمینال­های دستگاه (سورس، درین، گیت و صفحه میدان) در قسمت بالا دستگاه قرار می­گیرند که این کار یکپارچه ­سازی آسان را برای IC  ممکن پذیر می­کند.

ساخت دستگاه با در نظرگرفتن پارامترهای مختلف مورد بررسی و آنالیز قرار می­گیرد. میزان تاثیر هر یک از پارمترها مورد بررسی قرار می­گیرد و ولتاژهای شکست مربوط به هر حالت تعیین می­شود. همچنین دستگاه برای بازه ولتاژ معینی بیشتر بهینه می­شود. در ابتدا این شبیه ­سازی­ها روی دیودها انجام می‌شود. در نهایت نتایج پارامترها برای دیودها روی ترانزیستورها بررسی و اصلاح می­شود. کارایی دستگاه با بررسی مقاومت در وضعیت روشن کامل می­گردد. این بررسی به ما اجازه می­دهد که مشخصه­ ولتاژ شکست به مقاومت را نسبت به کارهای قبلی مقایسه کنیم.

ترانزیستور هیبرید برای  مدارهای مجتمع توان آینده

۱-۴- ساختار تز

فصل اول ایده­ی کلی روش را نشان می­دهد و همچنین وابستگی­ های علمی و صنعتی مربوط به آن را توضیح می­دهد.

فصل دوم ابزارهای شبیه­ سازی مورد استفاده در این گزارش را توصیف می­کند.

فصل سوم یک پیوند معمولی p-n یک بعدی و مشخصات بدست آمده از آن را بررسی می­کند.

فصل چهارم نتایج دیود صفحه میدان را بیان می­کند و تاثیرات صفحه میدان را روی ولتاژ شکست نشان می­دهد.

فصل پنجم ساختار دیود هیبریدی را معرفی می­کند. تاثیر پارامترهای مختلف روی ولتاژ شکست نشان داده می­شود. همچنین بهینه­ سازی برای ولتاژهای شکست ۵۰  و ۱۰۰ ولت مورد بحث قرار می­گیرد.

فصل ششم ولتاژ شکست و مشخصه وضعیت روشن برای ترانزیستور ترکیبی مورد بررسی قرار می­گیرد. مشخصه ولتاژ شکست در مقابل مقاومت ترانزیستور (در وضعیت روشن) با تکنولوژی­ های موجود مقایسه می­شود.

فصل هفتم مربوط به نتیجه­گیری و ارائه پیشنهادات برای کارهای آینده می‌باشد.

ترانزیستور هیبرید برای  مدارهای مجتمع توان آینده

۲ – ابزارهای شبیه­سازی

۲-۱- مقدمه

ابزارهای شبیه ­سازی امروزه که در بازار وجود دارند یا به صورت پردازشی هستند یا به صورت دستگاههای شبیه ­سازی هستند که به منظور واقعی کردن شبیه­سازی­ها دارای یک واسط می‌باشند. این شبیه­ سازی­های عددی معمولا برای کارهای آنالیزی و تخمینی به کار می­روند. این ابزارها بدون نیاز به ساختن واقعی دستگاه دید خوبی را به کاربر می­دهند. پارامترها و پدیده­ های فیزیکی مختلفی را در هر نقطه از داخل دستگاه میتوان با استفاده از این ابزارها آنالیز کرد. این کار به نوبه­ی خود باعث صرفه جویی در زمان و هزینه­ها در تحقیقات و توسعه­ نیمه ­رساناها می­شود و همچنین باعث افزایش دانش در مورد فیزیک دستگاه موردنظر خواهد شد.

۲-۲- نرم ­افزار شبیه ­ساز MEDICI دو بعدی

MEDICI یک نرم ­افزار قدرتمند است که برای شبیه ­سازی بسیاری از دستگاه­های الکترونیکی از جمله دیودها، MOSFET ها،  JFET ها، ترانزیستورهای دو قطبی و غیره به کار می­رود. این نرم‌ افزار قابلیت پیاده­کردن شبیه­ سازی­های یک بعدی و دو بعدی را دارد. این نرم ­افزار، دستگاه مورد نظر را از طریق مجموعه‌ای از نقاط گسسته، که مطابق با ساختار دستگاه می‌باشد، تخمین می­زند. در هر نقطه میزان ناخالصی، نوع ماده و مواد وابسته به آن و همچنین ثابت­های الکتریکی تعیین می‌شوند. در هنگام تعریف ساختار دستگاه برای نرم­ افزار، الکترودها (جاهایی که می­توان ولتاژ و جریان را اعمال کرد و/ یا محاسبه کرد) نیز تعریف می­شوند. این انتخاب ­ها هم انعطاف ­پذیری بالایی را در آنالیز به وجود می­آورند و در عین حال نیز می­توانند واقعی باشند.

۲-۳- مشخصه­ های شبیه­ سازی­ شده

در این گزارش چهار وسیله شبیه ­سازی شده است که شامل یک پیوند ساده­ی P-N دو بعدی (دیود)، دیود صفحه میدانی، دیود هیبرید و ترانزیستور هیبرید می­باشند. در شبیه ­سازی­ها بیشتر از مشخصه  معکوس استفاده شده است و ولتاژ شکست نیز در هر مورد بدست می­آید. ولتاژ شکست از طریق محاسبه انتگرال یونش ضربه ­ای محاسبه می­شود، به این صورت که ولتاژ شکست ولتاژی است که در آن مقدار این انتگرال برابر یک می­شود. اکثر شبیه ­سازی ­ها مبتنی بر حل معادله  پواسون بدون در نظر گرفتن حامل­ ها می­باشند. در اکثر موارد این فرض کافی خواهد بود و منجر به کاهش زمان محاسبات نیز می­شود. در بعضی ساختارهای خاص، به منظور حصول اطمینان از واقعی بودن نتایج، حامل­های الکترون و حفره نیز در نظر گرفته می­شوند. در این گزارش، هر کجا لازم باشد این موضوع بیان می­شود. در مورد دیود ساده، جریان معکوس نیز شبیه ­سازی می­شود که حامل ­ها نیز در نظر گرفته می­شوند. جریان معکوس به این دلیل شبیه ­­سازی می­شود تا دلیل استفاده از انتگرال یونیزاسیون برای محاسبه  ولتاژ شکست ثابت شود.

در نهایت ترانزیستور هیبرید در وضعیت روشن شبیه­ سازی می­شود، حامل­ های حفره و الکترون باید وارد محاسبات شوند تا جریان درین- سورس بدست آید.

ترانزیستور هیبرید برای  مدارهای مجتمع توان آینده

۳- دیود پیوندی P-N

۳-۱- مقدمه

ابتدا و به منظور بدست ­آوردن یک دانش اولیه در مورد ولتاژ شکست در وسایل نیمه­رسانا، یک پیوند P-N ساده مورد بررسی قرار می­گیرد. در اینجا تنها به بررسی بایاس معکوس بسنده می­کنیم. همانطور که در شکل ۱-۳ ملاحظه می­کنید، یک دیود پیوندی P-N از اتصال نیمه­رساناهای نوع N و P بدست می آید. نواحی  Nو P به صورت مشابه با پیوند مرحله‌ای ناخالص می‌شوند. اتصال­هایی که از دو نوع متضاد تشکیل می­شوند، اتصال فلزی نامیده می­شوند.

…

۳-۲- ولتاژ شکست

به منظور آنالیز ولتاژ شکست یک دستگاه، باید مشخصه  شکست آن دستگاه را مورد بررسی قرار داد. مقدار ماکزیممی که می‌توان ولتاژ را به صورت معکوس به یک پیوند P-N اعمال کرد با شکست محدود می­شود. شکست به افزایش ناگهانی جریان در حالت بایاس معکوس گفته می­شود. مقدار ولتاژی که باعث این شکست می­شود ولتاژ شکست نامیده می­شود و به این معنی است که وسیله (پیوند) تحمل ولتاژ بیشتر از آن را ندارد. دلیل شکست در یک وسیله پدیده­ بهمنی می­باشد. ولتاژ شکست در یک وسیله رابطه­ معکوس با میزان ناخالصی دارد. شکست بهمنی به دلیل یونش ضربه­ای جفت­های حفره  الکترون بوجود می­آید. هنگامی که یک ولتاژ بالا اعمال می­شود، میدان الکتریکی داخل پیوند زیاد می شود و بنابراین حامل­ ها می­توانند انرژی جنبشی لازم را بدست آورند و سپس زوج­های حفره- الکترون از طریق یونش ضربه‌ای بوجود می­آیند.

۳٫۳ ساختار شبیه سازی شده

۳-۴ آنالیز و شبیه ­سازی

دیود P-N دو بعدی با پارامترهای جدول ۳-۱ شبیه ­سازی شد و برای مقدار ناخالصی ­های مختلف مورد آنالیز قرار گرفت. در این ساختار میزان ناخالصی در یک سمت بسیار بیشتر از سمت دیگر است. در اینجا میزان ناخالصی ناحیه P بیشتر از ناحیه N  است. بنابراین طول ناحیه تهی در دو طرف پیوند یکسان نخواهد بود و در سمتی بیشتر است که میزان ناخالصی در آن کمتر باشد(در اینجا ناحیه  N). در شکل ۳-۴ این پدیده نشان داده شده است. در این شکل تراکم حامل­ها نزدیک پیوند برای بایاس صفر ولت و همچنین یک بایاس معکوس کوچک به تصویر کشیده شده است. همانطور که ملاحظه می­کنید بخش بزرگی از ناحیه N خالی از الکترون­ها است.

…

۳-۵- مقایسه نتایج عددی و آنالیزی

به منظور تایید مقادیر ولتاژ شکست شبیه ­سازی شده، آنها را با مقادیری که از طریق معادله  ۲ بدست می­آیند مقایسه می‌کنیم. این مقایسه در شکل ۳-۸ نشان داده شده است. همانطور که می­بینید نتایج شبیه ­سازی با مقادیر تئوری همخوانی مناسبی دارند. اما در مواردی که میزان ناخالصی بالاست تفاوت کمی بین این دو دسته مقادیر بوجود خواهد آمد. در این حالت مقدار ولتاژ شکست حاصله از شبیه سازی بزرگتر از مقدار تئوری است. این تفاوت به این دلیل است که لایه تهی در ناحیه P برعکس شبیه ­سازی در مقادیرتئوری در نظر گرفته نشده است.

ترانزیستور هیبرید برای  مدارهای مجتمع توان آینده

۴- دیود صفحه میدانی

۴-۱- صفحه میدان  و ولتاژ شکست

در این بخش مفهوم یک دیود عمودی (vertical) ارائه می­شود که یک صفحه میدان در یک گودال (trench) عمیق آن قرار گرفته است. صفحه میدان یک الکترود رسانا است که در موازات با ناحیه  دریفت قرار گرفته است که توسط یک لایه ضخیم اکسید از آن ایزوله شده است. هنگام به کاربردن این دیود، صفحه میدان به اندازه صفر ولت بایاس می­شود. الکترود، که به زمین وصل شده است، از طریق لایه اکسید به صورت خازنی به ناحیه  دریفت تزویج شده است. این فرآیند منجر می­شود که ناحیه دریفت در نزدیکی فصل مشترک از اکسید تخلیه شود. این ناحیه­ تهی اضافی به ناحیه تهی اطراف پیوند دیود اضافه می­شود. اگر تمام ناحیه دریفت از بار تخلیه شود( لایه­ های تهی ترکیبی)، تمام ولتاژ معکوس در سرتاسر ناحیه دریفت توزیع می­شود. طول این ناحیه تهی بسیار بیشتر از ناحیه تهی پیوند می­باشد. چنانچه طراحی به خوبی انجام گیرد، ۲۰ ولت در هر میکرون از ناحیه دریفت را می­توان پشتیبانی کرد. نکته ضروری این است که باید قبل از آنکه پیک میدان الکتریکی به مقدار بحرانی برسد ناحیه دریفت به صورت کامل تخلیه شده باشد.

…

۴-۲- ساختار شبیه­ سازی ­شده

ساختار دیود صفحه میدانی نشان داده شده در شکل ۴-۱ توسط MIDECI مدل­سازی می­شود. این دیود ساختار مشابهی با دیود معمولی دارد با این تفاوت که یک ناحیه با ناخالصی زیاد P++ بالای پیوند و یک ناحیه با ناخالصی متوسط P+ به همراه یک ناحیه با ناخالصی پائین N- در زیر آن قرار گرفته­اند. همچنین ناحیه با ناخالصی بالای N++ در پائین­ترین قسمت این ساختار قرار گرفته است. تفاوتی که این دیود با دیود معمولی دارد، وجود یک صفحه میدان است که در گودال قرار گرفته که توسط لایه اکسید از آن جدا شده است و وظیفه آن گسترش ناحیه تهی در ناحیه دریفت می­باشد. از آنجا که دستگاه‌های عرضی جای بیشتری را اشغال می­کنند، لذا برای این دیود یک ساختار عمودی ترجیح داده می­شود. به منظور بدست آوردن بهترین (بهینه) اثر صفحه میدان، در هنگام شبیه­ سازی، میزان ناخالصی ­ها و همچنین ضخامت لایه  اکسید نیز تغییر داده می­شود و ولتاژهای شکست متناطر به هریک نیز تعیین می­شود.

…

۴-۳- شبیه ­سازی و آنالیز

عملکرد کلیدی تکنولوژی RESURF در گسترش دادن لایه  تهی است که این کار منجر به دست یافتن به ولتاژهای شکست بالاتر می‌شود. به منظور بهینه ­کردن اثر RESURF، ضخامت لایه اکسید (Tox) و میزان ناخالصی ناحیه دریفت (Ndrift) تغییر داده می­شوند. طول ناحیه دریفت و ضخامت زیر گودال از دیگر پارامترهای مهم می­باشند.

…

۴٫۴ دیوید معمولی در برابر دیوید صفحه میدانی

ترانزیستور هیبرید برای  مدارهای مجتمع توان آینده

۵- دیود هیبریدی

۵-۱- دستگاه ولتاژ بالای هیبرید: مقدمه

در این فصل یک دیود هیبرید عمودی با استفاده از صفحه میدان ارائه می­شود. ویژگی که این دیود هیبرید نیز دارد وجود یک صفحه میدان در  deep گودال می­باشد که توسط یک لایه ضخیم اکسید از آن ایزوله شده است. تفاوت این دیود با دیود قبلی در قرار گرفتن دریم در بالای سطح و همچنین بزرگتر بودن ناحیه دریفت داخل گودال می­باشد. بنابراین جریان از زیر گودال به سمت پائین می­رود و سپس از طریق کناره­های گودال، جایی که کانال گیت عمودی از طریق آن وارد می­شود، دوباره به سمت بالا بر می­گردد. جریان­دهی کاملا عمودی منجر به یک ترانزیستور با قابلیت ولتاژ بالا و همچنین اندازه­ای بسیار کوچک و فشرده می­شود.

…

۵-۲- ساختار شبیه ­سازی

دیود هیبریدی که در اینجا بررسی می­شود، ساختار مشابهی با دیود عمودی قبلی دارد. در اینجا ناحیه N++ در گوشه بالا سمت راست قرار دارد و طول ناحیه N- هم راستا یا صفحه میدان گسترش یافته است. همانند ساختار قبلی در اینجا نیز ناحیه P++ و ناحیه با ناخالصی متوسط P در گوشه بالا سمت چپ قرار گرفته­اند. ناحیه با ناخالصی پائین P-  در انتهای (زیر) ساختار قرار گرفته است و از طریق الکترود پائینی به زمین وصل شده است. جدول ۵-۱ لیست پارامترهای متغیر در شبیه­سازی‌ های مربوط به این دیود را نشان می­دهد. این جدول همچنین رنج این پارامترها را برای حالت بهینه ولتاژ شکست معین می‌کند.

…

۵-۳- شبیه ­سازی و آنالیز

در این بخش نتایج مربوط به شبیه ­سازی دیود هیبرید را با تغییر دادن پارامترهای دیود به صورت جزیی مورد بحث قرار می‌دهیم. این پارامترها شامل میزان ناخالصی، ضخامت لایه اکسید، عرض گودال و عمق گودال می­باشد.

…

۵-۴- دیود هیبرید برای رنج ۵۰ ولت

در این بخش دیود هیبرید را که برای حالت ۵۰ ولت بهینه شده است بررسی می­کنیم. در جدول ۵-۲ مقادیر بهینه برای پارامترهای مختلف نشان داده شده است که منجر به فشرده ­ترین (کوچک­ ترین) دیود هیبرید (برای حالت ۵۰ ولت) می­شود. از آنجا که مقدار ضخامت لایه اکسید ۳/۰ میکرومتر بدست­آمده است، در عمل می­توان ضخامت گودال را بیشتر کم کرد.

…

۵-۵- دیود هیبرید برای رنج ۱۰۰ ولت

در این بخش دیود هیبرید را برای حالتی بررسی می­کنیم که ولتاژ شکست آن در ۱۰۰ ولت بهینه شده است. در جدول ۵-۳ مقادیر پارامترها برای حالت بهینه  ۱۰۰ ولت نشان داده شده است. در اینجا نیز از آنجا که مقدار بهینه برای ضخامت لایه اکسید ۸/۰ میکرومتر بدست آمده است، عملا می­توان عرض گودال را بیشتر کاهش داد.

…

ترانزیستور هیبرید برای  مدارهای مجتمع توان آینده

۶- ترانزیستور هیبرید

۶-۱- مقدمه

مدارهای مجتمع توان آینده به المان­ های یکپارچه­ شده­ الکترونیک توان داخل تکنولوژی CMOS نیاز دارند تا از آنها برای تنظیم توان و در الکترونیک اتومبیل­ ها استفاده کنند. به همین دلیل یک ترانزیستور هیبرید جدید در این فصل مورد آنالیز قرار می­گیرد. ترانزیستور مورد نظر مبتنی بر دیود هیبریدی می­باشد که در فصل قبل بررسی شد. در اینجا علاوه بر بخش­های دیود نواحی سورس و گیت نیز وجود دارند. از پارامترهایی که در فصل قبل برای حالت­های ۵۰ و ۱۰۰ ولت بدست آمدند در شبیه سازی ترانزیستور کانال N استفاده می­شوند. می­توان اثبات کرد که به شرط یکسان بودن پارامترها، دیود و ترانزیستور هیبرید ولتاژ شکست برابر را ارائه خواهند کرد. علاوه بر این، پارامترهای ترانزیستور هیبرید برای ولتاژ آستانه (Vth) بهینه می­شوند و مقاومت ترانزیستور در این حالت نیز محاسبه می­شود. در نهایت بهترین مقادیر BVDS و Ron-sp نسبت به ترانزیستورهای مجتمع مدرن مقایسه می­شوند.

…

۶-۲- ساختار شبیه ­سازی

تصویر دو بعدی ترانزیستور هیبرید را که در نرم ­افزار MEDICI استفاده شده است، در شکل ۶-۱ مشاهده می­کنید. سورس، درین، گیت، صفحه میدان و اتصال بدنه همگی در بالای ترانزیستور قرار گرفته­اند. این ترانزیستور شامل یک گودال  عمودی به همراه یک صفحه میدان می­باشد که توسط لایه اکسید از ناحیه دریفت ایزوله شده است. در این ساختار گیت در سمت چپ گودال و داخل آن قرار گرفته است و توسط یک لایه نازک اکسید (Tgox) از کانال ترانزیستور و همچنین صفحه میدان جدا شده است. درین(N++) در سمت راست و سورس(N++) و تماس بدنه(P++) در سمت چپ ترانزیستور قرار گرفته­اند. در اینجا سورس و بدنه از یک الکترود مشترک استفاده می­کنند. در اینجا ناحیه دریفت(N-) به اندازه  کناره­های گودال می­باشد و ناحیه  P بدنه در سمت چپ گوشه بالا قرار داشته و عمق آن هم ردیف با گیت می­باشد. ولتاژ شکست برای مقادیر مختلف عرض گودال، عمق گودال، طول دریفت، ضخامت لایه  اکسید، ضخامت زیر گودال و میزان ناخالصی شبیه­ سازی می­شود.

…

۶-۳- آنالیز و نتایج شبیه­ سازی

۶-۳-۱- ترانزیستور هیبرید ۵۰ ولت: مشخصه در وضعیت خاموش

وابستگی ولتاژ شکست به پارامترهای شبیه­ سازی در رنج ۵۰ ولت برای ترانزیستور هیبرید NMOS به مشابه دیود هیبرید اثبات می­شود. شکل ۶-۳ ولتاژ شکست را به عنوان تابعی از میزان ناخالصی نشان می­دهد. همانطور که دیده می­شود مقدار بهینه برای Ndrift=2*1016cm-3 بدست می­آید. در این حالت بهینه، عرض ناحیه  دریفت یک میکرون و همینطور در ناخالصی برای این ناحیه ۲*۱۰۱۲cm-2 بدست خواهد آمد. این مقدار در بسیار نزدیک به مقدار RESURF دو طرفه­ی ایده­آل می­باشد (ساختار نواری آینه­ای-mirrored stripe configuration).

…

۶-۳-۲- ترانزیستور هیبرید ۵۰ ولت: مشحصه­های وضعیت روشن

به عنوان یک مشخصه  اساسی ترانزیستور در وضعیت روشن، جریان درین به عنوان تابعی از ولتاژ گیت شبیه­ سازی می­شود. در شکل ۶-۵ منحنی Id-Vg برای ولتاژ درین ۰۵/۰ ولت به نمایش گذاشته شده است. میزان ناخالصی بدنه ۶٫۷*۱۰۱۷cm-3 می­باشد و این عدد طوری انتخاب شده است که ولتاژ آستانه برابر یک ولت باشد. توسط این منحنی می­توان مقاومت ترانزیستور در وضعیت روشن را نیز تعیین کرد. طبق این منحنی، برای Vg=5 ولت مقدار مقاومت برابر Ron-sp=21.7mΩ.mm2 خواهد شد.

…

۶-۳-۳- ترانزیستور هیبرید ۱۰۰ ولت: مشخصه­ های وضعیت خاموش

در شکل­ های ۶-۶ و ۶-۷ به ترتیب ولتاژ شکست را به عنوان تابعی از میزان ناخالصی ناحیه دریفت و ضخامت لایه اکسید ملاحظه می­کنید. در این حالت ترانزیستور برای میزان ناخالصی ۲*۱۰۱۶cm-3 و برای ضخامت لایه اکسید ۸/۰ میکرون بهینه خواهد بود. در جدول ۶-۳ می­توانید مقادیر بهینه را برای ترانزیستور هیبرید NMOS (در ولتاژ شکست ۱۰۰ ولت) مشاهده می­کنید.

…

۶-۳-۴- ترانزیستور هیبرید ۱۰۰ ولت: مشخصه ­های وضعیت روشن

در اینجا نیز جریان درین به عنوان تابعی از ولتاژ گیت شبیه ­سازی شد و منحنی مورد نظر برای ولتاژ درین ۰۵/۰ ولت در شکل ۶-۹ به نمایش در آمده است. ولتاژ آستانه نیز تقریبا یک ولت می­باشد. در اینجا مقاومت بدست آمده برای Ron-sp در حدود ۷۶٫ ۷mΩ.mm2 می­باشد.

…

۶-۴- مقایسه

در شکل ۶-۱۰ ترانزیستور هیبرید NMOS در هر دو حالت نسبت به بهترین تکنولوژی­ های BCD موجود مقایسه شده است. نتایج برای ترانزیستور هیبرید NMOS در حالت ۵۰ ولت Ron-sp=21.7mΩ.mm2 و برای حالت ۱۰۰ ولت Ron-sp=76.7mΩ.mm2 می‌باشد. همانطور که در شکل نیز مشخص است، این ترانزیستور نتایج بسیار بهتری را نسبت به تمامی تکنولوژی ­ها و راه­حل ­های موجود ارائه می­کند.

…

ترانزیستور هیبرید برای  مدارهای مجتمع توان آینده

۷- نتیجه ­گیری

۷-۱- تحقیقات ارائه­ شده

در این تز، یک ترانزیستور هیبرید جدید برای مدارات مجتمع توان آینده ارائه شد. هدف اصلی این ایده بهبود ابعاد ترانزیستور توان می­باشد. ترانزیستور برای ولتاژ شکست ۵۰ ولت و ۱۰۰ ولت بهینه شد و نتایج بسیار خوبی از شبیه ­سازی بدست آمد.

مقدار مقاومت در وضعیت روشن در حالت ­های ۵۰ و ۱۰۰ ولت به ترتیب  ۲۱٫۷mΩ.mm2  و ۷۶٫۷mΩ.mm2 بدست آمد که از تمامی تکنولوژی­های موجود BCD بهتر می­باشد.

۷-۲- تحقیقات آینده

بهینه­کردن ترانزیستور برای ولتاژهای ۲۵، ۷۵، ۱۲۵ و ۱۵۰ ولت (با تغییر دادن پارامترهای) می­تواند به عنوان کارهای آینده مطرح گردد. بنابر این چنین ابزاری می­تواند برای تمام کاربردهای ولتاژ پائین مورد استقاده قرار گیرد. حتی این ترانزیستور می­تواند به عنوان عنصر کلیدی در تمام مدارات مجتمع توان نقش ایفا کند.

ترانزیستور هیبرید برای  مدارهای مجتمع توان آینده