新型高頻場(chǎng)效應(yīng)器件特性與建模技術(shù)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代化電子設(shè)備對(duì)半導(dǎo)體器件高性能、低成本、小型化等要求的進(jìn)一步提高，基于寬禁帶半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)以及零禁帶半導(dǎo)體材料石墨烯(Graphene)的新型高頻器件成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。與現(xiàn)有的硅(Si)、砷化鎵(GaAs)等器件相比，新型器件不僅具有更優(yōu)越的性能，而且在器件結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理上也存在較大差距，因此其特性難以用現(xiàn)有模型準(zhǔn)確表征，導(dǎo)致無(wú)法滿足器件制備和電路設(shè)計(jì)的要求。為了加速新型器件在現(xiàn)代化電子設(shè)備中的應(yīng)

2、用，急需對(duì)新型高頻場(chǎng)效應(yīng)器件進(jìn)行特性分析與建模技術(shù)研究。本文主要針對(duì)SiC、GaN和Graphene高頻場(chǎng)效應(yīng)器件中部分關(guān)鍵特性進(jìn)行了分析，并研究了相應(yīng)的建模技術(shù)。
　　 1.4H-SiC MESFET大信號(hào)非線性建模。針對(duì)4H-SiC MESFET由于自熱和陷阱效應(yīng)導(dǎo)致大信號(hào)模型準(zhǔn)確性不足、實(shí)用性不夠等問(wèn)題，本文采用小信號(hào)模型外推非線性模型技術(shù)，通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)直流電壓-電流模型和非線性電容等模型，建立了包含自熱和陷阱效應(yīng)的大信號(hào)

3、非線性等效電路模型，并將其成功嵌入到商用微波仿真軟件安捷倫Advanced Design System(ADS)中，基于國(guó)內(nèi)工藝線的驗(yàn)證結(jié)果表明本文建立的模型具有較高準(zhǔn)確性。其中本文基于微波功率4H-SiC MESFET工作機(jī)理改進(jìn)了傳統(tǒng)小信號(hào)等效電路拓?fù)?，并提出了一種高效的模型參數(shù)提取方法，利用該拓?fù)浜蛥?shù)提取方法建立的模型具有精度高、適用頻帶寬(0～20 GHz)等優(yōu)點(diǎn)。此外，針對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性數(shù)值建模方法中存在過(guò)擬合、需大量

4、訓(xùn)練樣本、耗時(shí)久等問(wèn)題，本文提出并驗(yàn)證了基于支持向量回歸機(jī)的非線性建模方法，利用該方法不僅解決了上述問(wèn)題，而且建立的模型具有更明確的物理意義。
　　 2．GaN HEMT器件高頻噪聲特性與建模。針對(duì)GaN HEMT低噪聲高頻器件雖然應(yīng)用潛力大，但又缺乏準(zhǔn)確噪聲模型指導(dǎo)器件設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，本文利用噪聲參量模型、最小噪聲系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿?shù)值物理模型分別對(duì)GaN HEMT高頻噪聲建模技術(shù)、噪聲機(jī)理和A1組分對(duì)噪聲特性的影響進(jìn)行了研究，得到了

5、基于支持向量機(jī)的噪聲參量模型、準(zhǔn)確的最小噪聲系數(shù)表達(dá)式和A1組分與高頻噪聲特性的關(guān)系等成果和結(jié)論，并針對(duì)GaN HEMT中強(qiáng)極化效應(yīng)，研究了雙異質(zhì)結(jié)GaN HEMT器件高頻噪聲特性，結(jié)果表明雙異質(zhì)結(jié)GaN HEMT相對(duì)于單異質(zhì)結(jié)GaN HEMT具有更優(yōu)越的高頻噪聲性能。其中本文從Boltzmann傳輸方程出發(fā)，提出了源極寄生阻抗模型，并分析了其對(duì)最小噪聲系數(shù)的影響，結(jié)果表明源極寄生阻抗的色散是最小噪聲系數(shù)和頻率存在非線性色散關(guān)系的根本原

6、因。
　　 3．Graphene諧振溝道晶體管(RCT)研究。針對(duì)全背柵晶體管結(jié)構(gòu)的Graphene機(jī)械諧振器由于寄生參數(shù)較大導(dǎo)致高頻機(jī)械信號(hào)讀取困難的缺點(diǎn)，本文利用Graphene FET和機(jī)械諧振器特性，提出了基于本地背柵RCT結(jié)構(gòu)的高頻機(jī)械信號(hào)直接讀取方法，并研究了其工作原理、器件制備技術(shù)和低溫測(cè)試方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明與全背柵結(jié)構(gòu)及其讀取方法相比，本文提出的方法不僅可以同時(shí)獲得諧振器的幅度和相位信息，而且在讀取時(shí)間上縮短了兩