基于能量平衡模型的GaN太赫茲IMPATT二極管特性研究.pdf

1、微波固態(tài)源器件的研究已經(jīng)成為高功率器件研究的主要內(nèi)容之一，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的不斷成熟，碰撞電離雪崩渡越時(shí)間二極管（IMPATT）作為最強(qiáng)大的微波固態(tài)源器件之一，得到了越來(lái)越多的重視和深入研究。同時(shí)，隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷提高，以GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的制造成為現(xiàn)實(shí)。人們?cè)絹?lái)越多的把新的器件材料的選取集中在寬禁帶材料上。本文選取IMPATT器件材料主要是鑒于GaN材料具有寬的禁帶，高的飽和漂移速度和高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)。

2、
　　IMPATT二極管作為一種負(fù)阻器件，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的正弦波輸出。本課題主要是基于器件的負(fù)阻特性，在Silvaco的Atlas平臺(tái)對(duì)器件特性進(jìn)行了深入的研究。主要的研究成果如下：
　　1.對(duì)太赫茲領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究，了解了IMPATT二極管當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，同時(shí)論述了IMPATT二極管的工作機(jī)理，包括對(duì)擊穿特性的分析，靜態(tài)特性的分析以及溫度和空間電荷效應(yīng)等相關(guān)內(nèi)容的探討。
　　2.深入的探討了幾種不同的器件模擬模型，對(duì)

3、漂移擴(kuò)散模型，能量平衡模型和流體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)的分析，重點(diǎn)分析了能量平衡模型。
　　3.對(duì)Silvaco的Atlas仿真平臺(tái)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并且在Atlas平臺(tái)對(duì)兩種不同摻雜濃度的單漂移區(qū)IMPATT二極管，進(jìn)行了物理建模，對(duì)器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，分別計(jì)算了漂移區(qū)的長(zhǎng)度，雪崩區(qū)的長(zhǎng)度以及最佳工作頻率等。同時(shí)進(jìn)行了擊穿電壓的仿真分析。通過獲取IMPATT二極管的I-V特性曲線，提取出了二極管的擊穿電壓。由器件的外加偏壓與感生出

4、的傳導(dǎo)電流的曲線圖，可以觀察到二極管的電流和電壓存在一定的相位延遲。這就驗(yàn)證了IMPATT二極管的負(fù)阻特性。
　　4.在Atlas的Mixed-mode平臺(tái)進(jìn)行了器件的電路級(jí)建模分析。首先分析了二極管的諧振條件，得到了本文設(shè)計(jì)的二極管諧振時(shí)電路中各個(gè)器件參數(shù)值的大小。接著對(duì)GaN基的單漂移區(qū)IMPATT二極管進(jìn)行了諧振電路的搭建，在漂移擴(kuò)散模型下得到了穩(wěn)定的正弦波輸出。同時(shí)對(duì)能量平衡模型下的二極管進(jìn)行了仿真分析。分別討論了能量平衡

5、模型中不同遷移率模型和碰撞離化模型的選取。并且對(duì)漂移擴(kuò)散模型和能量平衡模型下的二極管的輸出功率等進(jìn)行了計(jì)算比較。得出結(jié)論：當(dāng)對(duì)深亞微米IMPATT二極管進(jìn)行交流分析時(shí)，能量平衡模型比傳統(tǒng)的漂移擴(kuò)散模型精度更高。
　　綜上所述，本文通過對(duì)GaN基的IMPATT二極管進(jìn)行了建模分析，并且分別從漂移擴(kuò)散模型和能量平衡模型進(jìn)行了比較分析，加深了我們對(duì)太赫茲領(lǐng)域IMPATT二極管的認(rèn)識(shí)。同時(shí)，GaN基材料的IMPATT二極管表現(xiàn)出的優(yōu)良特性