ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2024, № 10 · ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Модели полевых транзисторов на широкозонных полупроводниках

В.Н. Бирюков1

1 Институт радиотехнических систем и управления Южного федерального университета, Таганрог
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2024.10.17 УДК 621.382.32 EDN FZFVVN

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 %.

  • полевой транзистор
  • компактная модель
  • С<sub>2</sub>-непрерывность
  • карбид кремния (SiC)
  • нитрид галлия (GaN)
  • алмаз (С)
Abstract (in English)

C2 Model of the Wide-Bandgap MOSFET

A set of new regional (segmented) models of MOS transistors is proposed. In the models, the current in saturation is not considered independently, but as an extrapolation of the current of the physical model in the unsaturated (linear) mode by Padé approximant. The first two coefficients of the approximant are determined from the condition of continuity of the transistor current at the boundary of the saturated region along with two derivatives; the remaining coefficients are determined by parametric optimization based on measured current-voltage characteristics. This saturation current model is invariant with respect to the model for the unsaturated mode and the physics of processes at current saturation. These models were created primarily for simulating transistors manufactured using various wide-gap semiconductor technologies: silicon carbide, gallium nitride and diamond. The results of modeling GaN and SiC transistors with low root mean square error are presented.

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

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