基于表面电势的AlGaN/GaN MODFET紧凑模型

标题：A Surface-Potential-Based Compact Model for AlGaN/GaN MODFETs

来源：IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES（11年）

摘要 - 本文首次构建了基于表面势（SP）的AlGaN/GaN调制掺杂场效应晶体管（MODFET）模型。 首先，提出了一个闭合形式的解析近似，用于描述AlGaN/GaN界面处费米势能E_F相对于导带底的相对关系，并经验证在不同偏压和温度下具有足够的精度。然后，将AlGaN/GaN界面处导带底的势能ϕ_s定义为表面势（SP），并计算ϕ_s相对于地面的值。基于该计算，实现了基于SP的紧凑型直流模型的开发。该模型包括速度饱和、沟道长度调制、漏极注入势垒降低效应和自热效应。与我们小组开发的基于V_th的模型相比，这种基于SP的模型为AlGaN/GaN MODFETs提供了一种更对称、更准确但更简单的描述。在整个应用栅极和漏极偏压范围内以及不同温度下，不同长度器件的计算直流特性和跨导与实验数据非常吻合。

关键词 - AlGaN/GaN调制掺杂场效应晶体管（MODFETs），紧凑型模型，表面势（SP）。

表面势模型之所以被称为"表面势"，是因为它基于材料表面的电势分布来描述器件的行为和特性。在半导体器件中，材料表面的电势分布对电子在器件内部的移动和能带弯曲起着重要作用。

对于GaN材料，特别是AlGaN/GaN异质结构，电子在GaN层和AlGaN层之间形成了二维电子气（2DEG）。这个电子气的形成是由材料的能带结构和电势分布决定的。在表面势模型中，将材料表面的电势定义为"表面势"（Surface Potential），通常用符号ϕs表示。

通过计算或测量，可以确定材料表面的电势分布，并将其作为模型的输入。基于表面势模型，可以推导出器件的电流-电压特性、电容等重要参数，从而对器件的性能进行建模和分析。

因此，表面势模型之所以被称为"表面势"，是因为它关注和描述了材料表面的电势分布及其对器件行为的影响。这个模型在研究和设计基于GaN材料的器件时非常有用，特别是在高频和功率应用中。

文章研究了什么

这篇文章研究了AlGaN/GaN MODFETs中肖特基势垒高度（SP）的解析近似的发展以及其在紧凑建模中的应用。研究发现，基于SP的模型相比基于阈值电压（V_th）的方法更准确、对称且更简单。该研究致力于改进渐近解以获得对费米能级（E_F）更准确的近似，并克服量子力学效应带来的挑战。作者引入了E_F的闭式解析近似，该近似在计算效率上高，并在不同偏置和温度条件下对各种器件具有足够的准确性。基于SP的模型提供了清晰准确的物理内容，并具有为所有工作区域提供单一表达式的能力。研究还将解析解与数值结果进行了比较，并展示了在广泛的偏置条件和器件参数下的优秀准确性。

文章的创新点

• 开发了一种对AlGaN/GaN MODFETs中肖特基势垒高度（SP）进行解析近似的方法，具有高精度，并适用于广泛的器件参数和温度范围。
• 引入了基于SP的模型，该模型在源漏互换对称性方面没有d²I_ds/dV²_ds奇异性，相比基于阈值电压（V_th）的模型，提供了更简单和更准确的方法。
• 改进了渐近解，以获得对AlGaN/GaN MODFETs中费米能级（E_F）更准确的近似，考虑到强量子力学效应的影响。
• 引入了对E_F的闭式解析近似，该近似在计算效率上高，行为良好，并对不同偏置和温度条件下的各种器件具有足够的准确性。
• 在广泛的偏置条件和器件参数范围内，展示了基于SP的模型的准确性和适用性，通过解析近似引入的绝对误差不超过15 pV。

文章的研究方法

• 该文章采用了解析方法，针对AlGaN/GaN MODFETs中的肖特基势垒高度（SP）进行了近似，考虑了广泛的器件参数和温度范围。
• 作者改进了渐近解，以获得对AlGaN/GaN MODFETs中费米能级（E_F）更准确的近似，考虑到强量子力学效应的影响。
• 通过比较数值和解析结果，验证了对E_F的解析近似的准确性。
• 该研究还将解析解与相关方程的数值解进行比较，以展示在广泛的偏置条件和器件参数范围内所实现的优秀准确性。
• 进一步发展并应用基于SP的模型，重写AlGaN/GaN MODFETs的迁移率模型，包括漏极诱导势垒降低（DIBL）和自热效应。将建模结果与实验测量进行比较。

文章的结论

• 该文章得出结论，在考虑广泛的器件参数和温度范围的情况下，已经开发了AlGaN/GaN MODFETs中肖特基势垒高度（SP）的解析近似，具有高度的准确性。这种基于SP的模型在源漏互换对称性方面没有奇异性，并且在漏极电流关于漏源电压的二阶导数方面没有奇异性。

• 与基于阈值电压（V_th）的方法相比，基于SP的方法在准确性、对称性和结构简单性方面更为优越。因此，可以得出结论，基于SP的方法是AlGaN/GaN MODFETs紧凑建模的一个强有力的选择。

• 该文章还强调了在AlGaN/GaN MODFETs中由于量子限制效应而需要对费米能级（E_F）进行准确近似的需求。所开发的对EF的解析近似在计算效率上高，行为良好，并且对不同偏置和温度条件下的各种器件具有足够的准确性。

• 基于SP的模型结合了对E_F的解析近似，能够为所有工作区域提供单一表达式，并具有对称性和连续性。使用这种基于SP的模型准确地考虑EF随施加的栅极偏置的变化被认为是必要的。