增強型GaN基高電子遷移率晶體管(HEMT)已經采用兩種不同的結構開發出來。這兩種增強型結構是金屬-絕緣層-半導體(MIS)結構2和柵極注入晶體管(GIT)結構3。MIS結構具有受電壓驅動的小柵極漏電流，而GIT則具有脊形結構和高閾值電壓。兩者也都有一些缺點。MIS對柵極干擾的可靠性較低，閾值電壓較低，而GIT的柵極開關速度較慢，柵極漏電流較大。原文可點此獲得。
圖1給出了用于測試這兩種結構的設置?？梢詫IS和GIT兩種結構使用單一模型。GIT用于開發使用電流模型的等效電路，而MIS則用于內核漏極電流建模4。隨后就可使用S參數測量值評估兩種器件中的每一個的電路。
器件結構
圖1a顯示了MIS晶體管的基本結構以及嵌入式源極場板(ESFP)。此處使用了金屬有機化學氣相沉積技術在其上形成氮化硅(SiN)鈍化層。并使用了載流子密度為1.4×1,013cm2、遷移率為1,203cm2V/s、薄層電阻為382Ω/sq的二維電子氣(2DEG)薄片。然后將由位于金屬間電介質MO膜頂部的500nm厚的二氧化硅(SiO2)膜所制成的柵極在鈍化膜上延伸，從而使Cgs降低。ESFP將柵漏電場分成兩個峰值。這會由于負偏壓而降低電子密度，并在有源偏壓下增加柵極絕緣膜下的密度。
圖1b顯示了脊型GIT晶體管和源極場板(SFP)的基本結構。其結構有一個10nm的作為阻擋層的氮化鋁鎵(AlGaN)層和一個60nm的P-GaN層。在使用ICP蝕刻機蝕刻表面后，柵極表面采用100nm厚的SiN膜進行保護。漏極和源極也由蝕刻的SiN膜形成，從而產生歐姆電極。源極在柵極上方延伸到漏極側以形成SFP。SFP將柵極到漏極的電場分成兩個峰值，從而降低了柵極邊緣下方的電場強度。這些實驗中所使用的測量值包括：Lmask=0.8mm，Wmask=100mm，源極到柵極距離=0.9mm，柵極到漏極距離=3.5mm，以及柵極電容(Cox)——這個值可以使用柵極氧化膜厚度(Tox)和SiO2的介電常數(εox)計算得到。如圖2b所示，要想使用PN二極管空穴注入中所累積的電子密度準確計算柵極溝道電容(Cch)非常困難。因此要在任何參數提取過程開始之前測量Cch。
圖1：簡化的測試結構。
圖2：柵極的放大圖。
漏極電流方程
MIS-HEMT的柵氧化層電容
脊形HEMT的柵極至溝道電容
脊形GIT HEMT的肖特基接觸結和PN結如圖2b所示。溝道區由P型柵極至2DEG區以及來自溝道的空穴注入所組成。漏極電流的導數具有合并的單位面積柵極溝道電容(Cch)。
閾值電壓
電子遷移率
漏源電阻
等效電路
圖3顯示我們的MIS和脊形HEMT兩種模型具有相同的宏電路。主HEMT晶體管用作FET以減少漏極電場；次晶體管用作SFP。圖4給出了MIS和脊形HEMT兩種類型具有固有小信號的交流等效電路。
金屬互連電感標記為Lg、Ld和Ls，而柵極電容標記為Cgs和Cgd——它們使用經驗函數分為常數電容(Cgs0和Cgd0)和偏置相關電容10。漏源電容標記為Cds。擴散電阻為Rdis_T，而擴散電容標記為Cdis_T和Cgdis。柵源內阻為ri。柵極、漏極和源極電阻分別由Rg、Rd_T和Rs_T表示。柵漏電阻由Rgd表示?？蓴U展柵極電容Cgs_sfp和Cgd_sfp與Cds并聯，因為ESFP必須連接在漏極和地之間。
柵極注入PN二極管中脊形HEMT的擴散電容(C_diffusion)和結電容(C_junction)如圖4b所示11。此處使用的端子位于源極和柵極之間。C_diffusion甚至可以作為Cdis_T工作。
圖3：MIS和脊形HEMT模型的電路。
圖4：等效電路。
實驗與討論
此處使用了具有脈沖測量模式的曲線跟蹤器測量所采用的兩種晶體管結構的直流特性。為此提供的偏置具有100ms的脈沖寬度和50%的占空比。
在實驗之前使用多柵極長度和寬度的器件進行測量，以便獲得線性和飽和漏極電流、閾值電壓的模型參數，以及柵極溝道中的長度和寬度依賴性。
該模型具有高精度，可用于MIS和脊形HEMT兩種器件而在線性區和飽和區激發靜態漏極電流。這在圖5和圖6中得到了清晰的體現。S參數測量以及小信號交流表征可以有效地用于等效電路的評估1。
圖5：測量和仿真得到的Ids-Vgs。
圖6：測量和仿真得到的Ids-Vds。
總結
本文總結了HEMT的兩種模型：漏極電流模型MIS和脊型GIT。用于交流和瞬態仿真的小信號等效電路模型也使用測量值和S參數制作。對于脊形HEMT，本文詳細討論了柵極漏電流模型以及過量漏極電流。漏極電流模型的其他修改方程可以使用MIS-HEMT模型創建。我們結合使用了HSPICE與Verilog-A語言來創建此模型。我們的測試設置與該模型及其參數配合良好，可應用于電源設計。此外，可以設計瞬態和噪聲等效電路以及模型方程來更快速地開關電源。
參考文獻
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11Y. C. Fong and K. W. E. Cheng. “Experimental study on the electrical characteristic of a GaN hybrid drain-embedded gate injection transistor (HD-GIT),” 2017 IEEE PESA, 2017.
（原文刊登于EDN姊妹網站Power Electronics News，參考鏈接：Drain-Current Characteristics of Enhancement-Mode GaN HEMTs，由Franklin Zhao編譯。）
本文為《電子技術設計》2022年7月刊雜志文章，版權所有，禁止轉載。免費雜志訂閱申請點擊這里。
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