印度理工学院坎普尔分校（IIT Kanpur）利用参数和器件表征技术，开发氮化镓（GaN）晶体管的 ASM-HEMT 模型

坎普尔印度理工学院（IIT）采用参数与器件表征技术，成功开发出氮化镓（GaN）晶体管的 ASM-HEMT 建模方案。

机构简介：

• 印度理工学院

关键问题：

• 创建准确而简单的紧凑型 SPICE 模型
• 推出用于电力电子和射频应用的行业级模型

解决方案：

• 是德科技参数和器件表征解决方案

结果：

• 为氮化镓晶体管开发出行业首创的 ASM-HEMT模型
• 该模型被是德科技PathWave 器件建模软件和其他多个 EDA 供应商所采用
• 开发了用于 5G 和电力电子应用的用例

近年来，在 5G 和电力电子等下一代通信应用中，基于氮化镓的射频器件和功率器件发展十分迅猛。卓越的器件特性（比如高击穿电压、电荷密度、迁移率和饱和速度等）日益提高了射频和电源电路的性能。设计人员需要拥有先进的仿真和建模能力，以便从这些器件中获得最佳的电路级性能，同时达到节省时间和成本的目的。实际上，GaN 器件建模是一个非常活跃的研究领域。多年来，包括建模方法在内的各种紧凑型建模解决方案已陆续被提出。

目前，随着电源模块日益小型化，开关频率不断提高，以及新宽带隙（WBG）技术支持更快的边沿开关速率，电力电子设计行业对精准器件模型的需求也在飞速增长。为了满足功率转换和电机驱动器等方面的急剧需求，PE 设计工程师面临着巨大的排程压力。高浪涌电压和电流以及随之而来的振铃波会导致电路故障，在某些情况下还会引起电路爆炸。高开关频率和相关的谐波会导致不良的电磁干扰。

这些是需要通过仿真来解决的大问题。一方面，设计人员可以通过使用更大的电源模块来提高可靠性，但这会增加成本和尺寸。另一方面，他们必须仿真更微小的器件，以预测电压和电流浪涌问题。现代功率转换器越来越趋向于数字化控制，因而离散功率器件阵列可以并排放置。

PE 设计人员必须能够准确地捕获器件的瞬态过压，但这方面的建模并非易事。许多 PE 设计师选择了放弃建模，转而依靠他们在实验室工作的数十年电路设计经验进行设计。结果，设计变得具有迭代性，管理人员倾向于在硬件版本上进行微小变更。由于设计周期通常会比预期久，研发预算因而经常会增加。更糟糕的是，设计团队可能会失去竞争优势。

确定关键需求

坎普尔印度理工学院（IIT）的 Yogesh Chauhan 教授需要为 GaN 器件寻找精确紧凑的 SPICE 模型。行业紧凑模型标准化委员会或紧凑模型联盟（CMC）也提出了相同的需求。该模型必须足够准确才能生成可信赖的仿真，也必须足够简单，才有利于最大程度减少仿真时间和参数提取。真正的挑战就在于如何准确创建这个模型。对于 Chauhan 教授而言，准确性和速度对于实现建模目标至关重要。

为解决这个挑战，Chauhan 教授及其团队将是德科技的工具与一系列用于参数和器件表征的高精度精密解决方案进行了结合（图 1）。这些解决方案包括 B1500 IV/CV 参数分析仪、B1505 大功率 IV/CV 分析仪、具有负载牵引系统的 PNA-X、以及是德科技的 PathWave 设备建模（以前称为 IC-CAP）和 ADS 软件。

精密型电流－电压分析仪系列中的 Keysight B1500 确保了准确和高效的电流－电压测量，能够为分析各种应用中的 IV 特征提供清晰的洞察力。功能强大的表征软件以及集成的源测量模块（SMU）可以让用户更快、更简单地获得精确的 IV 表征。Keysight EasyEXPERT group+ 软件与 B1500 配合使用，能够通过直观的图形用户界面和鼠标/键盘操作来支持所有的表征任务，例如设置和执行测量、分析、管理和保护数据等。

Keysight B1505 功率器件分析仪是多合一解决方案，用于执行功率器件评估。这款分析仪可以表征从次 pA 级到 10 kV 以及 1500 A 的大功率器件，非常适用于评测全新器件（如 IGBT）和材料（如 GaN 和 SiC）。

从模型到标准

经过多年的创新尝试和辛勤工作，借助 Keysight 解决方案，Chauhan 教授的团队与 S. Khandelwal 博士合作，成功打造出业界第一个用于高电子迁移率晶体管（ASMHEMT）的高级 Spice 模型。该模型不仅拥有适当的紧凑度，还可以实现极高的精确度和最少的仿真时间。ASM-HEMT 模型具有基于表面电势的内核，考虑了 AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管界面处的 2 个能量子带。为了捕获设备的实际情况，在此核心基础之上还开发了几种模型，包括：

• 非线性访问区域电阻
• 迁移率降级模型
• 自热模型
• 噪音模型
• 场板模型
• 电导效应模型（CLM，DIBL 等）
• 用于捕获各种情景的模型
• 门泄漏模型，包括 Fowler-Nordheim 和 Poole-Frenkel 效应

该模型已提交给 Si2-CMC 机构进行评估。CMC 的模型标准化评估过程极为严格和繁琐。请下载此文档以了解更多信息。