基于物理原理的p-GaN HEMT动态导通电阻SPICE建模

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来源：Physics-Based SPICE Modeling of Dynamic ON-State Resistance of p-GaN HEMTs（TPEL 23年）

摘要

这封快报介绍了一种新型基于物理学原理的SPICE建模方法，专门针对氮化镓基p型门极高电子迁移率晶体管（p-GaN HEMT）的动态导通电阻（Ron,dy）。为了描述Ron,dy的连续变化，文中提出了一个时间分辨的电子迁移率变化模型（Δµeff模型）。从p-GaN HEMT中提取出物理参数，包括陷阱的活化能和电压加速因子作为模型参数。接着，为了实现对Ron,dy的模拟目标，将提出的Δµeff模型整合到基于表面势能的GaN HEMT高级SPICE模型中。模拟结果显示，所提出的模型能够有效地预测由Ron,dy导致的功率损耗。

关键词：动态Ron、p型门极高电子迁移率晶体管（p-GaN HEMT）、SPICE模型。

文章的研究内容

文章研究的内容是基于物理的SPICE模型方法，用于模拟氮化镓基p型栅极高电子迁移率晶体管(p-GaN HEMT)在动态导通状态下电阻(Ron,dy)的变化。由于p-GaN HEMT采用异质外延工艺制造，其内部会引入许多陷阱，导致器件的Ron,dy随时间和工作条件发生变化，从而影响功率电子系统的效率、功耗和可靠性。

为了精确描述Ron,dy的连续变化，作者们提出了一种时间分辨电子迁移率变化模型(Δµeff模型)，并提取出与陷阱相关的物理参数，如激活能和电压加速因子等作为模型参数。接着，将这个Δµeff模型整合进基于表面势垒的先进GaN HEMT SPICE模型中，以实现对Ron,dy动态特性的仿真。

通过实验验证和仿真结果表明，提出的模型能够成功预测Ron,dy引起的功率损耗，并能直观地模拟转换器效率因Ron,dy效应降低的情况。该模型不仅提高了静态和动态电气特性模拟的准确性，而且具有实用性，有助于设计者在考虑Ron,dy影响时优化功率电子系统的设计。此外，论文还详细介绍了模型构建过程中包括特征提取、模型验证及建模流程在内的具体方法。

文章的研究方法

文章的研究方法首先从理论层面分析了p-GaN HEMT动态导通电阻（Ron,dy）现象产生的机制，即由于heteroepitaxy工艺中引入的陷阱效应所导致的电阻变化。为准确表征这种变化，研究者提出了一个基于电子迁移率变化的时间分辨模型（Δµeff模型），其中包含了诸如激活能和电压加速因子等与陷阱相关的物理参数。

实验阶段，研究团队采用了特定电路结构来精确测量Ron,dy，通过控制施加到器件上的高压应力以及应力持续时间，确保模型建立过程中的高精度要求得到满足。

模型参数提取方面，研究人员利用Ron,dy的实测数据提取出阱信息，并将其作为Δµeff模型的参数输入。这涉及到根据不同应力大小、应力时间和环境温度下的Ron,dy测量值，使用指数函数拟合数据以获得τ值（陷阱捕获和脱陷过程的时间常数），进一步推导出Ea（活化能）和电压依赖系数β等关键参数。

最终，这些基于物理原理得出的参数被集成到了表面势垒为基础的高级GaN HEMT SPICE模型（ASM-HEMT）中，并结合商业仿真工具TJSPICE进行应用验证。通过对模型进行适当修改以适应p-GaN门结构，实现了对p-GaN HEMT动态Ron,dy的精确模拟，且仿真结果证明了模型的有效性及其在预测功率损失方面的优势。

文章的创新点

本文的创新点在于提出了一种新的基于物理机理的SPICE模型，用于模拟p-GaN高电子迁移率晶体管(p-GaN HEMT)在开关操作期间的动态导通电阻(Ron,dy)。传统的SPICE模型不能有效描述这一现象，而文中介绍的方法则解决了这一难题。

创新体现在以下几个方面：

1. 新型电子迁移率变化模型：不同于以往基于RC网络的传统方法，本文提出了一种基于时间分辨电子迁移率变化(Δµeff)的模型来描述由陷阱效应引起的Ron,dy现象。这种方法更为直接地反映了物理过程，减少了模型参数数量，提高了模拟精度。

2. 物理参数提取：模型参数不是随意设定，而是通过实验测量Ron,dy的数据，提取出与陷阱相关的物理参数，例如激活能量和电压加速因子，这样使得模型更加贴近实际器件的行为。

3. 集成至先进SPICE模型：将提出的Δµeff模型融入到针对GaN HEMT的表面电位基础高级SPICE模型（ASM-HEMT）中，使得模型可以直接应用于Ron,dy的仿真计算，增强了模型在功率电子系统设计中的实用性。

4. 模型验证与优化：通过实验和模拟结果证明了新模型可以准确预测Ron,dy在工作时间内的变化，并有效地模拟了由此导致的功率损耗。同时，相较于传统多级RC网络模型，该模型具有更高的紧凑性和准确性。

总之，这篇论文的创新之处在于提供了一个新颖且精确的物理基础SPICE模型，以解决p-GaN HEMT动态导通电阻难以模拟的问题，对于提升功率半导体器件的性能评估和电力电子系统设计具有重要意义。

文章的结论

文章的结论是，研究者提出了一个新的基于物理学原理的SPICE模型，专门用于模拟p-GaN高电子迁移率晶体管(p-GaN HEMT)在动态导通状态下的电阻变化（Ron,dy）。该模型建立在理解Ron,dy现象背后的机制以及阱捕获效应的基础上，并通过实验对阱特性进行表征以提取模型所需的关键物理参数。

通过采用时间分辨的电子迁移率变化模型，研究者成功地展示了Ron,dy随着器件工作时间的变化规律，并将此模型与先进的GaN HEMT SPICE模型相结合（ASM-HEMT模型），提高了模型在实际工程应用中的便捷性和适用性。

实验与模拟结果均证实了该模型在开关操作过程中能够准确地模拟动态Ron,dy的变化，并揭示了Ron,dy对功率转换器效率的影响，例如在一个GaN基升压直流-直流转换器的案例中，由于Ron,dy效应导致效率降低了5.1%，这是传统SPICE模型无法捕捉的现象，突显了新模型在处理此类问题上的优越性。

这项研究提出的基于物理的SPICE模型成功实现了对p-GaN HEMT动态导通电阻的精确模拟，模型的准确性和优势得到了充分验证，为未来优化功率电子系统设计提供了强有力的工具。

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