采用TCAD改善功率开关特性的仿真教学_杨喜军.pdf

第 卷第 期 年 月电气电子教学学报 收稿日期：；修回日期：基金项目：上海交通大学教学发展中心基金项目（项目编号：）第一作者：杨喜军（），男，博士，副教授，主要从事电力电子与电力传动的教学和科研工作，：采用 改善功率开关特性的仿真教学杨喜军 吴 双 常中科 田书欣（上海交通大学 电气工程系，上海）（上海电力大学 电气工程学院，上海）摘要：为了实践我国新工科教育和成果导向教育，教学模式和教学内容需要做出相应的更新。针对“电力电子技术”课程中功率开关部分授课内容和授课手段比较薄弱的现实问题，以逆导型 的物理结构、开关特性以及抑制电压回跳现象为例，给出采用计算机辅助分析软件 辅助分析功率开关特性的教学手段，并邀请有经验的研究生课上和课下示范讲解软件使用规范和技巧，激发学生的学习兴趣和热情。关键词：开关特性；仿真教学；逆导型 中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）（，）：，：；年 月 日，我国工程教育正式加入华盛顿协议，为了巩固我国工程教育质量，在不急功近利的前提下，所有的教学模式必须快速切换到成果导向教育（）模式上来。年 月以来，我国教育部积极推进新工科教育（）建设，新工科专业主要指针对新兴产业的专业，以互联网和工业智能为核心，其中包括电力电子类和微电子类工科专业。相对于传统的工科专业，电力电子半导体技术尤其第三代化合物半导体（如 和）技术尚属“卡脖子”技术，尚需一段路要走。正因为如此，国产化已经列入国家关键半导体器件的发展重点之一，也被列为国家“专项”的重点扶持项目。为实现电气工程领域学生的培养目标，需要在新工科教育背景下实践成果导向教育，必须重视“电力电子技术”课程中功率开关环节的课堂教育和实验教育。“电力电子技术”课程涉及电力技术（电力设备与电力网络）、电子技术（电子器件与电子电路）与结构、开关特性机理等缺乏相关的教学大纲或教学控制技术（连续域与离散域），是唯一涉及功率半导体和功率开关的基础课程。然而，在大部分学校的教学大纲中，只涉及不控型二极管、相控型晶闸管、全控型 与功率 等主要功率开关的开内容支撑，学生苦于机械地短期记忆一些知识片段，关特性讲解和实验测试，功率开关的半导体物理长期教学效果不太令人满意。如果让学生亲身设计、制作、生产功率开关或进行封装，又不具备这样的现实条件。为此，设想增加中间环节，即采用模拟软件对功率开关进行物理设计和开关特性的模拟分析，将会弥补传统教学内容安排的不足。鉴于此，采用 设计和仿真分析逆导型 物理结构和开关特性，旨在丰富教学内容、加深学生功率开关工作机理的理解和培养学生攻坚克难和服务新工科的意识。特点 是一种用于开发和优化半导体器件及其加工技术的半导体模拟工具，现有商用 包括 公司 和、公司 和 以及 公司（已被 公司收购）的 和 以及 公司的 和。大多数 软件按照功能可分为 个模块：首先是最底层的工艺仿真模块，比如，用来确定标准工艺下材料水平的器件结构，标准工艺包括氧化、扩散、离子注入、干湿法刻蚀与光刻，一些较新 也包括 以及用于制造 衬底的 工艺；其次是中间层的器件仿真模块，在工艺仿真得到器件结构基础上计算电学行为；最后是最顶层的提参模块，从电学仿真结果提取符合 标准的器件参数，用于 仿真，写网表时引用的 文件就是这类参数的。的 程序是一种交互图形化的运行环境，仿真参数的代码输入、输出文件的查看都可以在该程序中找到。在 中输入 即表示以下内容在 仿真器中运行。模块根据输入的网格、掺杂和电极等设置，生成对应的器件模型，对器件进行仿真，不涉及制造部分。采用 进行工艺仿真，可以对器件制造过程中的扩散、离子注入、刻蚀、退火等过程进行模拟。对器件进行仿真时，可以先通过 模块对制造过程的工艺步骤进行仿真，得到期望的器件结构，再采用 进行器件仿真，这样得到的结果更加接近实验数值。提供了工艺模拟和器件模拟，是通用的、具有标准组件以及可拓展性的一维和二维制程模拟器，可用于 或其它材料的工艺开发。由四套主要的工具组成：，用于模拟 工艺的植入、扩散、氧化和硅化；，用于模拟先进材料工艺的植入、活化和扩散；，用于光刻模拟；，用于测绘模拟。还提供了硅化物建模和离子注入、蚀刻和沉积的 建模。适用所有的半导体工艺器件模拟，主要包括两个模拟器：首先是，用于 器件模拟；其次是，模拟先进材料构成的器件和复杂的构造。、和 赋予 和 专门功能，即 支持非等温计算，可以模拟 和 或 ，模拟静电效应，可以模拟无定型和多晶材料构成器件的所需模型，加入了包括光线轨迹跟踪的光电子作用，支持半导体 器件的模拟。入门过程 功能强大，操作简便，例库丰富，易于入门。学好 ，需要熟悉运行时间环境，其主要特征包括：自动创建输入文件、编辑现有输入文件、创建、强大的参数提取程序和修改输入文件中的参数变化量。包括几百个应用范例，涵盖多种电学、光学以及诸如此类的工艺类型。使用 步骤大致如下：首先建立 的运行时间环境窗口，可打开一个控制窗口，创建一个新目录，用于保存创建的临时文件；其次载入和运行范例，用户可以创建和从范例库中加载输入文件，按下“”按钮运行输入文件，随后出现两幅图：网络掺杂的彩色轮廓图和简单的阈值电压 图；然后采用 绘图工具查看结果，软件中保存有一个结构文件或一个线图，运行时常常需要查看图表的“”片断；最终自动创建和编辑输入文件，输入文件采用简单的 文本格式，内置一个简单的，可以自动创建工艺仿真的输入文件，包括定义仿真空间和初始衬底，工艺仿真包含很多连续的扩散、植入、蚀刻、电极、沉淀、晶圆初始化和创建网格步骤，每一步都需要使用 自动编写。仿真辅助教学内容在电力电子应用领域，具有最广泛的应用场合。一般情况下，很少作为分立开关单独使用，而分立 与分立功率二极管反向并联封装一起后构成逆导型开关，应用非常广泛，市场容量巨大，但是传统逆导型开关是基于双硅基片的封装技术，集成度较低，封装和热处理难度加大，为此可以考虑在一个硅基片上制作逆导型功率开关，称为，以便减小功率器件体积，降低生产成本，避免封装引线造成的各类寄生效应。在第 期杨喜军，等：采用 改善功率开关特性的仿真教学国内现阶段，尚处于研发和试用阶段。在 正向导通过程中，存在特有的电压回跳现象，也称为负阻效应、回弹效应、突跳效应或骤回效应，该现象阻碍了功率器件的完全开通，在开关频率较高时增大了热损耗，造成功率开关局部过热损坏，因此如何抑制并消除电压回跳现象成为了 的关键技术。关于这一问题的改进和有效性验证，成为本文主要的仿真教学内容。等效电路 等效为 双极性晶体管和 型功率 构成的达林顿结构后再反向并联一个功率二极管的物理结构，如图 所示，图中，为漂移区电阻；为集电极附近 短路区处的等效电阻。图 等效电路 的输出特性如图 所示，当门极电压 高于阈值电压（）时，进入正向导通模式，首先开通，此时功率器件工作于 导通模式，内部只有电子电流流过。由于 会与 的导通电阻分压，集电极电压升高至一定程度时，两端的压降（即 的门极电压）足够大，双极性晶体管基极承受正偏压后开通，注入层中的空穴被注入 漂移区，产生电导调制效应，急剧减小，由于功率器件内部电流无法瞬间增大，出现了电压回跳现象。此时功率器件切换至 导通模式，发射极与集电极之间既有电子电流又有空穴电流流过。可见，具有 种导通模式，如图 所示。关断期间，首先为功率 关断，然后为 双极性晶体管关断，因而关断拖尾时间较长。图 的输出特性（）导通模式（）导通模式（）反向导通模式图 的 种导通模式电气电子教学学报 第 卷 电压回跳抑制为了抑制电压回跳现象，应使 尽快进入双极性 导通模式，所以需要使 压降尽可能大，即增大。为此文中采用多单元 电流微分的物理模型，如图 所示，在电压回跳现象发生前，缓冲层中已经存在横向流动的电子电流。设计多单元 的仿真模型如图 所示，仿真参数由表 给出。在功率器件的顶部由多个独立的 单元并联，和 分别为集电极处 短路区和 注入层的长度。图 多单元 物理结构图 多单元 仿真结构表 的仿真参数符号参数值单位硅片厚度单个 单元长度 沟道长度 缓冲层厚度 基区掺杂浓度（硼）漂移区掺杂浓度（磷）源区掺杂浓度（硼）源区掺杂浓度（磷）缓冲层掺杂浓度（磷）注入区掺杂浓度（硼）短路区掺杂浓度（磷）门级电压 为了定量判断电压回跳现象的严重程度，需要测量输出特性曲线中回折部分水平反向的电压差值，作为参考依据。图 给出了功率器件顶部 单元的数量对电压回跳现象的影响，在改变并联 单元的数量的同时，始终保持：，且 短路区处于功率器件底部的中央位置。图 顶部 单元数量对电压回跳的影响由图 可以看出，随着并联 单元的数量不断增加，回折电压 快速减小。但是随着并联 单元数量增加，也增大了功率器件的横向尺寸，电子电流需要在 缓冲层流过更长的横向距离才能到达集电极处的 短路区，从而增大了，对电压回跳现象有抑制作用。另外，增加 单元的数量也增加了功率器件导通沟道的总长度，为载流子提供了更多通路，能够提高了 的导电能力。辅助教学措施采取了以下辅助教学措施：首先是制作 电压回跳现象的产生机理与抑制方法的 文件，用做课件；其次是在讲解 时，邀请多年从事 设计和制作 的研究生，到课堂上用时 向学生讲解 的用法和 电压回跳现象的产生机理与抑制方法及抑制效果，旨在刺激学生不再认为功率器件的设计与制作过于神秘，了解如何采用 软件设计新型功率开关和改进功率开关的性能；然后是成立课后 仿真小组，吸收更多的学生加入，扩大受益面，主要采取线上教学方式，参加学生已经初步学会如何使用 进行半导体功率器件设计；最终是为了增强功率开关部分的学习效果，课程组进一步丰富了功率开关特性测试的实验内容。是 与功率二极管的复合开关，第 期杨喜军，等：采用 改善功率开关特性的仿真教学 又是 与 的复合开关。本身寄生有，本身寄生有晶闸管。通过讲解 相关知识，可以提高学生分析复杂功率开关物理结构、内部寄生开关、寄生电容影响以及整体开关性能的能力，增强学习和认知效果。通过对期末试卷分析以及平时作业的评阅，认为学生对功率开关特性的理解能力得到了明显的提升，体现在可以正确地分析一些不常见的简单变换电路的工作原理，参与程度越深的学生，相应的成绩越高。结语结合电流微分模型，采用 ，仿真分析了 电压回跳现象的产生机理和通过改善底面布局抑制电压回跳现象抑制方法，包括增加并联 单元的数量、适当减小 短路区的长度、采用细带状 短路区包围 注入层的底面布局。主要目在于为学生提供一种能够模拟电力电子功率开关物理结构和开关特性的途径，并提供 的 仿真例程，可以弥补现行电力电子技术课程在功率开关教学内容方面的不足，使学生可以像功率电路仿真一样，自行设计功率开关，进而为新工科教育和成果导向教育培养和储备高素质后备人才。参考文献李晓英，王兴贵，杨维满 基于 的“电力电子技术”教学改革 电气电子教学学报，（）：王子赟，王艳，纪志成 面向新工科的电力电子技术课程思政教学改革 高教学刊，（）：陈丹江，樊慧丽，杨亚萍 基于 理念的电气工程专业改革思路 电气电子教学学报，（）：曹科才，杨敏，周映江，等 基于 的“自动控制原理”教学改革研究 电气电子教学学报，（）：李自成，刘健，曾丽，等 新工科背景下电力电子装置与系统课程教学的改革与探索 中国现代教育装备，（）：门三义，王贤立，张莹文 新工科下电力电子技术的课程改革与实践探索 电子质量，（）：王翠，杨小品，李瑾，等“新工科”背景下“电力电子技术”课程教学存在的问题及对策 湖北理工学院学报，（）：郭磊磊，李琰琰，郑安平，等 面向新工科的“电力电子技术”教学方法探索 教育教学论坛，（）：李沁，唐德，李绍武，等 新工科背景下虚拟电力电子实验系统的开发与设计 科技与创新，（）：唐龙谷 半导体工艺和器件仿真软件 实用教程 版 北京：清华大学出版社，阮刚 集成电路工艺和器件的计算机模拟 技术概论 版 上海：复旦大学出版社，张文亮，田晓丽，谈景飞，等 逆导型 发展概述 半导体技术，（）：，“”：（），常中科，犬石昌秀，唐厚君 多单元逆导型 电压回跳现象的抑制策略研究 电力电子技术，（）：电气电子教学学报 第 卷