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體器件在高頻率、高帶寬及大功率方面應用廣泛，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，這就導致半導體芯片局部熱流密度成指數(shù)級增長。如果未采取有效的冷卻措施，將導致器件內(nèi)部溫度迅速增高，大大降低電子元器件的使用壽命，嚴重的還會導致器件功能失效。因此，需要可靠的建模技術(shù)來研究大功率半導體器件的電學和熱學行為，深入了解其發(fā)熱、散熱機理，確定熱點位置，進而能夠有效地指導器件設計及參數(shù)優(yōu)化。
　　本文首先分析

2、了GaAs PHEMT器件的產(chǎn)熱機理。在高熱流密度條件下，電子主要與光學聲子進行散射，但由于光學聲子不導熱，需要等光學聲子退化為聲學聲子后，由聲學聲子將能量從最熱的區(qū)域傳遞到其它區(qū)域，完成導熱過程，該過程也稱為亞連續(xù)產(chǎn)熱過程。在此過程中，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模擬高熱流密度GaAs PHEMT器件的電學和熱學特性。
　　基于所要研究的InGaAs/AlGaAs PHEMT器件，對于其數(shù)值模擬過程中所用

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

4、隨著襯底對流換熱系數(shù)的增加，熱點溫度以及器件平均溫度逐漸減小，且熱點溫度與對流換熱系數(shù)近似呈線性關(guān)系。
　　將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較，結(jié)果表明，實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果隨襯底溫度的變化趨勢相同，但數(shù)值模擬的結(jié)果比實驗結(jié)果溫度略高，這是因為實驗所測得到是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)果比實驗的結(jié)果要大，說明數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗具有可比性。
　　基于熱學和電學系統(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間內(nèi)傳遞熱量的能力。在傳熱過程中，熱量守恒而火積不守恒，火積的耗散是傳熱過程不可逆性的量度。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，它可用來描述多維導熱問題。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，當器件的襯底溫度增加時，器件的溫度增加，使得半導體的熱導率減小，進而使得器件的導熱能力下降，火積