基于物理原理的p-GaN HEMT动态导通电阻SPICE建模

2024-04-14 23:28

本文主要是介绍基于物理原理的p-GaN HEMT动态导通电阻SPICE建模,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

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。
在这里插入图片描述

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。

这篇关于基于物理原理的p-GaN HEMT动态导通电阻SPICE建模的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/904309

相关文章

Android 悬浮窗开发示例((动态权限请求 | 前台服务和通知 | 悬浮窗创建 )

《Android悬浮窗开发示例((动态权限请求|前台服务和通知|悬浮窗创建)》本文介绍了Android悬浮窗的实现效果,包括动态权限请求、前台服务和通知的使用,悬浮窗权限需要动态申请并引导... 目录一、悬浮窗 动态权限请求1、动态请求权限2、悬浮窗权限说明3、检查动态权限4、申请动态权限5、权限设置完毕后

Java使用POI-TL和JFreeChart动态生成Word报告

《Java使用POI-TL和JFreeChart动态生成Word报告》本文介绍了使用POI-TL和JFreeChart生成包含动态数据和图表的Word报告的方法,并分享了实际开发中的踩坑经验,通过代码... 目录前言一、需求背景二、方案分析三、 POI-TL + JFreeChart 实现3.1 Maven

MySQL中的MVCC底层原理解读

《MySQL中的MVCC底层原理解读》本文详细介绍了MySQL中的多版本并发控制(MVCC)机制,包括版本链、ReadView以及在不同事务隔离级别下MVCC的工作原理,通过一个具体的示例演示了在可重... 目录简介ReadView版本链演示过程总结简介MVCC(Multi-Version Concurr

Java导出Excel动态表头的示例详解

《Java导出Excel动态表头的示例详解》这篇文章主要为大家详细介绍了Java导出Excel动态表头的相关知识,文中的示例代码简洁易懂,具有一定的借鉴价值,有需要的小伙伴可以了解下... 目录前言一、效果展示二、代码实现1.固定头实体类2.动态头实现3.导出动态头前言本文只记录大致思路以及做法,代码不进

vue基于ElementUI动态设置表格高度的3种方法

《vue基于ElementUI动态设置表格高度的3种方法》ElementUI+vue动态设置表格高度的几种方法,抛砖引玉,还有其它方法动态设置表格高度,大家可以开动脑筋... 方法一、css + js的形式这个方法需要在表格外层设置一个div,原理是将表格的高度设置成外层div的高度,所以外层的div需要

SpringBoot实现动态插拔的AOP的完整案例

《SpringBoot实现动态插拔的AOP的完整案例》在现代软件开发中,面向切面编程(AOP)是一种非常重要的技术,能够有效实现日志记录、安全控制、性能监控等横切关注点的分离,在传统的AOP实现中,切... 目录引言一、AOP 概述1.1 什么是 AOP1.2 AOP 的典型应用场景1.3 为什么需要动态插

虚拟机与物理机的文件共享方式

《虚拟机与物理机的文件共享方式》文章介绍了如何在KaliLinux虚拟机中实现物理机文件夹的直接挂载,以便在虚拟机中方便地读取和使用物理机上的文件,通过设置和配置,可以实现临时挂载和永久挂载,并提供... 目录虚拟机与物理机的文件共享1 虚拟机设置2 验证Kali下分享文件夹功能是否启用3 创建挂载目录4

Redis主从/哨兵机制原理分析

《Redis主从/哨兵机制原理分析》本文介绍了Redis的主从复制和哨兵机制,主从复制实现了数据的热备份和负载均衡,而哨兵机制可以监控Redis集群,实现自动故障转移,哨兵机制通过监控、下线、选举和故... 目录一、主从复制1.1 什么是主从复制1.2 主从复制的作用1.3 主从复制原理1.3.1 全量复制

VUE动态绑定class类的三种常用方式及适用场景详解

《VUE动态绑定class类的三种常用方式及适用场景详解》文章介绍了在实际开发中动态绑定class的三种常见情况及其解决方案,包括根据不同的返回值渲染不同的class样式、给模块添加基础样式以及根据设... 目录前言1.动态选择class样式(对象添加:情景一)2.动态添加一个class样式(字符串添加:情

Redis主从复制的原理分析

《Redis主从复制的原理分析》Redis主从复制通过将数据镜像到多个从节点,实现高可用性和扩展性,主从复制包括初次全量同步和增量同步两个阶段,为优化复制性能,可以采用AOF持久化、调整复制超时时间、... 目录Redis主从复制的原理主从复制概述配置主从复制数据同步过程复制一致性与延迟故障转移机制监控与维