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A1GaN/GaN HEMT热特性研究

作　者: 钟红生
导　师: 孙玲玲；董林玺
学　校: 杭州电子科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 铝镓氮/氮化镓高电子迁移率晶体管热分析自加热效应
分类号: TN386
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

得益于异质结结构,AlGaN/GaN HEMT成为当前最具发展潜力的射频、微波器件之一。因其大电流增益、高截止频率、强驱动能力、低相位噪声以及大功率密度等优点,AlGaN/GaN HEMT在高温、大功率、高频、光电子、抗辐射等商用领域、军事领域的应用不断扩大。但是,当HEMT器件工作于大功率、高温环境时,耗散功率会引起导电沟道区域温度升高,产生显著自加热效应,引起附加功率效率和电流输出能力降低,进而引起器件射频、微波性能的退化,严重自加热效应还会导致器件功能失效。因此,建立起AlGaN/GaN HEMT二维热模型,将有助于深入了解大功率器件的发热、散热机理,更好地对AlGaN/GaN HEMT进行热管理,进而能够有效地指导器件设计及参数优化。本文的工作重点是基于TCAD软件对AlGaN/GaN HEMT功率器件进行二维建模,并在此基础详细讨论了单指结构和多叉指结构器件的热形貌分布,提出了对大功率器件进行热管理的思想和方法。首先,本文简要介绍了GaN材料特性,AlGaN/GaN HEMT基本理论和工作原理,着重阐述由极化效应引起的存在于AlGaN/GaN界面的高面密度二维电子气及其对器件性能的影响。其次,选择适合AlGaN/GaN HEMT的电学、热学物理模型,并对模型进行逐一讨论。在讨论热导率、热阻抗模型的基础上,引入了热管理概念。阐述了热管理对高功率器件的重要性和必要性。最后,借助商用TCAD软件对AlGaN/GaN HEMT进行数值分析。将仿真结果与已发表文献实验数据作比较,佐证了模型的合理性有效性。分析了器件的交、直流特性,特别是RF特性。并在此基础上,讨论了静态功耗与沟道峰值温度分布、器件整体热形貌分布的关系；材料参数和版图参数对交、直流参数及热形貌分布的影响。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-13
  1.1 研究目的及意义  10
  1.2 氮化镓高电子迁移率晶体管的研究现状  10-12
  1.3 本论文的内容和安排  12-13
第2章氮化镓基高电子迁移率晶体管的基本原理  13-28
  2.1 氮化镓材料  13-18
    2.1.1 晶格结构  15
    2.1.2 极化效应  15-18
  2.2 氮化镓基器件  18-26
    2.2.1 二维电子气  18-22
    2.2.2 氮化镓基器件的工作原理  22-26
  2.3 氮化镓基器件的自加热效应与热管理  26-27
    2.3.1 自加热效应与热管理  26-27
  2.4 小结  27-28
第3章氮化镓基器件的物理模型  28-40
  3.1 基本物理模型  28-33
    3.1.1 泊松方程  29
    3.1.2 连续性方程  29
    3.1.3 输运方程  29-32
    3.1.4 晶格热方程  32-33
  3.2 辅助电学物理模型  33-36
    3.2.1 极化效应模型  33-34
    3.2.2 迁移率模型  34-35
    3.2.3 载流子复合模型  35-36
  3.3 辅助热学物理模型  36-39
    3.3.1 热导率模型  36-37
    3.3.2 热阻抗模型  37-39
  3.4 小结  39-40
第4章氮化镓基器件的数值仿真  40-61
  4.1 商用数值分析软件  40-41
  4.2 交直流仿真理论  41-43
  4.3 单指氮化镓器件仿真  43-55
    4.3.1 仿真器件结构  43-44
    4.3.2 仿真器件参数  44-45
    4.3.3 热学参数仿真结果  45-48
    4.3.4 电学参数仿真结果  48-55
  4.4 双指氮化镓器件仿真  55-61
    4.4.1 仿真器件结构  55-57
    4.4.2 电学参数仿真结果  57-59
    4.4.3 热学参数仿真结果  59-61
第5章总结与展望  61-63
  5.1 总结  61-62
  5.2 展望  62-63
致谢  63-64
参考文献  64-68
附录  68

A1GaN/GaN HEMT热特性研究

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