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一种面向电路设计的β-Ga2O3肖特基势垒二极管
SBD）基于物理的SPICE紧凑模型：通过交流整流特性建模的验证
| 作者 | Shivendra Kumar Singh · Bich-Ngoc Chu · Ka Hou Lam · Ming-Yueh Huang · Hua-Mao Chen · Chih-Hung Yen |
| 期刊 | IEEE Transactions on Electron Devices |
| 出版日期 | 2025年9月 |
| 技术分类 | 功率器件技术 |
| 技术标签 | SiC器件 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | β-氧化镓 肖特基势垒二极管 紧凑模型 电路仿真 伏安特性 |
语言:
中文摘要
本文提出了一种基于物理的全面紧凑模型，用于β - 氧化镓（Ga₂O₃）肖特基势垒二极管（SBD），该模型专为电路仿真而设计，并通过Verilog - A代码与基于SPICE的仿真器兼容。该模型在考虑高电平注入和电流相关串联电阻的同时，能够捕捉与温度相关的特性以及反向恢复效应。该模型已针对我们自行制作的直径为100μm和250μm的肖特基势垒二极管的直流特性进行了验证。该模型还能准确模拟直径为250μm的肖特基势垒二极管在100 Hz至1 MHz频率范围内、峰 - 峰值为10 V和20 V的正弦输入下的交流整流特性。最后，本文提供了李萨如图形，以展示整流过程中的电流 - 电压（I - V）特性。
English Abstract
This article presents a comprehensive, physics-based compact model for β-gallium oxide (Ga2O3) Schottky barrier diodes (SBDs), designed for circuit simulation and compatible with SPICE-based simulators using Verilog-A code. The model captures temperature-dependent behavior and reverse recovery effects while accounting for high-level injection and current-dependent series resistance. The model is verified against the dc characteristics of our self-fabricated 100-and 250-μm-diameter SBDs. The model also accurately simulates the ac rectification characteristics of the 250-μm SBD for 10-and 20-V peak-to-peak sinusoidal inputs from 100 Hz to 1 MHz. Finally, the Lissajous plots are provided to illustrate the I–V characteristics during rectification.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项β-Ga₂O₃肖特基二极管（SBD）的SPICE紧凑模型研究具有重要的战略参考价值。氧化镓作为第四代超宽禁带半导体材料，其理论击穿场强达8 MV/cm，远超碳化硅和氮化镓，这为我们在高压大功率应用场景中实现更高功率密度和效率提供了新的技术路径。
在光伏逆变器和储能变流器领域，功率二极管的反向恢复特性直接影响系统效率和EMI性能。该模型准确捕捉了温度依赖特性、反向恢复效应以及电流相关的串联电阻，这对我们进行新一代高频、高效逆变拓扑的仿真设计至关重要。特别是在1500V及以上高压光伏系统和大容量储能系统中，Ga₂O₃ SBD的低导通损耗和快速开关特性可能带来显著的系统级效率提升。
论文展示的AC整流特性建模（100Hz至1MHz）与我们的应用频段高度契合。基于Verilog-A的SPICE兼容性意味着可以直接集成到现有的电路设计流程中，降低新技术评估的门槛。然而，我们也需要关注几个关键挑战：首先，Ga₂O₃材料和器件的商业化成熟度仍处于早期阶段，成本和可靠性数据有限；其次，高温下的长期稳定性和实际工况下的热管理需要深入验证；第三，需要建立完整的供应链和质量体系。
建议我们的研发团队密切跟踪Ga₂O₃技术进展，在适当时机开展小批量试用评估，为下一代超高效能源转换产品储备技术能力，特别是在对功率密度和效率有极致要求的应用场景中寻找突破点。