线性化AlGaN/GaN HEMT费米能级与二维电子气密度关系的解析模型

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室 作者:卢盛辉

  通过化简复杂非线性的费米能级EF与二维电子气密度ns关系,并利用化简后函数的一阶泰勒多项式建立了线性化AlGaN/GaN HEMT中EF与ns关系的解析模型。该模型可以根据二维电子气密度ns的范围及温度计算EF与ns非线性关系之线性近似的参数斜率a和截距EF0。计算结果表明,所述模型的线性EF-ns计算结果对非线性精确解近似效果较好,且基于该模型计算的ns-VG曲线与实验数据符合良好。

  由于GaN 材料具有禁带宽、电子饱和速度高、击穿电场强、热导率高及物理化学性质稳定等优点, 且其与AlGaN 形成的AlGaN/ GaN 异质结高电子迁移率晶体管( high electron mobility transistor,HEMT) 能提供1013 cm- 2 量级的沟道二维电子气( two􀀁dimensional electron gas, 2DEG) 电子密度, 使得AlGaN/ GaN HEMT 非常适合于高温、高频及大功率应用并成为人们研究的热点。在AlGaN/ GaNHEMT 中, 线性电荷控制模型由于具有精度高、简单及物理含义清晰等优点而在器件电流􀀁电压特性建模中广泛应用 。线性电荷控制模型的基础来源于Drummond 等与Lee 等[ 9- 10] 提出的费米能级EF与2DEG 电子面密度ns 关系的线性近似。在他们的线性近似方案中, 线性近似的斜率与截距是在给定的2DEG 密度范围与温度条件下通过数值拟合得到的。显然, 当温度与范围发生改变时, 为确保精度, 这两个参数就需要根据新的条件重新拟合得到。而在AlGaN/ GaN HEMT 中, 一方面, ns 的范围随着AlGaN 中Al 组分的不同而有较大变化; 另一方面,工作温度依赖于器件的尺寸与功率。这就导致了此线性近似方案在AlGaN/ GaN HEMT 中应用不便。最近, Rashmi 等[ 11] 提出了一种简单的解析型线性近似模型, 其采用常量的斜率并忽略截距。不过, 这种解析近似过于简单, 限制了其精度。

  因此, 本文的主要目的就是建立可根据温度ns 范围变化而动态计算线性近似斜率与截距参数的解析模型, 从而增强费米能级与2DEG 密度关系线性近似在AlGaN/ GaN HEMT 特性建模中应用的方便性与灵活性。

3、结论

  提出了适用于AlGaN/ GaN HEMT 的线性化费米能级与2DEG 密度关系的解析模型。费米能级与2DEG 密度关系的线性近似参数斜率和截距可根据给定的温度与2DEG 密度范围进行动态计算, 从而提高了线性近似的精度与应用的灵活性。基于所提出模型计算的EF􀀁ns 结果与非线性解较接近, 且计算的ns􀀁VG 曲线与实测数据符合良好, 证实了所提出模型的合理有效性。

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