基于表面势的增强型p-GaN HEMT器件模型

来源：电子学报 22年

摘要

为了满足功率电路及系统设计对p-GaN HEMT（High Electron Mobility Transistor）器件模型的需求，本文建立了一套基于表面势计算方法的增强型p-GaN HEMT器件SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）模型. 根据耗尽型GaN HEMT器件和增强型p-GaN HEMT器件结构的对比，推导出p-GaN栅结构电压解析公式. 考虑到p-GaN栅掺杂效应和物理机理，推导出栅电容和栅电流解析公式. 同时，与基于表面势的高电子迁移率晶体管高级SPICE模型内核相结合，建立完整的增强型p-GaN HEMT功率器件的SPICE模型. 将所建立的SPICE模型与实测结果进行对比验证. 结果表明，所建立的模型准确实现了包括转移特性、输出特性、栅电容以及栅电流在内的p-GaN HEMT器件的电学特性. 模型仿真数据与实测数据拟合度误差均小于5%. 本文所提出的增强型p-GaN HEMT器件模型在进行电路设计时具有重要的应用价值.

关键词：增强型；高级 Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis 模型；p-GaN 栅；转移特性；输出特性；栅电容；栅电流

文章的研究内容

文章《基于表面势的增强型p-GaN HEMT器件模型》介绍了研究人员为适应功率电路及系统设计对增强型p-GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）器件模型的需求，构建了一种基于表面势计算方法的SPICE模型。该模型通过对比分析耗尽型GaN HEMT和增强型p-GaN HEMT的器件结构差异，推导出了描述p-GaN栅结构电压变化的解析公式，并充分考虑了p-GaN栅层的掺杂效应及其物理机制，进一步推导出了栅极电容和栅极电流的解析表达式。

文中提到的研究团队将这些理论成果与已有的基于表面势的高电子迁移率晶体管高级SPICE模型核心（即ASM模型）结合，建立了完整的增强型p-GaN HEMT功率器件的SPICE仿真模型。通过实验数据对该模型进行了验证，结果显示该模型成功模拟再现了增强型p-GaN HEMT器件的关键电学特性，包括转移特性、输出特性、栅电容和栅电流等，并且模型仿真数据与实际测量数据之间的拟合误差小于5%，证明了该模型的精确性和有效性。

因此，该研究的主要内容是针对增强型p-GaN HEMT器件开发了一种基于表面势理论的SPICE仿真模型，以帮助设计人员在设计阶段准确预测和优化器件性能，从而提升功率电子产品的设计水平和可靠性。

文章的研究方法

对比分析与理论推导：首先通过对耗尽型GaN HEMT器件与增强型p-GaN HEMT器件结构的深入比较，研究者们获得了关于p-GaN栅结构电压特性的解析公式。这意味着他们分析了不同模式下HEMT器件的差异，并据此建立起相应的数学表达式来描述增强型p-GaN栅结构的电压行为。
考虑掺杂效应与物理机制：在上述基础上，研究团队进一步考虑了p-GaN栅层的掺杂效应，以及p-GaN栅结构相关的物理机制，由此得出了栅极电容和栅极电流的解析公式。这一步骤确保了模型能够准确反映出器件在实际工作条件下由于材料性质和掺杂引起的复杂电气响应。
集成高级SPICE模型内核：研究者将以上得出的解析公式整合到基于表面势的高电子迁移率晶体管高级SPICE模型（ASM模型）的核心算法中，以此构建了一个完整适用于增强型p-GaN HEMT功率器件的SPICE仿真模型。
模型验证与优化：最后，通过将构建的SPICE模型与实际测量数据进行对比验证，调整并优化模型参数，确保模型能够准确模拟p-GaN HEMT器件的各项电学特性，包括但不限于转移特性、输出特性、栅电容和栅电流。实测数据显示，模型仿真数据与实际测量数据的拟合误差控制在5%以内，证实了该模型的有效性和准确性。

这篇文章的研究方法主要是理论分析、物理机制理解和数学建模相结合，并通过仿真验证与实际数据对比，实现了对增强型p-GaN HEMT器件电学特性的精确模拟和预测。

文章的创新点

基于表面势计算方法：作者提出了一种新颖的方法，利用表面势计算原理来建立增强型p-GaN HEMT器件的模型。这种方法论上的创新使得模型能够更准确地反映器件内部复杂的电荷分布和电场效应。
p-GaN栅结构电压解析公式：通过对比分析耗尽型与增强型GaN HEMT的结构差异，文章首次（或改进性地）推导出了专门针对增强型p-GaN栅结构的电压解析公式，这一成果有助于更精准地模拟和预测p-GaN HEMT的工作状态。
考虑p-GaN栅掺杂效应和物理机制：模型中特别纳入了p-GaN栅层掺杂的影响因素，并从物理机制层面详细解析了栅电容和栅电流的变化规律，这种细致入微的考量使得模型具备了更高的真实性和实用性。
完整SPICE模型构建：结合ASM（Advanced SPICE Model）内核，创建了全面覆盖增强型p-GaN HEMT功率器件电学特性的SPICE模型，包括转移特性、输出特性、栅电容和栅电流等关键参数的模拟计算。
仿真验证与误差控制：模型经过与实际测量数据的严格对比验证，其仿真结果与实测数据的拟合误差低于5%，这体现了模型的高度精确性和可靠性，为功率电路和系统设计提供了有力的工具。

该文的创新之处主要体现在对增强型p-GaN HEMT器件特有物理现象的深入理解以及由此产生的新型精确仿真模型的构建，极大地提升了此类器件在实际电路设计中的应用价值。

文章的结论

文章的结论是，研究团队成功建立了一套基于表面势计算方法的增强型p-GaN HEMT器件模型，该模型综合考虑了p-GaN层的掺杂效应以及肖特基金属/p-GaN结、p-GaN/AlGaN/GaN结构的物理特性，并在此基础上推导出了有关p-GaN栅结构的关键电压解析公式。通过将这些公式与耗尽型ASM-HEMT模型内核相融合，形成了一个全面涵盖增强型p-GaN HEMT功率器件所有主要电学特性的SPICE仿真模型。

在模型验证阶段，通过与实际器件的测量数据进行对比，发现无论是转移特性、输出特性、栅电容还是栅电流，仿真结果与实测数据的拟合误差都保持在5%以内，显示出模型具有高度的精度和适用性。尤其在处理高漏源电压和高栅源电压条件下的器件特性时，该模型表现出优于现有模型的优势，因为它充分考虑了p-GaN HEMT器件栅结构的动态物理特性，有效地降低了相关特性曲线的拟合误差。

因此，该模型对于利用增强型p-GaN HEMT器件进行功率电路及系统设计具有显著的应用价值，能够提供更加准确和可靠的器件行为预测，从而支持高效、精确的设计和优化工作。