基于非等溫能量平衡模型的PHEMT熱特性數(shù)值研究.pdf

1、砷化鎵等化合物半導(dǎo)體器件在高頻率、高帶寬及大功率方面應(yīng)用廣泛，但隨著器件的集成化、微型化的發(fā)展，其功率也在大幅度提高，這就導(dǎo)致半導(dǎo)體芯片局部熱流密度成指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。如果未采取有效的冷卻措施，將導(dǎo)致器件內(nèi)部溫度迅速增高，大大降低電子元器件的使用壽命，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致器件功能失效。因此，需要可靠的建模技術(shù)來(lái)研究大功率半導(dǎo)體器件的電學(xué)和熱學(xué)行為，深入了解其發(fā)熱、散熱機(jī)理，確定熱點(diǎn)位置，進(jìn)而能夠有效地指導(dǎo)器件設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化。
　　本文首先分析

2、了GaAs PHEMT器件的產(chǎn)熱機(jī)理。在高熱流密度條件下，電子主要與光學(xué)聲子進(jìn)行散射，但由于光學(xué)聲子不導(dǎo)熱，需要等光學(xué)聲子退化為聲學(xué)聲子后，由聲學(xué)聲子將能量從最熱的區(qū)域傳遞到其它區(qū)域，完成導(dǎo)熱過(guò)程，該過(guò)程也稱為亞連續(xù)產(chǎn)熱過(guò)程。在此過(guò)程中，載流子的溫度高于晶格溫度，需采用非等溫能量平衡模型來(lái)模擬高熱流密度GaAs PHEMT器件的電學(xué)和熱學(xué)特性。
　　基于所要研究的InGaAs/AlGaAs PHEMT器件，對(duì)于其數(shù)值模擬過(guò)程中所用

3、到的遷移率模型、載流子產(chǎn)生復(fù)合模型、能帶變窄模型、俄歇復(fù)合模型、碰撞電離模型以及熱導(dǎo)率模型進(jìn)行了討論，并計(jì)算了功函數(shù)的大小。借助商用ATLAS TCAD軟件對(duì)InGaAs/AlGaAs PHEMT進(jìn)行數(shù)值模擬，討論了熱邊界條件、器件尺寸和指數(shù)、電學(xué)條件對(duì)器件的電流、電壓特性以及熱點(diǎn)位置和溫度分布的影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，隨著柵極電壓的增大，熱點(diǎn)溫度增加，熱點(diǎn)區(qū)域擴(kuò)大；器件的功率隨著指數(shù)的增加而增大，熱點(diǎn)位置及溫度分布基本不受指數(shù)的影響；

4、隨著襯底對(duì)流換熱系數(shù)的增加，熱點(diǎn)溫度以及器件平均溫度逐漸減小，且熱點(diǎn)溫度與對(duì)流換熱系數(shù)近似呈線性關(guān)系。
　　將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果隨襯底溫度的變化趨勢(shì)相同，但數(shù)值模擬的結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果溫度略高，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所測(cè)得到是PHEMT器件表面的溫度，而模擬得到的是PHEMT器件溝道內(nèi)的溫度，所以數(shù)值模擬的結(jié)果比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果要大，說(shuō)明數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)具有可比性。
　　基于熱學(xué)和電學(xué)系統(tǒng)之間

5、的比擬，前人將物體內(nèi)能與溫度乘積之半定義為火積，其物理意義是物體在一段時(shí)間內(nèi)傳遞熱量的能力。在傳熱過(guò)程中，熱量守恒而火積不守恒，火積的耗散是傳熱過(guò)程不可逆性的量度。在此基礎(chǔ)上，可把火積耗散率與換熱量平方之比定義為熱阻，它可用來(lái)描述多維導(dǎo)熱問(wèn)題。將火積耗散熱阻引入到 PHEMT器件性能的分析中，探討了火積耗散熱阻與器件傳熱性能的關(guān)系。研究表明，當(dāng)器件的襯底溫度增加時(shí)，器件的溫度增加，使得半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率減小，進(jìn)而使得器件的導(dǎo)熱能力下降，火積