双场板功率型GaN HEMT中用于精确开关行为的电容建模

来源: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势的紧凑模型，用于描述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中引入FP可以改善击穿电压、降低栅极漏电流等性能，但同时也会影响器件的电容性质，特别是在亚阈值工作区域产生栅极与漏极之间的反馈米勒电容以及漏极与源极之间的电容，从而影响开关特性。本文建立的终端电容随偏压变化的模型中，用于推导电容所需的内在电荷表达式是基于物理原理且解析形式的，并适用于器件所有工作区域。该模型以Verilog-A语言实现，对于不同温度下的实测数据具有极好的一致性。

关键词：电容、场板（FP）、氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMTs）、建模、表面电势（SP）。

文章的研究内容

文章的研究内容是针对具有双场板结构（Field-Plate, FP）的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）进行电容建模，以准确模拟其开关行为。研究团队提出了一个基于表面势垒的紧凑模型，该模型专门用来描述具有源极和栅极FP的HEMT器件的电容特性。在双场板HEMT中，场板的引入虽然能改善器件的击穿电压、降低栅极漏电流等性能，但同时也改变了器件的电容性质，尤其是在亚阈值工作区，它导致了栅极与漏极之间出现反馈米勒电容以及漏极与源极之间的额外电容。

为了精确模拟这种影响并优化功率转换电路中的功耗（由输入电容Ciss、反向电容Crss和输出电容Coss决定），研究者发展了一种基于物理机制的模型。这个模型利用解析方法对AlGaN/GaN HEMT的表面势进行了建模，并基于此计算设备内部的电荷分布和漏极电流。文中提到的模型——先进SPICE模型（ASM-HEMT）经过验证，与实验数据吻合良好，并通过了一系列标准测试，显示出了高度的准确性和稳定性。研究还通过瞬态仿真，分析了不同Vds偏压下，双场板HEMT在开启过程中输出节点的斜率变化与栅极到漏极电容Cgd的关系，以及它们如何影响器件的开关速度。

此外，文章介绍了参与这项研究的多位作者及其学术背景，他们分别来自不同的研究机构，在半导体器件特性的表征、紧凑模型开发、射频电路设计及高级半导体器件模拟等方面有深入研究。

文章的创新点

文章的创新点在于提出了一种基于表面势的紧凑模型，专门针对具有双场板结构的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）进行电容建模。研究团队首次为这类带有源极和栅极场板（FP）的HEMT器件开发了基于表面势（SP）的电容模型，并将该模型实现于Verilog-A语言中，以适应电路仿真工具。

模型的创新之处在于：

1. 采用了物理基础的解析方法来描述器件在不同工作区间的终端电容（Ciss、Crss和Coss），以及与电压偏置相关的内在电荷表达式。
2. 模型参数直接或间接地与决定器件动态特性的物理效应相联系，使得参数提取过程相对简单且易于理解。
3. 通过模拟实验数据验证了模型的有效性，在各种温度条件下与测量结果表现出优异的一致性。
4. 特别关注了场板对器件开关特性的影响，包括引入了亚阈值区域中的栅极-漏极反馈米勒电容及漏极-源极电容，并分析了这些电容如何影响器件的开关速度（如开启瞬态时输出节点的斜率SRON与栅极到漏极电容Cgd的关系）。

综上所述，文章的创新点在于其首次提出的适用于双场板功率GaN HEMT的物理基础、紧凑且精确的电容模型，这一模型能够准确反映并预测器件在高频开关应用中的性能表现，从而有助于优化设计和提高器件效率。

文章的研究方法

文章采用的研究方法包括：

1. 物理模型构建：基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的双场板结构，研究团队构建了一个基于表面势的紧凑电容模型。这个模型利用解析技术来描述器件在不同工作状态下的终端电容（如输入电容Ciss、反向电容Crss和输出电容Coss），并考虑了场板引入后对器件电容特性的改变，特别是在亚阈值区间的栅极-漏极反馈米勒电容和漏极-源极电容。

2. 参数提取与验证：通过拟合实验数据提取模型参数，并通过比较实测的Ciss-Vds和Coss-Vds特性曲线以及它们在不同Vds偏置区域下的贡献来验证模型的有效性。具体而言，在零电压偏置下通过分析Ciss随Vgs变化的关系来提取VOFF参数，并对Cgd、Cgs等独立电容组件进行建模。

3. 温度依赖性建模：为模拟实际操作条件，模型还纳入了电容随温度变化的特性。例如，模型中对截止电压VOFF、内建电压Vbi和无偏压耗尽电容参数CJ0均添加了线性温度相关项，以符合实验数据所展示的趋势。

4. 电路仿真与分析：利用提出的电容模型，研究者在设计套件中加载FP电容模型参数及ASM-HEMT核心模型参数，并选择演示电路进行瞬态仿真，观察双场板HEMT在脉冲激励下的开关行为。通过对不同电源电压（10 V 和 300 V）条件下器件开启时的瞬态响应进行仿真，探讨FP实施对器件开关速度的影响。

综上所述，文章综合运用了理论建模、参数提取、实验数据分析以及电路仿真等多种手段，针对双场板功率GaN HEMT进行了深入的电容建模研究，从而准确预测其开关行为。

文章的研究结论

1. 研究团队针对具有双场板结构的AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）开发了一种基于物理原理的电容模型，该模型能够准确模拟器件在不同工作条件下，特别是亚阈值区域的终端电容（如Ciss、Crss和Coss）随电压变化的行为。

2. 通过与实验数据对比验证，该模型成功展示了双场板对器件开关性能的影响。尤其是在低偏压下，由于场板导致栅极-漏极电容Cgd显著增大，使得器件开启时的瞬态斜率SRON降低，从而影响了开关速度。而在高偏压下，由于Cgd的影响趋于一致，开关瞬态行为并未出现明显改变。

3. 模型考虑了温度对器件特性的影响，并引入了相关参数以反映截止电压VOFF、内建电压Vbi以及无偏压耗尽电容CJ0随温度的变化规律。

4. 文章中详细介绍了模型参数提取的过程，并展示了模型如何通过精确模拟实现优化高频开关电路设计的目的，从而降低功率损失并提升整体电路性能。

5. 基于所提出的紧凑模型，研究人员通过电路仿真进一步分析了双场板HEMT在实际应用中的表现，并且该模型已通过一系列质量基准测试，显示了其在精度和鲁棒性方面的优越性。

综合以上信息，研究得出结论：为提高GaN HEMT在高速开关电路中的实用性和模拟准确性，开发的双场板HEMT电容模型能有效地捕捉并量化场板效应，有助于器件性能的优化设计和预测。