GaN HEMTs在电力电子应用中的交叉耦合与基板电容分析与建模

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来源：Analysis and Modeling of Cross-Coupling and Substrate Capacitances in GaN HEMTs for Power-Electronic Applications（ TED 17年）

摘要

本文提出了一种考虑了基板电容与场板之间交叉耦合效应的场板AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)电容模型。通过进行TCAD模拟，分析了这两种贡献，并基于现有的基于表面势模型给出了与交叉耦合和基板电容对应的电量的解析表达式。通过对测试电路采用混合模式仿真设置下的时域波形进行比较，验证了该模型化结果的准确性，并讨论了交叉耦合和基板电容对模型预测开关瞬态特性精度的影响。

关键词：电容、交叉耦合、GaN HEMTs、混合模式、基板、开关。

文章的研究内容

文章《Analysis and Modeling of Cross-Coupling and Substrate Capacitances in GaN HEMTs for Power-Electronic Applications》专注于研究和建模氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）在功率电子应用中的交叉耦合电容和衬底电容。作者详细分析了场板结构对交叉耦合效应的贡献，以及衬底与器件各节点之间的电容影响，并采用先进的表面势模型来表达这些电荷关系。

文中通过TCAD（技术计算机辅助设计）仿真深入探究了这两种电容效应，并利用混合模式仿真验证了模型的有效性。混合模式模拟展示了在开关瞬态期间由于交叉耦合和衬底电容的影响，器件内在栅极电压、漏极电压及漏极电流的时间域波形变化。同时，论文还讨论了当考虑自热效应时，如何将耗散功率导致的温度上升反馈到紧凑模型中以更新工作温度。

此外，作者提出了针对GaN HEMT中交叉耦合和衬底电容的新建模方法，并通过比较包含和未包含改进FP（场板）模型的开关过程中的瞬态波形差异，显示了该模型在预测LC振荡引起的漏极过冲、米勒平台现象（Miller plateau）、以及与门极驱动电流分配给Cgs和Cgd充电相关的震荡衰减方面的准确性。

最后，文章强调了所提出模型与TCAD仿真结果之间的良好相关性，展现了模型的可扩展性特点，并通过对实际器件数据进行参数提取，将其转化为SPICE模型卡，用于电路瞬态仿真。这有助于提高GaN HEMT器件在高频开关电源转换器和其他电力电子应用中的设计精度和性能预测能力。

文章的创新点

文章的创新点在于开发了一种新的物理基础模型，用于精确描述并模拟GaN高电子迁移率晶体管（HEMTs）中的场板结构所带来的交叉耦合效应以及衬底电容的影响。具体创新体现在：

1. 该模型综合考虑了交叉耦合现象对场板间相互作用产生的电容贡献，并将这一影响纳入到器件整体电容模型中。
2. 对衬底电容进行了细致分析和建模，通过TCAD仿真深入研究了这两种效应在GaN HEMTs工作过程中的角色及其对瞬态行为（如开关过程）的影响。
3. 提出了相应的数学表达式，用以计算与交叉耦合及衬底电容相关的电荷量，并基于已有的表面势模型进行表述。
4. 利用Silvaco公司的混合模式仿真工具，设计了一个包含典型感性负载的开关演示电路，通过比较采用改进模型前后的时间域波形差异，验证了所提模型预测开关瞬态准确性的提升，特别是在预测漏极电压过冲、米勒平台效应以及LC振荡衰减等方面的精度。

文章创新地提出了一个针对GaN HEMT的电容模型，能够有效捕捉交叉耦合与衬底电容在功率电子应用中的动态特性，从而提高这些器件在设计和优化阶段的性能预测水平。

文章的研究方法

1. TCAD仿真分析：利用Silvaco Atlas软件对GaN HEMT的场板结构进行三维建模，通过模拟揭示交叉耦合和衬底电容在器件中的起源。具体研究了双场板结构（包含栅极连接FP和源极连接FP）中不同参数变化（如LGFP、LSFP、tSiO2和tSi3N4等）对器件电容特性的影响，并对比了具有单个FP和双FP结构下的亚阈值Cgd行为。

2. 物理模型构建：基于TCAD模拟结果，作者发展了一个以表面势计算为核心的物理基础电容模型，考虑了自发极化和压电极化产生的电荷分布以及载流子迁移率随场强的变化。该模型能够详细描述场板引入后导致的米勒电容增加现象以及源极连接FP带来的额外漏源电容特征。

3. 混合模式仿真验证：设计并实现了一种混合模式电路仿真环境，将数值生成的GaN FP HEMT作为待测设备（DUT），施加实际工作条件下的脉冲信号，来观察门极和漏极电压及电流的时间域波形。通过对开关瞬态过程的模拟，提取出相应的SPICE模型参数，并与TCAD数据进行比较。

4. 模型校验与性能评估：将提出的模型应用到Keysight ADS模拟器中，在相同的操作条件下执行瞬态电路仿真，并与混合模式仿真得到的结果进行叠加比较，从而验证模型的有效性和准确性。同时，文中还使用R-C热网络模型来模拟自热效应，确保模型能反映器件在功率损耗下温度变化对性能的影响。

综上所述，研究方法综合运用了先进的计算机辅助技术、理论分析与实验验证相结合的方式，对GaN HEMTs中复杂的交叉耦合和衬底电容进行了深入细致的建模与仿真分析，有效提升了这些器件在功率电子应用领域中高性能、高精度模型的需求。

文章的研究结论

文章《Analysis and Modeling of Cross-Coupling and Substrate Capacitances in GaN HEMTs for Power-Electronic Applications》的研究结论主要如下：

1. 通过对场板（Field-Plate, FP）结构的氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）进行深入的TCAD仿真分析，作者揭示了交叉耦合电容和衬底电容在器件中产生的原理及其对器件性能的影响。

2. 提出了一个改进的物理基础模型，该模型不仅考虑了FP引入带来的电容特性变化，还特别针对交叉耦合效应以及衬底电容进行了详细建模。模型的核心是基于表面势计算来量化与这些电容相关的电荷分布。

3. 通过混合模式仿真验证了该模型的有效性，比较了包含和不包含交叉耦合及衬底电容情况下的开关瞬态波形，并展示了模型预测对于GaN HEMT内在电压和电流动态行为的重要性，尤其是体现在充电斜率、过冲幅度及其衰减方面。

4. 研究结果表明，精确地包括交叉耦合和衬底电容对于提升功率电子应用中GaN HEMTs的开关性能预测精度至关重要，特别是在设计高级FP结构的GaN器件时，所提出的模型能够更准确地模拟实际工作条件下的电容行为。

5. 文章最终指出，经过全面评估并利用TCAD和混合模式仿真进行补充分析后，这个扩展后的模型已经处于被紧凑模型联盟标准化的最后阶段，为生产级别的先进GaN FP结构电力电子电路提供了高效且精确的紧凑模型解决方案。

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