Charakterisierung und Modellierung von Niederfrequenz-Dispersion in Gallium-Nitrid Transistoren im Schaltbetrieb
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In der Leistungs- und in der Mikrowellenelektronik setzt man verstärkt GaN-basierte Transistoren ein, da dieses Materialsystem bei höheren Spannungen und Strömen arbeiten und kurzere Schaltzeiten realisieren kann als kommerzielle Transistoren in anderen Materialsystemen. Neu ist, dass GaN HEMTs für diese sehr verschiedenen Aufgaben über einen konzeptionell gleiche Aufbau verfügen, sodass sie im Schaltungsentwurf auch durch ein einheitliches Modell zu beschreiben sein sollten. Gleichzeitig nähern sich die Betriebsarten an, wenn die Schaltvorgänge in Schaltwandlern mit so hoher Genauigkeit wie sonst in analogen Schaltungen berechnet werden müssen, und auf der anderen Seite analoge Mikrowellen-Leistungsverstärker den Transistor verstärkt als Schalter einsetzen. Diese Entwicklung verlangt nach einem neuen, einheitlichen Ansatz in der Transistormodellierung. Eine besondere Schwierigkeit stellen dabei die für GaN HEMTs typischen Memory-Effekte dar, die die Effizienz von Schaltwandlern und Verstärkern deutlich verschlechtern. Da im Kontext der Leistungselektronik kein standardisiertes Verfahren zur Charakterisierung von Trapping-Effekten existiert, wurde im Projekt eine robuste und akkurate Messmethodik entwickelt, die zur Einfaktoranalyse von Trapping und Detrapping in modernen Hochvolt-Leistungstransistoren in der Lage ist. Die im Projekt entwickelte Messschaltung ermöglicht so eine deutlich flexiblere und genauere Charakterisierung, als dies mit herkömmlichen Messmethoden möglich ist. Somit kann die gewonnene Messmethodik auch für weiterführende Untersuchungen und Nachfolgeprojekte verwendet werden. Die Arbeiten im Bereich der Modellierung beschränken sich auf die akkurate Beschreibung der Trapping- und Detrapping-Dynamik bei Niedervolt-Bauelementen. Das gewonnene Modell ermöglicht durch eine Überlagerung von Gauß’sch gewichteten Trapping- und Detrappingzeitkonstanten eine genauere Beschreibung des beobachteten Verhaltens, ohne einen übermaßig großen Parametersatz zu benötigen. Das Modell kann in weiterführenden Arbeiten allerdings noch für hartschaltende Anwendungen erweitert und mit Hochvolt-Bauelementen validiert werden. Hinsichtlich der Modellierung von Hochfrequenz-Bauelementen wurde physikalische Simulation (TCAD) mit der Ableitung analytischer Trap-Beschreibungen für das kompakte ASM-HEMT Modell und gepulster Messtechnik verbunden. Auf diese Weise konnte der Einfluss tiefer Störstellen im Buffer und an der Oberfläche identifiziert und modelliert werden. Ein Projektergebnis ist, dass die physikalische Simulation auf den stark nichtlinearen hochfrequenten Anwendungsfall erweitert werden konnte. Dabei wird TCAD zur Extraktion der Modellparameter eines ASM-HEMT-Modells genutzt, das die wesentliche Physik abbilden kann. Die numerisch aufwändigen Simulationen können dann mit einem Schaltungssimulator erfolgen. Dieser Ansatz wurde genutzt, um die aufgrund von Trapping beobachtete Degradation im HF-Leistungsbereich für den vorliegenden Fall eindeutig Oberflächenzuständen zuzuordnen. Eine darauf folgende Optimierung der Passivierung bestätigt diese Vorhersage. Nicht zuletzt wurde eine Trap-Beschreibung auf der Basis der Shockley-Read-Hall-Theorie abgeleitet, die auch das Gate-seitige langsame Trapping temperaturabhängig simulieren lässt, was für die Simulation von Schaltvorgängen wichtig ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Insight into Buffer Trap-Induced Current Saturation and Current Collapse in GaN RF Heterojunction Field-Effect Transistors. IEEE Transactions on Electron Devices, 67(12), 5460-5465.
Tripathi, Durgesh C.; Uren, Michael J. & Ritter, Dan
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A Novel Approach for the Modeling of the Dynamic ON-State Resistance of GaN-HEMTs. IEEE Transactions on Electron Devices, 68(9), 4302-4309.
Weiser, Mathias C. J.; Hückelheim, Jan & Kallfass, Ingmar
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Extension of ASM HEMT Model with Trapping Effects in GaN Power Devices. 2021 23rd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'21 ECCE Europe), P.1-P.9. IEEE.
Weiser, Mathias & Kallfass, Ingmar
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Design Considerations for Fast On-State Voltage Measurement Circuits,” 2022 24th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE’22 ECCE Europe), Hanover, Germany, 2022, pp. 1-9
M. C. J. Weiser, M. Rueß & I. Kallfass
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A Fast ON-State Drain-to-Source Voltage Amplifier for the Dynamic Characterization of GaN Power Transistors. 2023 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), 637-644. IEEE.
Weiser, Mathias C. J.; Barón, Kevin Muñoz; Fink, Tobias & Kallfass, Ingmar
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Dynamic RDModeling by Exploiting Gate Current Dependency of Virtual Gate Effect. 2023 18th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 1-4. IEEE.
Beleniotis, Petros; Zervos, Christos; Schnieder, Frank & Rudolph, Matthias
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The role of gate leakage on surface-related current collapse in AlGaN/GaN HEMTs. 2023 18th European Microwave Integrated Circuits Conference (EuMIC), 297-300. IEEE.
Zervos, Christos; Beleniotis, Petros; Krause, Sascha; Ritter, Dan & Rudolph, Matthias
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A Flexible Setup for Dynamic On-State Resistance Measurements of GaN HEMTs With One-Factor-at-a-Time Capability. IEEE Transactions on Power Electronics, 39(6), 7086-7095.
Weiser, Mathias C. J.; Köhnlein, Viktor & Kallfass, Ingmar
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A Physics-Based Model for Slow Gate-Induced Electron Trapping in GaN HEMTs. IEEE Transactions on Electron Devices, 71(7), 4058-4065.
Beleniotis, Petros; Krause, Sascha; Zervos, Christos & Rudolph, Matthias
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Investigation of Traps Impact on PAE and Linearity of AlGaN/GaN HEMTs Relying on a Combined TCAD–Compact Model Approach. IEEE Transactions on Electron Devices, 71(6), 3582-3589.
Beleniotis, Petros; Zervos, Christos; Krause, Sascha; Chevtchenko, Serguei; Ritter, Dan & Rudolph, Matthias
