CN111144059A - 一种氮化镓高电子迁移率晶体管的经验性电容模型在高漏源电压条件下的简化方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于氮化镓高电子迁移率晶体管的经验性电容模型在高漏源电压下的简化方法，该方法包括：基于一系列物理分析，将栅源电容
和栅漏电容
均简化为只与栅漏电压相关，并基于此模型构建出整个氮化镓高电子迁移率晶体管的完整模型，最后应用至大信号仿真中或功率放大器设计中。说明书使用一些测量数据来验证了该建模方法应用在大信号工作条件下的有效性。本方法简化了原有Angelov经验模型中电容的表达式，降低了电容的拟合难度，提升了模型的开发速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于氮化镓高电子迁移率晶体管的经验性电容模型在高漏源电压下的简化方法。
背景技术
氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）由于有着高电子迁移率、高功率容量等特性而在射频功率电子领域受到了越来越多的关注。它可以被广泛地应用至大功率功率放大器的设计中，而功率放大器的设计又极其依赖于基于氮化镓高电子迁移率晶体管设计的模型。因而半导体器件建模在整个设计流程中有着具足轻重的地位。
在建模半导体器件时，模型的精确度与模型开发的速度往往是两个相互制约的因素。模型的精确度的上升往往意味着模型复杂度的上升，而这也将导致模型开发速度的下降。建立一个准确而又简单的模型，有助于减少拟合复杂度，加快模型运算速度，能够有效缩减一个半导体器件从初次制备到应用于功率放大器的时间。
在传统的Angelov模型中，栅源电容
和栅漏电容
一共包含了13个需要通过拟合得出的经验参数。由于经验参数个数较多，电容参数的拟合严重依赖于初始值的设置，也容易落入局部最优，同时在拟合时也有着较大的运算负担。
发明内容
本发明基于物理分析，提出一种氮化镓高电子迁移率晶体管的经验性电容模型在高漏源电压下的简化方法，可以有效减少栅漏电容、栅源电容中的参数数量，减少了模型的运算复杂度和拟合所需时间。
本发明采用的技术方案是：
当器件工作于高漏源电压时，将栅源电容
的简化为只与栅源电压相关从而使得其经验参数由原有的6个减少为现有的4个；同时将栅漏电容
也简化为只与栅源电压相关，从而使其经验参数由原有的7个减少为现有的4个。
本发明的主要贡献在于：简化了电容模型
和
的表达式，减少了经验参数的数量，降低了模型仿真时运算的复杂度，也降低了模型拟合时的复杂程度。
本发明的主要优势在于：
1.分析基于物理出发，使得电容模型的简化方法有物理含义；
2.大量减少原有电容模型中的参数，提升模型使用的简便度；
在简化的基础上也保证了模型的精度。
附图说明
图1是氮化镓高电子迁移率晶体管工作于正常的开启状态时的横截面示意图，它指明了在Angelov模型中的栅源电容
和栅漏电容
在真实器件中的对应位置。
图2是氮化镓高电子迁移率晶体管工作于高漏源电压时的横截面示意图。
图3是本简化方法所依托的氮化镓高电子迁移率晶体管的大信号等效电路图，它指明了栅源电容
和栅漏电容
在等效电路图中的位置，也包含了一个用于建模自热效应的热子电路。
图4是使用本简化方法的模型的功率扫描特性仿真与实测结果对比图，其中包含输出功率(Pout)、转换功率增益(Transducer power gain/Gain)和加性功率增益(PAE)的建模结果和实测数据的对比。
图5是使用本简化方法的模型的加性功率增益轮廓图(PAE contour)和功率轮廓图(Power contour)的建模结果和实测数据的对比。
具体实施方式
本发明具体阐述了一种高电子迁移率晶体管中的栅源电容
和栅漏电容
的模型在高漏源电压下的简化方法。
对于本发明所对应的具体实施方法，步骤如下：
1.建立原有的Angelov经验电容模型
Angelov电容模型由与栅源电压相关的项和与漏源电压相关的项相乘而
成。其可以被表示为：
 | (1) |
由于GaN HEMT中的二位电子气主要聚集在源极和漏极两侧，故使用
和
表征栅源和栅漏之间的电容，如图1所示。其中
被建模为：
 |
(3) | |
 |
(4) |
其中有
，
，
，
，
，
这六个经验参数需要通过拟合得到。
而被建模为：
 | (6) | |
 | (7) |
其中有
，
，
，
，
，
，
这七个经验参数需要通过拟合得到。
2.在大漏源电压下对模型进行简化
如图2所示，当器件处于开启状态且漏源电压较高时，器件进入饱和区，沟道出现夹断，将会影响二维电子气层耗尽区的长度，当较大时，耗尽区的长度受的影响会越来
越小，即二维电子气层的形态受到的影响也越来越小，而二维电子气层的形态将会直接
影响到栅源电容和栅漏电容的数值。这表明，当较大而使得器件工作于饱和区时，栅源
电容和栅漏电容受到的影响会随着的增大而减小。另外由于栅源电容距离
漏端较远，因此它受到的影响会比受到的影响更小。这时，对二维电子气层起到主
要控制作用的就将主要影响栅源电容和栅漏电容的变化趋势。因此可以将栅源
电容简化为只受控制：
 | (9) | |
 | (10) |
栅漏电容在高时的表达式也可以被简化只受控制：
 | (11) | |
 | (12) |
如此，GaN HEMT中的两个随偏置电压可变的电容模型的总参数数量从13个被简化为8个。
接下来对本专利中的简化电容模型进行实例验证，由于器件模型将服务于功率放大器设计，因此这里将验证模型的与大信号相关，且与本电容简化工作相关的功率扫描特性和加性功率增益及功率轮廓负载图特性。与放大器设计相关的直流IV验证及其小信号S参数验证此处并未给出。实测数据来自于某批次栅宽200 μm，栅长0.4 μm，且具有4个指的GaNHEMT。仿真基于图3所示的大信号等效电路参数图，其中包含一个建模器件自热效应的热子电路。
图4是此GaN HEMT的输出功率(Pout)、转换功率增益(Gain)和加性功率增益(PAE)的建模结果和实测数据的对比。器件工作在负载端反射系数
= 0.484 + j0.352，源端反射系数
= 0.359 + j0.801，室温25℃，频率2.7 GHz静态漏源偏置电压
= 48 V以及静态栅源偏置电压所对应的静态漏源偏置电流为21.9 mA的情况下。其中蓝色圆圈代表测量结果，红色实线代表仿真结果。
图5是此GaN HEMT的加性功率增益轮廓图(PAE contour)和功率轮廓图(Powercontour)的建模结果和实测数据的对比。对于图5所示的加性功率增益轮廓图和功率轮廓图，器件均工作在源端反射系数
= 0.359 + j0.801，二次谐波负载反射系数
=0.045 + j0.030，三次谐波负载反射系数
= 0.178 + j0.249，室温25℃，频率2.7 GHz静态漏源偏置电压
= 48 V以及静态栅源偏置电压所对应的静态漏源偏置电流为24mA的情况下。其中蓝色实线代表测量结果，红色实线代表仿真结果。对于图5所示的加性功率增益轮廓图而言，测量的最大PAE为58.9%，建模结果为59.3%，误差0.68%；对于图5所示的功率轮廓图而言，测量的最大转换功率增益(Gain)为38.6 dBm，而建模结果为38.7 dBm，也有着较小的误差。
从上述实施实例可以看出，本发明所提出的一种适用于氮化镓高电子迁移率晶体管的经验性电容模型在高漏源电压下的简化方法不仅可以有效减少传统Angelov经验性电容模型中的拟合参数数量，使得原有模型的运算复杂度得到了降低，提升了拟合时的速度，也降低了局部最优解出现的可能性。同时简化模型在输出功率(Pout)、转换功率增益(Gain)、加性功率增益(PAE)、加性功率增益轮廓图(PAE contour)和功率轮廓图(Power contour)等关键性能指标上也能够保证较高的精度，可以较好的满足功率放大器设计的需要。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种氮化镓高电子迁移率晶体管的经验性电容模型在高漏源电压条件下的简化方法，其特征在于，使用分析源极与漏极载流子浓度的方法对栅源电容和栅漏电容进行简化的方法。
2.根据权利要求1所述简化方法建立起来的简化模型，其特征在于，将栅源电容
简化为只受
控制：
栅漏电容
在高
时的表达式也可以被简化只受
控制：
。
3.一种权利要求2所述简化模型的应用，其特征在于，使用该简化的电容模型构建大信号等效电路，并应用至器件仿真，以及功率放大器设计中的行为。
Priority Applications (1)
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| CN201910829702.3A CN111144059A (zh) | 2019-09-04 | 2019-09-04 | 一种氮化镓高电子迁移率晶体管的经验性电容模型在高漏源电压条件下的简化方法及其应用 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| CN201910829702.3A CN111144059A (zh) | 2019-09-04 | 2019-09-04 | 一种氮化镓高电子迁移率晶体管的经验性电容模型在高漏源电压条件下的简化方法及其应用 |
Publications (1)
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| CN111144059A true CN111144059A (zh) | 2020-05-12 |
Family
ID=70516794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910829702.3A Pending CN111144059A (zh) | 2019-09-04 | 2019-09-04 | 一种氮化镓高电子迁移率晶体管的经验性电容模型在高漏源电压条件下的简化方法及其应用 |
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|---|---|
| CN (1) | CN111144059A (zh) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103838939A (zh) * | 2014-03-31 | 2014-06-04 | 东南大学 | 一种垂直型场效应晶体管直流特性和电容特性仿真方法 |
| CN105426570A (zh) * | 2015-10-28 | 2016-03-23 | 西安电子科技大学 | 基于有源补偿子电路的GaN HEMT大信号模型改进方法 |
| CN106845025A (zh) * | 2016-04-01 | 2017-06-13 | 电子科技大学 | 氮化镓高电子迁移率晶体管大信号统计模型建模方法 |
| CN106886650A (zh) * | 2016-08-31 | 2017-06-23 | 电子科技大学 | 一种超宽带氮化镓器件小信号模型及其参数提取方法 |
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2019
- 2019-09-04 CN CN201910829702.3A patent/CN111144059A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103838939A (zh) * | 2014-03-31 | 2014-06-04 | 东南大学 | 一种垂直型场效应晶体管直流特性和电容特性仿真方法 |
| CN105426570A (zh) * | 2015-10-28 | 2016-03-23 | 西安电子科技大学 | 基于有源补偿子电路的GaN HEMT大信号模型改进方法 |
| CN106845025A (zh) * | 2016-04-01 | 2017-06-13 | 电子科技大学 | 氮化镓高电子迁移率晶体管大信号统计模型建模方法 |
| CN106886650A (zh) * | 2016-08-31 | 2017-06-23 | 电子科技大学 | 一种超宽带氮化镓器件小信号模型及其参数提取方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 刘莹: "SiC MESFET功率器件建模" * |
| 李辉等: "修正的Angelov 模型及其ICCAP 提取方法" * |
| 桑磊: "AlGaN/GaN HEMT功率器件建模研究及高效率放大器设计" * |
| 汪昌思: "微波毫米波GaN HEMT大信号模型研究" * |
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