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SiC MESFET功率器件建模

刘莹  
【摘要】:碳化硅(SiC)材料是第三代的宽禁带半导体材料之一,它具有禁带宽、临界击穿电场高和饱和漂移速度高等优点,逐渐成为制造高频大功率,耐高温和抗辐照功率金属-半导体场效应管(MESFET)的最重要的半导体材料之一,SiC MESFET则非常适合功率放大领域的应用。为了实现器件的功率最大化输出和提高器件的功率附加效率,功率器件的精确建模是关键。 本文从小栅宽SiC MESFET器件小信号等效电路模型出发,建立了基于测量的小栅宽SiC MESFET器件大信号模型和大栅宽SiC MESFET器件大信号模型,并对其进行了验证。 首先,本文基于传统FET小信号模型和国内工艺线生产的小栅宽SiC MESFET(栅宽为10x100um),采用了适合小栅宽SiC MESFET的小信号等效电路模型和精确的模型参数提取法,提出了改进的模型参数优化方法。建立的小信号等效电路模型比较简单,且在0.5-20GHz的频率范围内,模型精度达到指标要求,为大信号模型的建立提供了必要的数据,同时也为大栅宽器件建模打下了基础。 接着,本文基于GaAs FET器件的大信号模型,建立了包含热效应的Angelov非线性电流经验模型,以及Angelov非线性电容模型。利用商用软件ADS中符号定义器件(SDD)将大信号模型嵌入到ADS中,并使用负载牵引法对此SDD模型进行了验证,结果表明所建立的小栅宽模型具有较好的精度,达到指标要求。 然后,本文分别对30mm和24mm的大栅宽SiC MESFET器件建立大信号模型。由于测试仪器电流和功率的限制,无法在片测试大栅宽器件的S参数和直流I-V特性,因此无法直接对大栅宽器件建模。本文采用的方法是采用之前建立的小栅宽SiC MESFET小信号等效电路模型,成功建立了不同温度条件下单胞SiC MESFET小信号和大信号模型;基于已建立的单胞模型,同时考虑大栅宽器件不同栅指的热分布特性,将单胞模型扩展到大栅宽器件模型,再用商用软件ADS中符号定义器件(SDD)将其大信号模型嵌入到ADS中,使用负载牵引法对模型进行验证,模型精度达到指标要求。最后,本文简要介绍了SiC MESFET design_kit模型库的安装和使用。


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