modelo para resumo expandido

Estudo da Tensão de Ruptura em Transistores Mosfet de
Potência em Ambientes Extremos
Natasha Cristine Cezarino Merzbahcer, Milene Galeti
Centro Universitário da FEI
[email protected] [email protected]
1E-9
Resumo: Este trabalho tem por objetivo o estudo da Tensão
de Ruptura dos Transistores MOSFETs de Potência, com a
1E-10
variação de parâmetros, tais como, temperatura, concentração
de dopantes, tempo de vida e estrutura das regiões.
V
= 0 [V]
GS
T= 300 [K]
Dispositivos semicondutores usados em sistemas de elevada
potência devem suportar altas correntes e tensões, assim como
elevadas tensões reversas durante o seu chaveamento1. Este
trabalho tem como objetivo verificar a influência de alguns
parâmetros tecnológicos, assim como a variação da temperatura,
no comportamento da tensão de ruptura de dispositivos
MOSFETs de potência. Este estudo foi realizado através de
simulações numéricas bidimensionais da estrutura física dos
dispositivos, utilizando os modelos específicos que
possibilitaram a análise do comportamento estático do
dispositivo. Parâmetros como temperatura (T), tempo de vida
dos portadores (e) e concentração de dopantes (Na) foram
analisados no comportamento da tensão de ruptura, através das
curvas da corrente de dreno (IDS) em função da tensão de dreno
(VDS) com a tensão de porta (VGS) polarizada em 0V. A tensão
de ruptura foi definida como o valor de tensão na qual é
observada a elevação na corrente de dreno de uma década.
2. Resultados Simulados
As simulações numéricas bidimensionais foram realizadas
utilizando o simulador de dispositivos Atlas (Silvaco)2,
incluindo modelos para recombinação, foto-geração, ionização
por impacto, estreitamento das bandas de energia, mobilidade e
tempo de vida dos portadores. Além de incorporar as estatísticas
de Boltzmann e Fermi-Dirac, com o objetivo de tornar os
resultados mais precisos.
A Fig. 1 apresenta as curvas de IDS em função de VDS, com a
variação da temperatura de 300 à 550K. Pode ser observado que
a corrente de dreno, durante o funcionamento no modo de
bloqueio (VGS = 0 V), é fortemente influenciada pela variação
da temperatura devido à dependência desta corrente com a
concentração intrínseca, conforme Eq. 1. Na Fig. 2 foi
investigada a influência do tempo de vida dos portadores na
tensão de ruptura, através da variação de TAUP e TAUN.
1E-4
1E-5
1E-6
VGS= 0 V
I DS [A/  m]
1E-7
N- Concentração da região
-7
de Deriva= 5 10 cm
1E-8
1E-9
-3
Temperatura em Kelvin
300 [K]
350 [K]
400 [K]
450 [K]
500 [K]
550 [K]
1E-10
1E-11
1E-12
1E-13
0
20
40
60
80
100
120
140
Fig. 1 - Curvas IDS em função de VDS, com a variação da
temperatura.
I leak
1
 2 ni2
ni W

 N  qA 
a
e

-3
[cm
]
-7
TAUN=TAUP
0.7E-7 [s]
0.8E-7 [s]
0.9E-7 [s]
1E-7 [s]
2E-7 [s]
3E-7 [s]
4E-7 [s]
-7
0.7 10 ... 4 10 [s]
1E-13
0
20
40
60
80
VDS [V]
Fig. 2 - Curvas IDS em função de VDS, com a variação do
tempo de vida dos portadores.
A tensão de ruptura se mostrou fortemente dependente da
concentração de dopantes da região de deriva, conforme pode
ser observado na Fig. 3. Com o aumento da concentração de
dopantes nesta região foi observada uma redução significativa
na tensão de ruptura.
1E-9
VGS= 0 [V]
T= 300 [K]
1E-10
1E-11
N- Concentraç‫م‬o da
regi‫م‬o de Deriva
-3
1E15 [cm ]
-3
2E15 [cm ]
-3
2.5E15 [cm ]
-3
5E15 [cm ]
-3
1E16 [cm ]
-3
2.5E16 [cm ]
-3
5E16 [cm ]
1E-12
1E-13
0
40
80
120
160
200
VDS [V]
Fig. 3 Curvas IDS em função de VDS, com a variação da
concentração dos dopantes na região de deriva.
4. Conclusões
Este trabalho investigou a influência de alguns parâmetros
tecnológicos, assim como da temperatura, na tensão de ruptura
de dispositivos MOS de potência. Apesar do aumento da
corrente de fuga com o aumento da temperatura, a tensão de
ruptura é aumentada devido à redução da mobilidade dos
portadores e consequentemente a redução na ionização por
impacto junto à região de dreno. A redução da tensão de
ruptura observada com o aumento do tempo de vida dos
portadores pode ser relacionada com o aumento do ganho de
corrente do transistor bipolar parasitário inerente à estrutura
MOS. Finalmente, foi analisada a redução da tensão de ruptura
com o aumento da concentração de dopantes na região de
deriva. Este fato se deve ao aumento do campo elétrico junto à
região de dreno que favorece a ionização por impacto nesta
região.
5. Referências
VDS [V]
D
 qA n
 n
-7
1E-11
1E-12
IDS [A/ m]
1. Introdução
I DS [A/  m]
N- Concentraçao da região de Deriva = 5 10
(1)
[1] Mohan. Power electronics: converters, applications and
design, Ed. Wiley, 2007.
[2] ATLAS User’s Manual, SILVACO (2007).
Agradecimentos
À instituição FEI pelo apoio ao projeto de pesquisa e meu
orientador por todo conhecimento que adquiri.
Aluno de IC do Centro Universitário da FEI.