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双场板功率GaN HEMT电容模型以精确模拟开关行为

news 2025/7/15 1:43:06

标题：Capacitance Modeling in Dual Field-Plate Power GaN HEMT for Accurate Switching Behavior（TED.16年）

摘要

本文提出了一种基于表面电位的紧凑模型，用于模拟具有栅极和源极场板（FP）结构的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的电容特性。在HEMT中加入FP结构可以提高击穿电压、减少栅极漏电等，但也会影响器件的电容特性，特别是在亚阈值区域，栅极和漏极之间以及漏极和源极之间会出现反馈米勒电容，从而影响开关特性。本文中，我们模拟了终端电容的偏置依赖性，其中用于电容推导的固有电荷表达式是基于分析和物理性质的，并且适用于器件操作的所有区域。所提出的模型在Verilog-A中实现，并在不同温度下与测量数据非常吻合。
关键词包括：电容、场板（FP）、GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）、建模、表面电位（SP）。
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文章研究了什么

文章研究了在AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）中加入双场板（Dual Field-Plate，FP）结构对电容特性的影响。具体来说，研究内容包括：

提出了一种基于表面电位（Surface Potential，SP）的紧凑模型，用于模拟具有栅极和源极场板（FP）的AlGaN/GaN HEMT的电容行为。这种模型考虑了FP结构对器件电容特性的影响，尤其是在亚阈值区域。
分析了FP结构如何通过引入栅极和漏极之间的反馈米勒电容（Cgd）以及漏极和源极之间的电容（Cds），影响器件的开关特性。
开发了用于推导电容表达式的固有电荷的分析方法，这些方法基于物理原理，适用于器件操作的所有区域。
实现了该模型在Verilog-A环境中，并与不同温度下的实验数据进行了对比验证，显示出良好的一致性。
通过电路模拟，展示了FP结构对电路行为的影响，特别是在开关过程中的上升和下降速率（SRON和SROFF）。
提出了一种考虑温度依赖性的模型，用于描述在不同温度下电容特性的变化。

总的来说，这项研究为理解和优化具有FP结构的AlGaN/GaN HEMT的电容特性提供了一个基于物理的紧凑模型，这对于设计和优化高性能的功率转换器和开关电路具有重要意义。

文章的创新点

基于表面电位的电容模型：提出了一种新的基于表面电位（SP）的紧凑模型，用于模拟具有双场板（Dual Field-Plate，FP）结构的AlGaN/GaN HEMT的电容特性。这种模型能够更准确地描述FP结构对电容特性的影响。
物理基础的分析方法：模型中的电容表达式是基于物理原理和分析方法推导出来的，这使得模型不仅具有较高的准确性，而且参数提取过程相对简单，因为参数直接或间接与器件的物理效应相关联。
温度依赖性建模：模型考虑了温度对电容特性的影响，特别是温度对截止电压（VOFF）的影响，这使得模型能够在更宽的温度范围内提供准确的电容预测。
模型的可扩展性：通过验证不同宽度的FP HEMT器件，展示了模型具有良好的可扩展性，这意味着模型不仅适用于特定尺寸的器件，还能够适应不同尺寸和结构的HEMT。
电路模拟验证：通过在Advanced Design System (ADS)电路模拟器中进行的瞬态模拟，验证了模型在实际电路中的应用效果，特别是在开关特性方面的预测能力。
首次报道：据作者所知，这是首次报道基于SP的FP电容模型在AlGaN/GaN HEMT中的应用，为该领域的研究提供了新的视角和工具。

这些创新点不仅提高了对FP结构在HEMT中电容行为的理解，而且为设计和优化高性能的功率电子器件提供了有力的理论支持和实用工具。

文章的研究方法

理论建模：首先，研究者们基于AlGaN/GaN HEMT的物理特性，特别是表面电位（SP）对电荷分布的影响，建立了一个理论模型。这个模型考虑了双场板（Dual Field-Plate，FP）结构对器件电容特性的影响，包括栅极和源极FP。
表面电位计算：通过解决Schrodinger方程和Poisson方程，研究者们自洽地计算了器件中形成的三角量子阱的本征值。利用Fermi-Dirac统计，他们获得了每个子带的2-DEG（二维电子气）电荷密度，并计算了准费米能级（EF）。
电荷分布：基于准费米能级，研究者们计算了器件中各个节点的电荷分布，包括源（Qs）、漏极（Qd）和栅极（Qg）的电荷。这些电荷分布是通过积分方法得到的，并且考虑了器件的几何参数和操作条件。
电容计算：利用电荷分布，研究者们计算了器件的终端电容，包括栅源（Cgs）、栅漏（Cgd）和漏源（Cds）电容。这些电容是通过电荷对电压变化的导数来定义的。
温度依赖性分析：研究者们考虑了温度对器件电容特性的影响，特别是对截止电压（VOFF）的影响。他们建立了一个线性的温度依赖模型来描述VOFF随温度的变化。
参数提取与验证：通过与实验数据的比较，研究者们提取了模型参数，并验证了模型的准确性。他们使用了Verilog-A代码在Advanced Design System (ADS)电路模拟器中进行了瞬态模拟，以展示模型在实际电路中的应用效果。
电路模拟：在ADS中进行了电路模拟，以观察FP结构对器件开关特性的影响，包括上升和下降速率（SRON和SROFF）。

整个研究方法体现了从理论到实践的严谨过程，通过物理模型的建立、参数的提取和验证，以及电路模拟的应用，确保了研究结果的科学性和实用性。

文章的结论

模型开发：研究者们成功开发了一个基于表面电位（SP）的紧凑模型，用于模拟具有栅极和源极场板（FP）的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）的电容特性。这个模型能够准确预测FP结构对器件电容行为的影响，特别是在亚阈值区域。
实验验证：模型的预测结果与实验数据非常吻合，这表明模型具有很高的准确性。模型在不同温度下的表现也得到了验证，显示出良好的温度依赖性。
电容特性分析：通过模型，研究者们观察到了由于GC-FP（栅极连接的FP）和SC-FP（源极连接的FP）引起的反馈米勒电容Cgd和漏源电容Cds在亚阈值条件下的变化，这些电容变化在终端电容中得到了体现。
电路模拟：通过在Advanced Design System (ADS)中进行的电路模拟，研究者们展示了FP结构对器件开关特性的影响，特别是在低漏极偏置下，由于Cgd和Coss的增加，导致开关速率（SRON和SROFF）的降低。
模型的实用性：研究者们证明了所提出的模型不仅在理论上是有效的，而且在实际电路设计和分析中也具有重要的应用价值。模型的可扩展性和温度依赖性使其成为一个强大的工具，用于设计和优化高性能的功率电子器件。