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功率器件技术 GaN器件 ★ 4.0

基于有效栅长的改进型T型栅HEMT紧凑模型

An Improved Compact Model of T-Gate HEMT Based on Effective Gate Length

作者 Kaiyuan Zhao · Hao Lu · Xiaoyu Cheng · Meng Zhang · Luqiao Yin · Bingjun Li
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年3月
技术分类 功率器件技术
技术标签 GaN器件
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 高电子迁移率晶体管 ASM - HEMT模型 横向电场 载流子浓度 饱和区建模
语言:

中文摘要

高电子迁移率晶体管的先进 SPICE 模型(ASM - HEMT)是基于氮化镓(GaN)的高电子迁移率晶体管(HEMT)的行业标准模型之一,该模型中仍缺乏对器件内部物理特性分布的解析模型,特别是缺乏可与漏极电流($I_{DS}$)和栅极电荷($Q_{G}$)相关联的横向电场($E_{X}$)和载流子浓度($n_{S}$)分布模型。此外,ASM - HEMT 中饱和区工作状态的建模依赖于无物理意义的经验参数。在本研究中:1)计算作为饱和区建模核心参数的有效栅长($L_{G,eff}$),以描述 HEMT 中出现的速度饱和现象;2)对线性区和饱和区中随栅极和漏极偏置变化的$E_{X}$和$n_{S}$分布进行建模;3)开发了一种考虑场板(FP)的 T 型栅 HEMT 模型,以描述场板导致的峰值电场降低和额外寄生效应。通过对所制备的 T 型栅 HEMT 的$I_{DS}$和米勒电容($C_{GD}$)进行表征验证了该模型,均方根误差低于 7.5%,表明模型具有高度的一致性。

English Abstract

Advanced SPICE Model for high electron mobility transistor (ASM-HEMT) is one of the industry standard models for GaN-based high electron mobility transistors (HEMTs), in which there still lack analytical models for the distribution of the physical properties inside the device, especially a model for the distribution of the transverse electric field ( E_ X ) and carrier concentration ( n_ S ) that can be linked to the drain current ( I_ DS ) and gate charge ( Q_ G ). Besides, the modeling of operations in the saturation region in ASM-HEMT is dependent on empirical parameters without physical significance. In this work: 1) effective gate length ( L_ G,eff ) as a core parameter for saturation region modeling is calculated to capture the velocity saturation occurring in HEMTs; 2) distribution of E_ X and n_ S varying with gate and drain biases in the linear and saturation regions is modeled; 3) a field plate (FP) aware T-gate HEMT model is developed to capture the reduction of the peak electric field and the additional parasitic effect caused by the FP. The model is verified by characterizing the I_ DS and Miller capacitance ( C_ GD ) of the fabricated T-gate HEMTs, with RMSE lower than 7.5%, indicating a high degree of agreement.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇关于T栅GaN HEMT改进紧凑模型的研究具有重要的战略价值。GaN功率器件是新一代光伏逆变器和储能变流器的核心技术,直接影响系统的功率密度、转换效率和可靠性。

该研究针对ASM-HEMT工业标准模型的不足,提出了基于有效栅长的改进方案,这对阳光电源的产品开发具有三方面价值:首先,通过建立横向电场和载流子浓度分布的解析模型,能够更准确预测器件在不同工况下的行为特性,这对于逆变器在宽输入电压范围和复杂电网条件下的精确控制至关重要。其次,饱和区建模从经验参数转向物理参数,使得仿真精度显著提升(RMSE低于7.5%),可大幅缩短电路设计周期,降低样机试错成本。第三,场板感知T栅结构的建模能够准确捕捉峰值电场降低和寄生效应,这对开发高耐压、高频化的新一代产品(如1500V光伏系统、高功率密度储能PCS)具有直接指导意义。

技术成熟度方面,该模型已通过实际器件验证,但从研究到产业化应用仍需时间。主要挑战在于:模型需要与阳光电源现有的电路仿真平台深度集成,且GaN器件的长期可靠性数据积累尚不充分。机遇在于,随着GaN成本持续下降和模型工具链完善,阳光电源可借此建立差异化的器件级仿真能力,在高频化、轻量化产品竞争中占据技术制高点,特别是在海上风电变流器、移动储能等对功率密度要求极高的应用场景中形成突破。