algangan高电子迁移率晶体管的模型研究word格式论文.docx

摘要摘要氮化镓（GaN）是近十几年来迅速发展起来的第三代宽禁带半导体材料之一，其化学性质稳定、耐高温、耐腐蚀，非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的电子器件以及蓝光、绿光和紫外光电子器件。所有这些优良的性质，很好的弥补了前两代Si和AsGa等半导体材料本身固有的缺点，从而成为飞速发展的研究前沿。AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMTs)，是以AlGaN/GaN 异质结材料为基础而制造的GaN基器件。与传统的MESFET器件相比，AlGaN/GaN HEMTs具有高跨导、高饱和电流以及高截止频率的优良特性。另外，实验证明，GaN基HEMT 在1000K的高温下仍然保持着良好的直流特性。从而减少甚至取消冷却系统，使系统的体积和重量大大降低，效率大大提高。由于GaN材料的热导率较高、热容量大，特别是它有着较高的击穿电场。这极大地提高了GaN器件的耐压容量、电流密度，使GaN功率器件可以工作在大功率的条件下。随着GaN材料制造工艺的不断改进和制造成本的下降，AlGaN/GaNHEMT器件必将在高温、大功率、高频、光电子、抗辐照等领域取得广泛的应用。虽然人们对GaN基微波功率器件的研究工作已经持续了多年，深度和广度已经达到了前所未有的水平，但是真正商业化的AlGaN/GaN HEMT功率器件仍然尚未问世。这里面有诸多原因。除了可靠性及GaN缺陷密度等问题尚未解决外，当HEMT器件工作于大功率、高温的环境时，会产生明显的“自热效应”。引起附加的功率损失和电流输出能力的下降，进而降低器件的微波性能，甚至引起功能失效。另一方面对于在微波领域有着良好应用前景的AlGaN/GaN HEMT，由于GaN 基器件发展历史相对较短，对AlGaN/GaN HEMT 的大信号小信号建模理论研究成果较少，还主要沿用MESFET的相关模型。由于HEMT与MESFET的工作原理有所不同，在加上AlGaN/GaN HEMT 器件有其自身的特点，所以套用这些模型误差在所难免。因此建立适合AlGaN/GaN HEMT 的大小信号模型是目前理论研究需要努力的方向。以上这些问题的研究都是推进AlGaN/GaN HEMT商业化生产进程中十分重要的步骤。本课题围绕以下几个方面展开具体工作：（1）针对HEMT器件的自热效应，提出了一种用于分析AlGaN/GaN HEMT I-V 特性的数值计算模型，在算法上转化为迭代求解泊松方程、薛定谔方程和费米分布。分析了自热效应的起因，以及这种效应对二维电子气浓度分布和漏电流的影响。在此过程中引入了一系列与温度和Al含量有关的参数，如导带断续、载流子迁移率、极化效应、电子饱和漂移速度、热导率等。而且提出了器件衬底底部温度Tsub为非恒定的模型。采用此模型的模拟结果与国外发表的实验数据一致性很好，而这些因素的考虑未影响模型运算的迭代收敛性，也未明显增加计算量，因此在大功率AlGaN/GaNHEMT的研究过程中，这一模型适合于包括“自热效应”在内的器件温度特性分析。（2）在以上数值分析模型的基础上，分别计算了不同温度时HEMT器件漏电流与栅电压以及跨导与栅电压之间的关系，并与实验值做了对比，模拟的结果比较好的反映了实际情况。计算结果表明当环境温度较高时，AlGaN/GaN HEMT器件的衬底底部与沟道之间的温度差会变得较大。这种现象会导致沟道中电子迁移率降低，从而使器件的跨导进一步下降，微波特性变差。（3）从小信号线性分析入手，详细讨论了AlGaN/GaNHEMT小信号等效电路模型，给出了S参数法提取寄生元件和本征元件的详细过程。特别地，提出了一种专门针对AlGaN/GaNHEMT器件，基于S参数测量值的参数提取模型。这个模型具有简单易行，精度较高的优点。尤其是不用参数优化，免去了大量的计算过程。我们应用一组实际测量的AlGaN/GaNHEMT小信号S参数进行了比较验证，结果比较令人满意。并得出结论，在提取出寄生参数后，应用较高频率的S参数来提取本征参数。小信号的分析方法能够推广于大信号分析，为非线性分析提供必要的支持。（4）总结了几种常见的AlGaN/GaN HEMT器件大信号直流I-V特性模型。并且较为详细地分析了AlGaN/GaNHEMT器件大信号电容模型。在考虑了栅电压与源漏电流的关系以及在不同栅电压区Ids随Vds的变化斜率不同的基础上，以Materka模型为数学模型框架，结合经验数学模型的简明特点，提出了一种改进的I-V特性模型。对AlGaN/GaNHEMT器件大信号的输出特性进行精确的描述。采用这个模型计算了AlGaN/GaNHEMT器件I-V特性，与实际测量数据进行的比较说明，栅电压与源漏电流之间的平方关系不足以准确描述器件的实际状况。而且在不同栅电压区，Ids随Vds的变化斜率也有所不同。改进的模型比Mate