Compact Modeling of Static and Transient Effects of Buffer Traps in GaN HEMTs

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作者
Ajay Shanbhag,M. P. Sruthi,Anjan Chakravorty,Nandita DasGupta,Amitava DasGupta
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:69 (3): 999-1005 被引量:10
标识
DOI:10.1109/ted.2022.3145334
摘要

We propose a physics-based analytical model that accurately captures the effects of buffer traps on dc characteristics of gallium nitride (GaN)-based high-electron-mobility transistors (HEMTs). The model is then semi-analytically extended to additionally include the transient behavior. Analytical formulations for the shift in the threshold voltage ${(}{V}_{\text {OFF}}{)}$ and two-dimensional electron gas (2-DEG) density due to the presence of buffer traps in the steady state are presented. In pulsed operation, technology computer-aided design (TCAD) simulations indicate that a time-dependent negative potential (NP) is developed under the gate, resulting in a modified ${V}_{\text {OFF}}$ and current collapse (CC). An expression for the modified ${V}_{\text {off}}$ helps capture the pulsed current–voltage characteristics. The model captures the dependence of bias, time, temperature, trap concentration, capture cross section area, and activation energy of traps on the steady-state and transient characteristics. The model is implemented in Verilog-A in an existing compact model framework using a diode and RC sub-circuit and validated using measured data and TCAD simulations. The modeling results are in excellent agreement with the experimental data and TCAD simulations. Since the model is physics-based, it requires fewer number of parameters compared to that in the existing models.
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