ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2024. №10

УДК: 621.382.32

МОДЕЛИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
НА ШИРОКОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ

В. Н. Бирюков

Институт радиотехнических систем и управления Южного федерального университета
347900, Таганрог, пер. Некрасовский, 44

Статья поступила в редакцию 6 июня 2024 г.

Аннотация. Предлагается семейство региональных моделей полевых транзисторов с изолированным затвором. В каждой модели ток в насыщенном режиме рассматривается как экстраполяция тока в ненасыщенном режиме при помощи функции Паде. Первые два коэффициента функции определяются из условия непрерывности тока и его первых двух производных. Остальные коэффициенты определяются параметрической оптимизацией по измеренным вольт-амперным характеристикам. Модель тока в насыщении инвариантна по отношению к току в ненасыщенном режиме и к физическим процессам на границе между насыщенным и ненасыщенным режимами. Эти модели предлагаются, прежде всего, для транзисторов на широкозонных полупроводниках: карбиде кремния, нитриде галлия и алмазе. Среднеквадратическая погрешность моделей, параметры которых определяются глобальной оптимизацией с помощью стандартной программы методом наименьших квадратов, для рассмотренных образцов не превышает 3 %.

Ключевые слова: полевой транзистор, компактная модель, С₂-непрерывность, карбид кремния (SiC), нитрид галлия (GaN), алмаз (С).

Автор для переписки: Бирюков Вадим Николаевич, vnbiryukov@yandex.ru

Литература

1. Mantooth H. A., Kang Peng, Santi E., et al. Modeling of wide-bandgap power semiconductor devices. Part I // IEEE Transactions Electron Devises. − 2015. – V. 62. − No. 2. − P. 423–433. − https://doi.org/10.1109/ted.2014.2368274

2. Jinping Zhang, Qinglin Wu, Zixun Chen, et al. SiC Double Trench MOSFET with Split Gate and Integrated Schottky Barrier Diode for Ultra-low Power Loss and Improved Short-circuit Capability // Chinese Journal of Electronics. – 2024. − V. 33. − No. 2. – P. 1-10. −. https://doi.org/10.23919/cje.2022.00.394.

3. Nelson B. W., Lemmon A. N., Deboi B. T. et al. Computational efficiency analysis of SiC MOSFET models in SPICE: static behavior // IEEE Open Journal of Power Electronics. − 2020. − No. 1. − P. 499-512,: https://doi.org/10.1109/OJPEL.2020.3036034.

4. Bottaro E., Rizzo S. A., Salerno N. Circuit models of power MOSFETs leading the way of GaN HEMT modelling—A Review // Energies. – 2022. – V. 15. − P. 3415–3447. − https://doi.org/10.3390/en15093415.

5. Гуляев Ю. В., Митягин А. Ю., Чучева Г. В. и др. Полевой транзистор на гидрированной поверхности алмаза // Радиотехника и Электроника. – 2014. – T. 59. − № 3. − C. 304–310. − https://doi.org/10.7868/S0033849414030061

6. Yosuke Sasama, Taisuke Kageura, Masataka Imura, et al. High-mobility p-channel wide-bandgap transistors based on hydrogen-terminated diamond/hexagonal boron nitride // Nature Electronics. – 2022. −V. 5. No. 1. − P. − 37–44. −: https://doi.org/10.1038/s41928-021-00689-4.

7. BSIM-BULK Technical Manual. (2017). [Online]. Available: http://www.bsim.berkeley.edu/models/bsimbulk/.

8. Biryukov V. N., Haritonova V. R., Portnykh D. A. Static model of power silicon MOSFET // Zhurnal Radioelektroniki − Journal of Radio Electronics. – 2020 − No.8. − P. − 1-8. − :https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.8.8.

9. Mudholkar M., Shamim A. J., Ericson M. N., et al. Datasheet driven silicon carbide power MOSFET model // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2014 − V. 29. − No. 5. − P. 2220–2228. − https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2295774.

10. Jouha W., Oualkadi A. E., Dherbécourt P., et al. Silicon carbide power MOSFET model: An accurate parameter extraction method based on the Levenberg–Marquardt algorithm // IEEE Transactions on Power Electronics. − 2018. − V. 3. − No. 11. − P. 9130–9133. − https://doi.org/10.1109/TPEL.2018.2822939.

11. Pilipenko A. M., Biryukov V. N. Efficiency improvement of the random search algorithm for parametric identification of electronic components models // 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). − 2016. − P. 5–11. − https://doi.org/10.1109/SIBCON.2016.7491703.

12. Min-Chie Jeng. Design and Modeling of Deep-Submicrometer MOSFETS // University of California, Berkeley, Memorandum No. UCB/ERL M90/90/. Available at: https://www2.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/1990//ERL-90-90.pdf, 2024-02-23.

13. Bandali M. B. The effects of the field dependence of carrier mobility on the validity of the gradual channel approximation in insulated-gate field-effect transistors // Solid-State Electronics. – 1971. − V. 14. − No. 12. − P. 1325-1327. − https://doi.org/10.1016/0038-1101(71)90122-5.

14. McNutt Ty R., Hefner A. R., Mantooth H. A., et al. Silicon carbide power MOSFET model and parameter extraction sequence // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2007. − V. 22. − No. 2. − P. 353–363. − https://doi.org/10.1109/TPEL.2006.889890.

15. Li Xin, Luo Yifei, Shi Zenan, et al. An Improved Physics-Based Circuit Model for SiC MOSFET // Transactions of China Electrotechnical Society. − 2022. − V. 37. − No. 20, − P. 5214–5226. − https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210225.

16. Biryukov V. N. Template modeling of a p-channel MOSFET // Zhurnal Radioelektroniki − Journal of Radio Electronics. − 2019. No. 2. − Available at https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.2.11

Для цитирования:

Бирюков В.Н. Модели полевых транзисторов на широкозонных полупроводниках. // Журнал радиоэлектроники – 2024. – №10. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.10.17