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基于电荷的EPFL HEMT模型

news 来源：原创 2024/9/28 16:29:27

来源：Charge-Based EPFL HEMT Model（TED 19年）

摘要

本文介绍了一种面向设计的、基于电荷的模型，用于直流操作下的AlGaAs/GaAs和AlGaN/GaN高迁移率场效应晶体管。该固有模型基于物理原理，不引入任何经验参数。核心概念是基于通道电荷密度相对于表面势的线性近似，从而在所有工作区域（包括亚阈值区）中得到显式和连续的电荷与电流表达式。此外，提出了一种有效的电路设计方法，该方法基于夹断表面势、夹断电压和关键的反转系数(IC)概念，与硅MOSFET电路设计方法相似。

关键词：二维电子气(2-DEG)，紧凑型建模，GaAs，GaN，高迁移率场效应晶体管(HEMT)，反转系数，夹断表面势，夹断电压，量子阱(QW)。

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文章的研究内容

模型介绍：提出了一种面向设计的、基于电荷的模型，专门用于描述AlGaAs/GaAs和AlGaN/GaN高迁移率场效应晶体管（HEMT）的直流工作特性。此模型侧重于物理基础，避免了采用经验参数，提高了模型的物理意义和普适性。
核心概念：模型的核心在于将通道电荷密度与表面势之间的线性近似，这使得在所有工作模式下，包括亚阈值区域，都能获得电荷和电流的明确且连续的表达式。
电路设计方法：文章还提出了一种电路设计的新方法，该方法依赖于夹断表面势、夹断电压和反转系数（IC）的概念，类似于硅基MOSFET电路的设计策略，有助于提高设计效率和电路性能。
HEMT操作区域分类：通过引入反转系数（IC），文章清晰地界定了HEMT的不同工作区域，包括弱反转型(WI)、中等反转型(MI)和强反转型(SI)，这为HEMT的操作提供了一个无歧义的分类体系。
短沟道效应：讨论了在HEMT中短沟道效应的影响，包括载流子迁移率降低、速度饱和及速度超越现象，这对于小型化器件的设计尤为重要。
模型验证：通过数值模拟和与实验数据的对比，展示了模型的准确性，特别是在输入转移特性方面，模型与实际器件数据之间达成极好的一致性。
物理量的归一化：为了优化设计流程，文章还引入了归一化量，以及gm/IDS这一不变量作为设计质量指标，为高效设计方法论提供了强大工具。

该文章不仅提出了一个新的HEMT模型，还涵盖了模型的物理基础、应用实践、设计方法论及其验证，为HEMT器件的优化设计和高性能电路设计提供了理论和实践指导。

文章的研究方法

文章的研究方法主要是开发一种设计导向的、基于电荷的模型，用于描述AlGaAs/GaAs和AlGaN/GaN高迁移率场效应晶体管（HEMT）的直流操作特性。这种方法的核心思想是基于通道电荷密度与表面势之间的线性近似，这样就可以在包括亚阈值区在内的所有操作区域内获得电荷和电流的显式及连续表达式。具体研究步骤和方法包括：

理论建模：构建了一个基于物理的内在模型，避免使用任何经验参数。通过对通道电荷密度与表面势之间关系的线性化处理，发展出一套数学表达式来描述HEMT的电学行为。
表面势和反转系数：提出了一种基于夹断表面势、夹断电压和反转系数（IC）的有效电路设计方法。反转系数是模型的关键概念，与硅MOSFET电路设计中的类似概念相呼应。
数值验证：利用技术计算机辅助设计（TCAD）模拟与实验数据进行模型验证，确保模型预测的准确性和实用性。模型预测的漏电流、跨导等特性与实验结果进行了详细比对。
电荷线性化：从通道电荷密度与表面势的线性关系出发，推导出漏电流的解析表达式，并通过数值积分求解。通过引入特定电流和电荷密度的定义，进一步将模型表达为只包含归一化量的形式。
小信号分析：基于模型，分析了HEMT的小信号参数，如跨导/漏电流比（gm/IDS）的不变性，这在长沟道情况下易于获取，排除了通道长度调制、速度饱和等非理想效应。
短沟道效应：探讨了短沟道HEMT中的影响，包括载流子迁移率降低、速度饱和等，通过考虑电场依赖的迁移率，对模型进行扩展以适应更广泛的器件设计。
归一化与设计优化：引入归一化的电流和电荷量，简化了模型表达，并为高频操作、噪声分析和电路设计提供了通用框架。

研究方法结合了理论分析、数值仿真和实验验证，旨在为HEMT的设计和性能优化提供一个物理基础坚实、易于使用的模型。

文章的创新点

物理基础的内在模型：提出了一种针对AlGaAs/GaAs和AlGaN/GaN HEMT的基于电荷的内在模型，该模型完全基于物理原理，摒弃了任何经验参数，提高了模型的物理合理性和通用性。
线性化电荷密度近似：模型的核心是利用通道电荷密度与表面势的线性近似关系，这一方法创新性地引出了在所有操作区域（包括亚阈值区）内电荷和电流的明确连续表达式，提升了模型的精确度和适用范围。
设计导向的电路方法：提出了一套以夹断表面势、夹断电压和反转系数（IC）为基础的有效电路设计方法，这一设计方法与硅MOSFET电路设计思路相似，为HEMT电路设计提供了实用工具。
物理量的归一化与设计指标：引入了归一化量和gm/IDS不变性指标，这些是强大的设计工具，有助于实现高效且物理意义明确的电路设计方法。
电荷守恒与动态模型：通过Ward-Dutton划分方法，结合准静态电荷守恒模型和跨电容矩阵元素，从连贯的基于电荷的模型中推导出，进一步完善了HEMT动态行为的分析。
全面验证与分析：模型不仅与实验数据进行了详尽的对比，证明了在输入转移特性上的高度吻合，而且模型在设计层面考虑了HEMT的全工作范围，包括对技术变化对器件特性影响的预测能力。
综合考虑材料与结构特性：重新审视了自发极化和压电极化在AlGaN基半导体中的作用，以及衬底带隙对器件特性的影响，模型考虑了这些复杂因素，提升了对HEMT性能的全面理解。

文章的创新之处在于开发了一种新的设计导向的、基于物理的HEMT模型，该模型不仅具有高度的物理基础和精确性，还能为HEMT的电路设计提供实用而高效的工具和方法。

文章的结论

模型开发与验证：研究成功开发了一种适用于GaAs和GaN HEMT的分析型、基于电荷且面向设计的模型。该模型基于物理原理，对HEMT的内在通道给出了连贯描述，通过线性化通道电荷密度与表面势之间的关系，得到了从弱反型到强反型、从线性区到饱和区都适用的简单且基于物理的模型，无需任何拟合参数。
模型特点：模型新引入的特征包括衬底电荷耗尽、表面势参考点的明确界定、夹断表面势概念以及反转系数(IC)。同时，对AlGaN基半导体中的自发和压电极化进行了重新审视。这种基于电荷的模型通过电荷线性化方法导出，简化了模型表达，增强了模型的物理意义和实用性。
设计方法论：从设计角度看，文章提出了一系列归一化量以及gm/IDS不变性指标，这些是高效设计方法的重要工具。利用Ward-Dutton分区方法，可以从连贯的电荷模型中导出准静态电荷守恒模型和跨电容矩阵元素，有利于电路设计。
HEMT操作区域分类：文章引入的反转系数(IC)概念，使HEMT的操作区域分类变得明确无误，与MOSFET分类相似，分为弱反型(WI)、中等反型(MI)和强反型(SI)。这为HEMT设计提供了无阈值电压依赖的、技术参数无关的分类方式，对电路设计和器件优化极为有利。
短沟道效应：文章还探讨了HEMT的短沟道效应，考虑了载流子迁移率降低、速度饱和和速度超越现象，特别是针对不同沟道长度下的电荷传输效应，为短沟道HEMT的准确模拟提供了理论支持。
模型验证：实验与TCAD仿真结果表明，模型与测量数据间存在优异的一致性，尤其是在输入转移特性方面。这验证了模型的准确性和可靠性，表明其可作为HEMT设计和性能预测的有效工具。