基于表面势的增强型p-GaN HEMT器件模型.docx

### 基于表面势的增强型p-GaN HEMT器件模型 #### 一、引言 近年来，氮化镓（GaN）功率器件因其卓越的性能而在高频、高功率及高压应用领域展现出巨大的潜力。特别是GaN基高电子迁移率晶体管（HEMT）被认为是下一代功率电子系统的核心元件之一。为了提高功率转换效率和可靠性，研究者们正致力于开发更加高效、可靠的HEMT器件。在这些努力中，增强型GaN HEMT由于其较低的静态功耗和更高的安全性而备受关注。 其中，p-GaN栅结构是实现增强型GaN HEMT的关键技术之一，它不仅成熟度高，而且成本相对较低。为了更好地在电路设计中利用这种技术，建立一个准确、可靠的SPICE紧凑模型至关重要。然而，现有的模型如基于MVSG模型和基于ASM模型均存在一定的局限性：前者忽略了p-GaN层的影响及其与金属/p-GaN结的物理特性，后者则假设p-GaN层完全耗尽，且未对p-GaN栅进行栅电流建模。 #### 二、基于表面势的增强型p-GaN HEMT器件模型 为了解决上述问题，本研究提出了一种基于表面势的新模型。该模型结合了p-GaN层的掺杂效应以及p-GaN栅结构的物理特性，旨在提供一个更加精确的电学特性模拟方法。 ##### 2.1 建模原理 图1展示了GaN HEMT器件与p-GaN HEMT器件结构的对比。可以看出，在p-GaN HEMT中额外加入了一个p-GaN层，这不仅改变了器件的整体结构，还引入了新的物理现象，例如金属/p-GaN形成的肖特基结和p-GaN/AlGaN/GaN形成的pin结。当对这两种器件施加相同电压时，p-GaN HEMT中施加到p-GaN层以下任意位置的电压会因p-GaN层的存在而发生变化（见公式1）。 ##### 2.2 表面势的计算 表面势是理解HEMT器件工作原理的关键参数之一。耗尽型ASM-HEMT模型是基于表面势来建立的，其通过计算二维电子气所对应的费米能级的电势来确定表面势（见公式2至5）。具体来说，首先根据栅极电压\( V_g \)和截止电压\( V_{\text{off}} \)计算费米能级电势\( V_f \)，然后根据这一电势计算表面势\( \psi \)（见公式6）。通过表面势可以进一步推导出漏源电流\( I_{\text{ds}} \)的表达式（见公式7至10）。 ##### 2.3 模型的优势 相较于现有的MVSG模型和ASM模型，本研究所提出的基于表面势的增强型p-GaN HEMT器件模型有以下几点显著优势： - **更全面的物理特性考虑**：新模型考虑了p-GaN层的掺杂效应以及p-GaN栅结构与AlGaN/GaN界面的物理特性。 - **更准确的电学特性模拟**：通过精确计算表面势，模型能够更准确地模拟转移特性、输出特性、栅电容以及栅电流等关键电学特性。 - **更强的实用性**：由于模型的准确性更高，因此在实际电路设计中的应用价值更大。 本研究所提出的基于表面势的增强型p-GaN HEMT器件模型在理论上更为完善，在实践中也更具实用性。这对于推动GaN HEMT器件的发展，尤其是增强型器件的设计与优化，具有重要意义。