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考虑速度饱和效应的基于物理的非线性电容模型
Physics-Based Nonlinear Capacitance Model Considering Velocity Saturation Effect
| 作者 | Shuman Mao · Xiang Su · Ruimin Xu · Bo Yan · Min Tang · Yuehang Xu |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年6月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 GaN器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 氮化镓高电子迁移率晶体管 非线性电容建模 电子速度饱和效应 准物理区域划分模型 精度提升 |
语言:
中文摘要
准确建模非线性电容对于基于物理的氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)紧凑模型至关重要。对于传统方法而言,由于缺乏有效的边界电势模型,在非线性电容模型中往往难以实现电子速度饱和效应(VSE)的物理建模。本文基于准物理区域划分(QPZD)模型理论,提出了一种改进的电容建模方法,该方法将漂移 - 扩散区域内的速度饱和效应纳入其中。首先,推导了一个由速度饱和效应引起的沟道饱和区的偏置相关等效长度模型。然后将该模型集成到边界电势计算中,以充分考虑速度饱和效应。接着,通过在有效栅长模型和积分边界中全面考虑速度饱和效应,并利用所提出的边界电势模型进行计算,开发出非线性电容模型。这种方法有助于提高饱和区本征电容特性的准确性。最后,利用从多偏置 S 参数中提取的非线性电容数据对包含速度饱和效应的非线性电容模型进行了验证。验证结果表明,所提出的方法在非线性电容表征方面平均精度提高了 11.5% 以上。
English Abstract
Accurate modeling of nonlinear capacitance is significant for physics-based compact modeling of GaN high-electric-mobility transistor (HEMT). For conventional methods, physical modeling of the electron velocity saturation effect (VSE) is often hard to realize in nonlinear capacitance models due to the lack of an effective boundary potential model. In this article, an improved capacitance modeling method that incorporates the VSE within the drift-diffusion regime is proposed, based on the quasi-physical zone division (QPZD) model theory. First, a bias-dependent equivalent length model for the saturation region in the channel induced by VSE, is derived. This model is then integrated into the boundary potential calculation to fully account for VSE. Next, the nonlinear capacitance model is developed by comprehensively considering the VSE in both the effective gate length model and the integral boundary, calculated using the proposed boundary potential model. This approach contributes to the accuracy improvement for the intrinsic capacitance characteristics in the saturation region. Finally, the nonlinear capacitance model, incorporating VSE, is validated using nonlinear capacitance data extracted from multi-bias S-parameters. The verification results demonstrate that the proposed method provides an average accuracy improvement of over 11.5% in nonlinear capacitance characterization.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对GaN HEMT器件非线性电容建模的研究具有重要的战略意义。氮化镓(GaN)功率器件凭借其高开关频率、低导通电阻和优异的热性能,正成为光伏逆变器和储能变流器等核心产品的关键技术方向。
该研究提出的基于速度饱和效应(VSE)的物理建模方法,通过准物理区域划分(QPZD)理论改进了电容特性的精确表征,在饱和区实现了超过11.5%的精度提升。这对阳光电源的实际应用价值体现在多个层面:首先,更精确的电容模型能够显著提升功率器件在高频开关工况下的仿真准确性,这对于我们开发高功率密度、高效率的逆变器和储能变流器至关重要。其次,准确的非线性电容建模有助于优化器件的驱动电路设计,降低开关损耗,提升系统整体效率,这直接关系到产品的市场竞争力。
从技术成熟度评估,该研究已通过多偏置S参数验证,展现出较好的工程应用潜力。然而,从实验室模型到大规模量产应用仍存在挑战:模型需要在不同温度、老化条件下的鲁棒性验证,以及与现有EDA工具链的集成问题。
对阳光电源而言,建议关注该技术在以下场景的应用机遇:1250V及以上高压光伏系统、大容量储能PCS的GaN器件选型与优化设计、以及电动汽车充电桩等高频应用场景。建立与学术机构的合作,将先进建模技术内化为自主仿真能力,将成为提升产品性能和缩短研发周期的重要途径。