来源：Robust Surface-Potential-Based Compact Model forGaN HEMT IC Design（TED 13年）

摘要

我们提出了一种精确且稳健的基于表面势的紧凑模型，用于模拟采用氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）设计的电路。我们开发了一种精确的解析表面势计算方法，并以此为基础构建了漏极电流和栅极电流模型。该模型在器件运行的所有区域内，无论是漏极电流还是栅极电流，均与实验数据保持高度一致。通过执行一系列基准测试，包括直流对称性测试、交流对称性测试、互易性测试以及谐波平衡仿真测试等，我们展示了模型所具有的正确物理行为及数学稳定性。据我们所知，这是首次提出并通过了一系列基准测试的GaN HEMT紧凑模型。

关键词：紧凑模型；氮化镓基高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）；SPICE模型；表面势

文章的研究内容

文章介绍了一种基于表面势的鲁棒紧凑模型，该模型用于模拟采用氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）设计的集成电路。研究团队开发了精确的解析表面势计算方法，并以此为基础构建了漏极电流和栅极电流模型。这一模型在器件运行的所有区域内，无论是漏极电流还是栅极电流，均表现出与实验数据的高度一致性。

为了证明模型的正确物理行为和数学稳定性，研究人员通过执行一系列基准测试，包括直流对称性测试、交流对称性测试、互易性测试以及谐波平衡仿真测试等，展示了模型的优势。这是首次提出并通过了一系列基准测试的GaN HEMT紧凑模型。

此外，文章还详细讨论了模型如何利用表面势计算来推导栅极电流模型，并指出先前文献中关于GaN二极管的模型并未充分考虑漏极电压对栅极电流的影响，而在本研究中则对此进行了重要的修正和完善。通过引入参数随漏极电压变化的陷阱浓度表达式，模型能够更准确地描述在不同电压条件下栅极电流的变化，从而提高了模型对于实际电路设计中的鲁棒性和收敛性。

总之，本文的研究内容是开发并验证一种针对GaN HEMT的新型紧凑型物理模型，它以精确的表面势计算为核心，旨在提供一个既能确保模拟精度又能体现真实物理行为且具有广泛适用性的电路模拟工具，满足高性能、高压和高频应用场合的需求。

文章的创新点

1. 开发了一种基于精确解析表面势计算的新型紧凑模型，用于模拟氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）在集成电路设计中的行为。

2. 模型构建了漏极电流和栅极电流的数学描述，并且在所有工作区域中，无论是对于漏极电流还是栅极电流的模拟结果，都与实验数据有着极高的吻合度，这是对之前模型准确性的显著提升。

3. 该模型首次通过了一系列严格的基准测试，包括但不限于直流和交流对称性测试、互易性测试以及谐波平衡仿真测试，展示了模型在不同输入条件下的正确物理行为和收敛性，从而确保其在真实设计环境中的可靠应用。

4. 对于GaN HEMT中关键的栅极电流模型，不仅考虑了标准的热离子发射机制，还结合了Frenkel-Poole (FP)模型以解释由陷阱主导的反向漏电流现象，并且特别关注了漏极电压对栅极电流的影响，这是先前模型所未包含或未充分考虑的重要因素。

5. 在模拟中加入了器件自热效应以及源极/漏极扩展区电阻非线性效应的处理，这两个影响在实际器件性能上具有显著意义，而这些细节在之前的模型中可能被忽视或简化处理。

综上所述，该文提出的模型在精度、鲁棒性和全面性方面均有所突破，为GaN HEMT器件的设计和分析提供了前所未有的详细和可靠的电路仿真工具。

文章的研究方法

文章采用的研究方法包括：

1. 表面势解析计算：首先，研究人员开发了一种精确的表面势计算方法，这个方法是构建GaN HEMT器件漏极电流和栅极电流模型的基础。

2. 模型构建与验证：基于上述表面势计算，建立了漏极电流模型和栅极电流模型，并且该模型在所有工作区间的漏极电流和栅极电流特性上都与实验数据实现了优秀的匹配。这意味着研究团队通过严谨的理论分析和数学建模来模拟实际器件中的电流行为。

3. 基准测试：为了证明模型的准确性和物理正确性以及数学上的稳健性，研究者执行了一系列标准的基准测试，包括直流对称性测试、交流对称性测试、互易性测试和谐波平衡仿真测试等。这些测试确保了模型能够适应各种操作条件并保持良好的收敛性和稳定性。

4. 考虑自热效应和短沟道效应：模型中还考虑了器件局部温度升高（自热效应）导致的特性变化，通过热子电路实现这一效应的模拟；同时，在通道长度缩小时引入短沟道效应参数，以修正二维泊松方程求解电荷密度的方式。

5. 栅极电流改进：对于GaN HEMT的栅极电流模型，由于其与传统的肖特基二极管模型存在差异，特别是高栅极泄漏现象，研究者采用了Frenkel-Poole (FP)模型来描述反向漏电流，并结合表面势计算得到栅极电流的具体表达式。而且，考虑到漏极电压对栅极电流的影响显著，文中进一步将栅极电流模型改进为包含漏极电压依赖性的形式。

通过以上综合的方法，作者成功地构建了一个既能精确模拟GaN HEMT器件电气性能又能通过一系列严格基准测试验证的紧凑模型。

文章的研究结论

文章的研究结论如下：

1. 模型构建与验证：研究团队开发了一种基于表面势的紧凑模型，该模型用于模拟GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）在集成电路设计中的行为，并且对于漏极电流和栅极电流在器件所有工作区域内的模拟结果均表现出与实验数据的高度一致性。

2. 模型准确性和鲁棒性：通过执行一系列基准测试，包括直流对称性测试、交流对称性测试、互易性测试以及谐波平衡仿真测试等，展示了模型不仅在数学上具有稳健性，而且能够体现正确的物理行为。这是首次报道的一种成功通过多种基准测试的基于物理原理的GaN HEMT紧凑模型。

3. 模型改进与验证：模型中针对GaN HEMT特有的漏极电压对栅极电流的影响进行了深入分析并做出了相应修正，从而提高了模型描述实际工作条件的能力。

4. 模型适用性：经过严格测试的表面势模型适用于各种输入条件下的GaN HEMT电路模拟，可为高性能模拟、功率开关电路的设计提供精确而可靠的工具，并且在射频（RF）电路模拟方面也显示出良好的应用前景。

5. 总结：综上所述，文章提出了一种基于表面势的新型GaN HEMT紧凑模型，该模型在精度、正确物理行为以及模型收敛性方面都表现出了优越性能，为GaN HEMT基集成电路的精确和鲁棒设计提供了有力支持。