主要公式用单个数字表示,如(1)。公式中物理量的再详细表达式加点表示,如(1.1),以此类推。
Id=WLμeffCg(Vgo−ψm+Vth)ψds(1)I_d=\frac{W}{L}\mu_{eff} C_g(V_{go}-\psi_m+V_{th})\psi_{ds}(1)Id=LWμeffCg(Vgoψm+Vth)ψds1
W和L分别是栅宽和栅长
μeff\mu_{eff}μeff是有效载流子迁移率
Cg是有效势垒电容
Vgo是栅极电压减去截止电压
ψm\psi_mψm是沟道中点的表面势
Vth是热电压
ψds\psi_{ds}ψds是漏极到源极的电势差


μeff=μ01+μAEy,eff+μBEy,eff2(1.1)\mu_{eff}=\frac{\mu_{0}}{1+\mu_{A}E_{y,\mathrm{eff}}+\mu_{B}E_{y,\mathrm{eff}}^{2}}(1.1)μeff=1+μAEy,eff+μBEy,eff2μ01.1
μ0\mu_{0}μ0是低场迁移率
μA\mu_{A}μAμB\mu_{B}μB是从实测数据中提取的模型参数,分别是一阶和二阶迁移率退化系数

Ey,effE_{y,\mathrm{eff}}Ey,eff是有效垂直电场:
Ey,eff=Qch/εAlGaN(1.1.1)E_{y,eff}=Q_{ch}/\varepsilon_{AlGaN} (1.1.1)Ey,eff=Qch/εAlGaN1.1.1

εAlGaN{\varepsilon_{\mathrm{AlGaN}}}εAlGaN是介电系数
Qch是沟道平均电荷:
Qch=CgεAlGaN∣Vgo−ψm∣(1.1.1.1)Q_{ch}=\frac{C_{g}}{\varepsilon_{AlGaN}}|V_{go}-\psi_{m}|(1.1.1.1)Qch=εAlGaNCgVgoψm1.1.1.1
Cg表达式参照(1.2)
Vgo表达式参照(1.3)
ψm\psi_mψm表达式参照(1.4)


Cg=εAlGaNd(1.2)C_{g}=\frac{\varepsilon_{\mathrm{AlGaN}}}{d}(1.2)Cg=dεAlGaN1.2
εAlGaN{\varepsilon_{\mathrm{AlGaN}}}εAlGaN是介电系数
d是势垒层厚度


Vgo=Vg−Voff(1.3)V_{go}=V_{g}-V_{\mathrm{off}}(1.3)Vgo=VgVoff1.3
Vg是栅电压
Voff是截止电压:
Voff=ϕB(x)−ΔEc(x)−qNdd22εAlGaN−qσdεAlGaN(1.3.1)V_{off}=\phi_{B}(x)-\Delta E_{c}(x)-\frac{qN_{d}d^{2}}{2\varepsilon_{AlGaN}}-\frac{q\sigma d}{\varepsilon_{AlGaN}}(1.3.1)Voff=ϕB(x)ΔEc(x)2εAlGaNqNdd2εAlGaNqσd1.3.1
其中 x 为铝组分,ϕB(x)\phi_{B}(x)ϕB(x)为肖特基势垒高度,Ec(x)E_{c}(x)Ec(x)为 AlGaN 和 GaN 之间的导带不连续性,q是电子电荷,Nd 是 AlGaN 层的掺杂浓度,σ 是极化引入的面电荷密。
ϕB(x)=(1.3x+0.84)eV(1.3.1.1)\phi_B(x)=\left(1.3x+0.84\right)eV(1.3.1.1)ϕB(x)=(1.3x+0.84)eV1.3.1.1
ΔEc(x)=0.7[Eg(x)−Eg(0)](1.3.1.2)\Delta E_c(x)=0.7\left[E_g(x)-E_g(0)\right](1.3.1.2)ΔEc(x)=0.7[Eg(x)Eg(0)]1.3.1.2
Eg(x)=xEg(AlN)+(1−x)Eg(GaN)−x(1−x)1.0eV=x6.13eV+(1−x)3.42eV−x(1−x)1.0eV(1.3.1.3)E_{_g}(x)=xE_{_g}(\text{AlN})+(1-x)E_{_g}(\text{GaN})-x(1-x)1.0\text{eV}=x6.13\mathrm{eV}+(1-x)3.42\mathrm{eV}-x(1-x)1.0\mathrm{eV}(1.3.1.3)Eg(x)=xEg(AlN)+(1x)Eg(GaN)x(1x)1.0eV=x6.13eV+(1x)3.42eVx(1x)1.0eV1.3.1.3


ψm=(ψd+ψs)/2(1.4)\psi_m=(\psi_d+\psi_s)/2(1.4)ψm=(ψd+ψs)/21.4

ψd=Vf+Vd,eff(1.4.1)\psi_{d}=V_{f}+V_{d,eff}(1.4.1)ψd=Vf+Vd,eff1.4.1
VfV_{f}Vf是三角形势阱中对应于费米能级的势
Vd,effV_{d,eff}Vd,eff是漏极处的有效电压

公式(1.4.1.1.1)在所有区域都是有效的,但在接近截止电压Voff的区域,采用Vf,unified时获得的精度约为毫伏级别。为此,对公式(1.4.1.1.1)给出的解决方案进行了细化处理,并在所有区域实现了皮伏特或更高级别的精度:
Vf=Vf,unified−pq(1+pr2q2)(1.4.1.1)V_f=V_{f,unified}-\frac{p}{q}\left(1+\frac{pr}{2q^2}\right)(1.4.1.1)Vf=Vf,unifiedqp(1+2q2pr)1.4.1.1

Quantity Expression
k0,1k_{0,1}k0,1 γ0,1(Cgq)2/3\gamma_{0,1}\left(\frac{C_g}q\right)^{2/3}γ0,1(qCg)2/3
VgefV_{gef}Vgef Vg−Voff−EfV_g-V_{off}-E_fVgVoffEf
ξ0,1\xi_{0,1}ξ0,1 exp⁡(Ef,unified−k0,1Vgef2/3Vth)\exp\left(\frac{E_{f,unified}-k_{0,1}V_{gef}^{2/3}}{V_{th}}\right)exp(VthEf,unifiedk0,1Vgef2/3)
p\text{p}p CgqVgef−∑i=01DVthln⁡(ξi+1)\frac{C_{g}}{q}V_{gef}-\sum_{i=0}^{1}DV_{th}\operatorname{ln}(\xi_{i}+1)qCgVgefi=01DVthln(ξi+1)
q\text{q}q −Cgq−∑i=01D1+ξi−1(1+(2/3)kiVgef−1/3)-\frac{C_{g}}{q}-\sum_{i=0}^{1}\frac{D}{1+\xi_{i}^{-1}}\left(1+(2/3)k_{i}V_{gef}^{-1/3}\right)qCgi=011+ξi1D(1+(2/3)kiVgef1/3)
r\text{r}r ∑i=0129Vgef−4/3Dki(1+ξi−1)+DVth(1+23kiVgef−1/3)2(1+ξi−1)2\sum_{i=0}^{1}\frac{\frac29V_{gef}^{-4/3}Dk_{i}(1+\xi_{i}^{-1})+\frac D{V_{th}}\left(1+\frac23k_{i}V_{gef}^{-1/3}\right)^{2}}{\left(1+\xi_{i}^{-1}\right)^{2}}i=01(1+ξi1)292Vgef4/3Dki(1+ξi1)+VthD(1+32kiVgef1/3)2

采用Ef代替Ef,unified,重新评估k0/1、ξ0/1、Vgef、p、q和r的值,并根据(1.4.1.1)式获得最终解决方案Ef,s。这些计算步骤遵循Householder方法求解隐函数的过程。
令人遗憾的是:因为最初的关于电子密度和电势的方程是超越方程(82年TED),所以提出了统一能级表达式来近似超越方程的数值解。但现在统一能级的表达也因为精度不够高,又一次进行了隐函数的求解。
统一能级表达式:
Vf,unified=Vgo−2Vtvln(1+eVgo2Vtv)1H(Vgo,eff)+(CgqD)e−Vgo2Vtv(1.4.1.1.1)V_{f,unified}=V_{go}-\frac{2V_{tv}ln(1+e^{\frac{V_{go}}{2V_{tv}}})}{\frac1{H(V_{go,eff})}+(\frac{C_{g}}{qD})e^{-\frac{V_{go}}{2V_{tv}}}}(1.4.1.1.1)Vf,unified=VgoH(Vgo,eff)1+(qDCg)e2VtvVgo2Vtvln(1+e2VtvVgo)1.4.1.1.1

Vtv=KB⋅Tdevcdsc(1.4.1.1.1.1)V_{tv}=KB\cdot T_{dev}cdsc(1.4.1.1.1.1)Vtv=KBTdevcdsc1.4.1.1.1.1
Tdev=T+V(rth)(1.4.1.1.1.1.1)T_{dev}=T+V(rth)(1.4.1.1.1.1.1)Tdev=T+V(rth)1.4.1.1.1.1.1
cdsc=1+NFACTOR+(CDSCD+cdscdtrap)⋅Vdsx(1.4.1.1.1.1.2)cdsc=1+NFACTOR+(CDSCD+cdscd_{trap})\cdot V_{dsx}(1.4.1.1.1.1.2)cdsc=1+NFACTOR+(CDSCD+cdscdtrap)Vdsx1.4.1.1.1.1.2
NFACTOR为子VOFF斜率参数
CDSCD为由于漏极电压引起的子VOFF斜率变化
Vdsx=Vds2+0.01(1.4.1.1.1.1.2.1)V_{dsx}=\sqrt{V_{ds}^2+0.01}(1.4.1.1.1.1.2.1)Vdsx=Vds2+0.01 1.4.1.1.1.1.2.1
H(Vg0)=Vg0+Vtv[1−ln(βVgon)]−γ03(CgVg0q)23Vg0(1+VtυVgod)+2γ03(CgVg0q)23(1.4.1.1.1.2)H(V_{g0})=\frac{V_{g0}+V_{tv}[1-ln(\beta V_{gon})]-\frac{\gamma_{0}}{3}(\frac{C_{g}V_{g0}}{q})^{\frac{2}{3}}}{V_{g0}(1+\frac{V_{t\upsilon}}{V_{god}})+\frac{2\gamma_{0}}{3}(\frac{C_{g}V_{g0}}{q})^{\frac{2}{3}}}(1.4.1.1.1.2)H(Vg0)=Vg0(1+VgodVtυ)+32γ0(qCgVg0)32Vg0+Vtv[1ln(βVgon)]3γ0(qCgVg0)321.4.1.1.1.2
Vg0x=Vg0αxVg02+αx2(1.4.1.1.1.2.1)V_{g0x}=\frac{V_{g0}\alpha_{x}}{\sqrt{V_{g0}^{2}+\alpha_{x}^{2}}}(1.4.1.1.1.2.1)Vg0x=Vg02+αx2 Vg0αx1.4.1.1.1.2.1
其中αn=e/β\alpha_n=e/\betaαn=e/βαd=1/β\alpha_{d}=1/\betaαd=1/β
Vg0,eff=12(Vg0+Vg02+4eppsi2)(1.4.1.1.1.3)V_{g0,eff}=\frac{1}{2}\left(V_{g0}+\sqrt{V_{g0}^2+4ep_{psi^2}}\right)(1.4.1.1.1.3)Vg0,eff=21(Vg0+Vg02+4eppsi2 )1.4.1.1.1.3
eppsiep_{psi}eppsi为平滑常数
Cg=εAlGaNTBAR(1.4.1.1.1.4)C_g=\frac{\varepsilon_{AlGaN}}{TBAR}(1.4.1.1.1.4)Cg=TBARεAlGaN1.4.1.1.1.4
TBAR为势垒层厚度


Vd,eff=Vds(1+(VdsVdsat)DELTA)−1DELTA(1.4.1.2)V_{d,eff}=V_{ds}\left(1+\left(\frac{V_{ds}}{V_{dsat}}\right)^{DELTA}\right)^{\frac{-1}{DELTA}}(1.4.1.2)Vd,eff=Vds(1+(VdsatVds)DELTA)DELTA11.4.1.2
DELTA为Vd,eff的指数
Vdsat=(2VSAT(T)/μeff)L⋅Vg0,eff(2VSAT(T)/μeff)L+Vg0,eff(1.4.1.2.1)V_{dsat}=\frac{(2VSAT(T)/\mu_{eff})L\cdot V_{g0,eff}}{(2VSAT(T)/\mu_{eff})L+V_{g0,eff}}(1.4.1.2.1)Vdsat=(2VSAT(T)/μeff)L+Vg0,eff(2VSAT(T)/μeff)LVg0,eff1.4.1.2.1
VSAT为饱和速度
μeff\mu_{eff}μeff表达式参照(1.1)
L为栅长
Vg0,effV_{g0,eff}Vg0,eff表达式参照(1.4.1.1.1.3)


ψs=Vf+Vs(1.4.2)\psi_{s}=V_{f}+V_{s}(1.4.2)ψs=Vf+Vs1.4.2
VfV_{f}Vf参照表达式(1.4.1.1)
VsV_{s}Vs为源极电压


Vth=kT/q(1.5)V_{\mathrm{th}}=kT/q(1.5)Vth=kT/q1.5
k是玻尔兹曼常数
T是温度
q是电子电荷


ψds=(ψd−ψs)(1.6)\psi_{ds}=(\psi_{d}-\psi_{s})(1.6)ψds=(ψdψs)1.6
ψd\psi_{d}ψd参照表达式(1.4.1)
ψs\psi_{s}ψs参照表达式(1.4.2)


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