GaN建模：强大但富有挑战性

来源：Modeling GaN: Powerful but Challenging（10年）

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文章的研究内容

这篇文章主要研究了氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMTs）的建模问题。GaN HEMTs是微波频段高功率发射器设计中的关键技术，它们具有高击穿电压能力、高电流能力和良好的热导率，这使得它们在功率密度上比基于砷化镓（GaAs）的设备有了显著提升。文章讨论了GaN HEMTs在高频高功率操作中的独特行为，特别是陷阱效应和电流膝部崩溃，这些效应在GaN器件中比GaAs基HEMTs更为显著。

文章的重点在于提高GaN HEMTs的非线性模型的准确性，以便更好地利用这些器件在高效率和高功率操作方面的性能优势。这包括对GaN器件的行为特性进行建模，如源电阻和漏源电容的偏置依赖性，以及在亚阈值区域的有效建模，这对于设计Class B、C、D和E高效率操作模式的放大器尤为重要。

文章还讨论了电热模型的重要性，因为GaN HEMTs能够在更高的电压-电流产品下工作，这增加了对准确电热建模的需求。文章提到了一些用于GaN HEMTs建模的流行紧凑FET模型，包括商业可用模型和内部模型，如Curtice FET（CFET）模型、EEHEMT模型和Angelov模型等。

此外，文章还强调了在模型提取过程中使用脉冲测量技术的重要性，这些技术有助于理解和模拟GaN HEMTs中的陷阱效应和自加热问题。文章还提到了高级测试技术，如负载拉动测量、功率扫描、线性度测试和时域波形测试，这些测试对于模型验证和改进至关重要。

最后，文章总结了在GaN HEMTs建模中取得的进展，并提出了在提取可靠模型时需要注意的问题，包括获取适当的特性数据集、关注热和陷阱效应，以及进行广泛的大信号（或高级测试）验证。文章还感谢了为这项工作提供支持的个人和组织。

文章的创新点

非线性模型的改进：文章针对GaN HEMTs的独特行为特性，如陷阱效应和电流膝部崩溃，提出了改进的非线性模型。这些模型能够更准确地预测GaN HEMTs在高频高功率操作下的性能。
电热建模的强调：由于GaN HEMTs能够在更高的电压-电流产品下工作，文章强调了电热建模的重要性，并讨论了如何通过电热模型来估计由于直流功率耗散导致的通道温度升高。
脉冲测量技术的应用：文章提出了在模型提取过程中使用脉冲I-V和脉冲S参数测量技术，这些技术有助于更好地理解和模拟GaN HEMTs中的陷阱效应和自加热问题。
模型验证和测试的高级方法：文章讨论了高级测试技术，如负载拉动测量、功率扫描、线性度测试和时域波形测试，这些方法对于验证和改进GaN HEMTs的模型至关重要。
模型的可扩展性和适用性：文章提到了如何通过模型的可扩展性和适用性来适应不同的设计需求，例如通过调整模型参数来适应不同的偏置条件和几何尺寸。
模型提取和验证的策略：文章提供了一种策略，用于从I-V和S参数数据中提取模型参数，并强调了在目标应用的重要区域进行模型验证的重要性。
模型的比较和选择：文章比较了不同的GaN HEMT模型，如EEHEMT、CFET和Angelov模型，并讨论了它们在不同应用中的有效性，这有助于设计师选择合适的模型进行电路设计。

这些创新点有助于提高GaN HEMTs在无线通信和军事应用中的功率放大器设计的性能，同时也为GaN技术的发展和应用提供了重要的理论支持。

文章的研究方法

文献回顾：文章首先通过回顾微波器件建模文献，特别是关于GaN HEMT的非线性建模研究，来确定研究的方向和现有模型的局限性。
模型比较与选择：研究者比较了多种流行的紧凑FET模型，包括商业可用的模型和内部开发的模型，如Curtice FET（CFET）模型、EEHEMT模型和Angelov模型等，以确定最适合GaN HEMT特性的模型。
脉冲测量技术：为了更好地理解和模拟GaN HEMTs中的陷阱效应和自加热问题，研究者采用了脉冲I-V和脉冲S参数测量技术。这些技术允许在特定的偏置条件下快速改变器件的电压和电流，从而捕捉到器件的动态行为。
模型参数提取：研究者使用软件工具（如Agilent IC-CAP和ADS）从I-V和S参数数据中提取模型参数，以拟合实验数据。
模型验证：通过高级测试技术，如负载拉动测量、功率扫描、线性度测试和时域波形测试，来验证模型的准确性。这些测试有助于确保模型在实际应用中的有效性和可靠性。
电热建模：研究者开发了电热模型来估计由于直流功率耗散导致的通道温度升高，这对于理解GaN HEMTs在高功率操作下的行为至关重要。
案例研究：文章通过具体的GaN HEMT器件案例，展示了如何使用选定的模型进行建模，并与实验数据进行比较，以验证模型的预测能力。
结果分析与讨论：研究者分析了模型拟合结果，讨论了模型在不同操作条件下的表现，并提出了改进模型的建议。

这些研究方法的结合使得文章能够全面地评估和改进GaN HEMTs的非线性模型，为设计和优化高功率放大器提供了坚实的理论基础。

文章的结论

GaN器件的优势与挑战：GaN器件因其高功率和高频率操作能力而具有显著的优势，但同时也面临着陷阱效应、电流崩溃、高电压和电流以及相应的热问题等挑战。
建模工作的重要性：为了充分利用GaN HEMTs的性能，需要开发和测试各种模型拓扑和方程集，以提高模型的准确性和可靠性。
脉冲测量的必要性：在建模过程中使用脉冲测量技术对于获得可靠的电热GaN模型至关重要。这些测量有助于理解和模拟器件的动态行为，尤其是在自加热和陷阱效应方面。
模型验证和改进：除了I-V和S参数数据的模型提取测量之外，大信号测量（如负载拉动、功率扫描、线性度和波形测试）是模型验证和改进的关键部分。
模型的有效性：通过使用EEHEMT、CFET和Angelov等建模模板，可以开发出准确的GaN模型。模型的有效性取决于测量和建模团队的技能，以及应用和功率放大器操作模式。
模型提取的策略：文章提出了一种非线性特性和建模策略，强调了在模型提取过程中需要考虑的准确性、适用性和验证类型。
模型的可扩展性：文章讨论了如何通过模型的可扩展性和适用性来适应不同的设计需求，例如通过调整模型参数来适应不同的偏置条件和几何尺寸。
对设计师的建议：成功的模型设计者需要意识到准确数据的重要性，仔细应用提取方法，并了解现有模型的优势和局限性，以便为电路设计师提供最佳结果。