栅电阻Rg和实际测试模式介绍
MOSFET器件的开关速度，一部分取决于栅极驱动电流和Qg的大小，另一部分取决于栅电阻Rg和输入电容Ciss的乘积Rg*Ciss。对于高频开关应用或者射频RF领域，MOSFET的开关速度比较重要，仿真上如果能提取出Rg，或者Rg随工艺条件或者版图参数拉偏的变化趋势，对器件的初期设计有一定的帮助。
以Trench MOS为例，Rg测试模式下，drain和source短接，交流小信号模式下，不考虑电容产生的容抗，只考虑电阻，如图1所示，栅电阻的组成可写成：
图1 栅电阻Rg组成示意图
调整各个部分的电阻都可能会影响最终Rg的值。实际Rg测试中，source和drain短接，然后在gate加一个交流电压小信号，会得到一个交流电流小信号响应，然后读取得到总阻抗和相位角后，可以求出Rg的值。gate端加交流小信号之前，会给一定电压大小的直流偏置，根据不同的偏置情况，最后等效的电阻电容串联模型是不一样的，下面是德科技测试手册中关于栅电阻测试模型的描述，仅供参考。
图2 不同栅偏置电压下的等效电阻电容串联模型
仿真上栅电阻Rg的提取方法
对于栅电阻的提取，根据阅读论文和资料，仿真上用了两种方法: 第一种是小信号相量法，第二种是软件自带的小信号分析模式，ACCouple。
1、小信号相量法
（1）理论计算
图3 小信号相量法解释用图
如图3所示，设交流电压小信号u为正弦信号，频率f为1e6 Hz(角频率ω=2πf=2e6π)，幅值Umax=0.1V，初始相位φu为0，则小信号表达式可写成如下形式：
整个电路的阻抗Zsum计算如下：
则，电流由相量计算可得：
电流信号还原成实数表达式如下：
（2）根据输入输出波形分析
对于仿真上来说，假设电阻和电容值未知，只要能求出总阻抗的模值Z，以及输入输出波形的相位角θ，根据图4所示的转换图，可以求出电阻的阻值：
图4 复平面上阻抗Z和相位角示意图
对于图3所示的电路，仿真上输入正弦小信号，得到输入输出波形如图5所示，读取Uac_max、Iac_max、t0和t1如图5中所标注，则Z和θ可由如下公式计算：
图5 Sdevice电路搭建代码以及电路输入正弦电压小信号和得到的电流小信号响应
图6 导出相位角θ和电阻R所用代码和svisual输出结果
仿真上，用svisual导出各个关键参数，其中相位角θ和电阻R代码设置如图6所示。sine_A是正弦电压信号的幅值。从输出结果看，Iac_max值和前面理论计算的结果相当；阻抗的相位角θ也和理论计算一致；最后电阻R根据波形计算得到的值约等于所赋的值。上面结果表明，可以根据输入输出波形的参数得到电阻值。
（3）SGT栅电阻仿真验证
根据上面相量法的思路，下面用SGT验证栅电阻仿真程序。参考第一部分的描述，SGT的drain和source短接到GND，gate端在直流偏置的基础上添加一个交流小信号，进行Rg仿真。不同栅压下栅电阻的仿真结果如图7所示。这个变化趋势还请各位读者研究，图7能说明不同栅压偏置下的栅电阻是不一样的。图8是不同频率下Rg的仿真结果，可以看出Rg和频率有很大相关性。
图7 不同Vg下SGT栅电阻仿真结果
图8 不同频率下SGT栅电阻仿真结果
2、软件自带的ACCouple方法
（1）ACCouple方法的简单解释
以电容特性仿真为例，图9是 sdvice中电容特性仿真ACCouple的代码，图10是电容特性仿真所搭电路和ACCouple分析时的等效电路。ACCouple中频率设置很好理解，频率范围从1e6 Hz到1e6 Hz，在这个范围内扫描一个点。Node(g d s)表示要进行交流分析的节点，Exclude(vd vs vg)则表示交流分析中排除DC电压源Vd/Vs/Vg，得到图10中的右图。
图9 sdvice中ACCouple的代码格式示例
图10 电容特性仿真所搭电路和ACCouple分析时的等效电路
交流分析相当于对每个节点输入一个电压小信号，然后每个节点都会产生一个交流电流响应。则根据电路分析中有一个Y参数的概念，得到如下方程（其中Y=a jωc, 角频率ω=2πf）:
Sdevice在ACCcouple中求解的就是类似上面的方程，如果是多个频率点扫描，每个频率点都要求解一次该方程。求解算出方程最右边的实部矩阵A，就是各个节点及关联节点之间的导纳，虚部矩阵C则是各个节点及关联节点之间电容，svisual导入sdevice输出的plt文件可以看到矩阵的各个参数。
（2）ACCouple方法仿真Rg
图11 ACCouple方法进行Rg仿真时sdevice中部分代码
根据前面的解释以及Rg测试所搭建的电路，sdvice设置的代码如图11所示。取Y参数矩阵中agg的倒数为Rg的值，仿真结果如图12所示。因为在频率1e6 Hz下，agg读数都为0，所以没画该频率下的曲线。图12可以看到和前面相量法一样的变化趋势，但是对应频率下的Rg值大了好几个数量级，本人能力有限，此ACCouple方法仿Rg还有待研究。
图12 不同频率和栅压下ACCouple方法进行Rg仿真的结果
