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間二極管（IMPATT）作為最強大的微波固態(tài)源器件之一，得到了越來越多的重視和深入研究。同時，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。人們越來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強度等優(yōu)勢。

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平臺對器件特性進行了深入的研究。主要的研究成果如下：
　　1.對太赫茲領(lǐng)域進行了深入研究，了解了IMPATT二極管當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，同時論述了IMPATT二極管的工作機理，包括對擊穿特性的分析，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

3、漂移擴散模型，能量平衡模型和流體動力學(xué)模型進行了詳細(xì)的分析，重點分析了能量平衡模型。
　　3.對Silvaco的Atlas仿真平臺進行了詳細(xì)介紹，并且在Atlas平臺對兩種不同摻雜濃度的單漂移區(qū)IMPATT二極管，進行了物理建模，對器件的結(jié)構(gòu)進行了分析，分別計算了漂移區(qū)的長度，雪崩區(qū)的長度以及最佳工作頻率等。同時進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。這就驗證了IMPATT二極管的負(fù)阻特性。
　　4.在Atlas的Mixed-mode平臺進行了器件的電路級建模分析。首先分析了二極管的諧振條件，得到了本文設(shè)計的二極管諧振時電路中各個器件參數(shù)值的大小。接著對GaN基的單漂移區(qū)IMPATT二極管進行了諧振電路的搭建，在漂移擴散模型下得到了穩(wěn)定的正弦波輸出。同時對能量平衡模型下的二極管進行了仿真分析。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。并且對漂移擴散模型和能量平衡模型下的二極管的輸出功率等進行了計算比較。得出結(jié)論：當(dāng)對深亞微米IMPATT二極管進行交流分析時，能量平衡模型比傳統(tǒng)的漂移擴散模型精度更高。
　　綜上所述，本文通過對GaN基的IMPATT二極管進行了建模分析，并且分別從漂移擴散模型和能量平衡模型進行了比較分析，加深了我們對太赫茲領(lǐng)域IMPATT二極管的認(rèn)識。同時，GaN基材料的IMPATT二極管表現(xiàn)出的優(yōu)良特性