微波功率HBT自加熱和熱耦合效應(yīng)的補(bǔ)償及抵消技術(shù)研究.pdf

1、異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)具有高輸出功率、優(yōu)異的高頻特性、較寬的線性和高的效率，廣泛適用于功率放大器、雷達(dá)、通訊及電子戰(zhàn)系統(tǒng)、微波振蕩器和A/D轉(zhuǎn)換器等，并扮演著越來越重要的角色。HBT功率應(yīng)用時，通常采用多發(fā)射極指結(jié)構(gòu)來改善電流處理能力和散熱能力。然而，由器件自身耗散功率引起的自加熱效應(yīng)及各個發(fā)射極指間熱耦合效應(yīng)將導(dǎo)致器件中心發(fā)射極指溫度較高。又由于器件發(fā)射極電流具有正溫度系數(shù)，中心指將傳導(dǎo)更多的電流，產(chǎn)生更多的熱，最終可能產(chǎn)生局部熱

2、斑，甚至熱燒毀。特別地，隨器件尺寸的不斷縮小，隨現(xiàn)行SOI技術(shù)的不斷采用，介質(zhì)在器件深槽隔離技術(shù)中的不斷應(yīng)用，都使得熱阻不斷增加，進(jìn)一步加劇了自加熱效應(yīng)和熱耦合效應(yīng)對器件的影響，嚴(yán)重限制了HBT高功率處理能力。 本文從理論與實(shí)驗(yàn)上研究了補(bǔ)償和抵消自加熱和熱耦合效應(yīng)的措施，特別是通過HBT本身設(shè)計(jì)(非均勻發(fā)射極指間距、非均勻發(fā)射極指長設(shè)計(jì))和優(yōu)化鎮(zhèn)流電阻，來補(bǔ)償自加熱和熱耦合效應(yīng)，提高器件特性的穩(wěn)定性，最大限度地發(fā)揮HBT功率處理

3、能力。本論文主要工作有： 首先，基于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程，首次在考慮了多指HBT各發(fā)射極指上溫度分布不均勻性、材料熱導(dǎo)率隨溫度變化以及熱耦合存在的情況下，建立了具有熱電反饋的多指功率HBT表面溫度分布的物理模型，使HBT表面溫度分布模擬更加符合實(shí)際，為研究HBT自加熱和熱耦合效應(yīng)及其補(bǔ)償技術(shù)奠定了良好基礎(chǔ)； 其次，本文對具有非均勻發(fā)射極指間距結(jié)構(gòu)的多指HBT的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。首次提出分組微調(diào)法來設(shè)計(jì)非均勻發(fā)射極指間距(NU

4、SE)分布，達(dá)到有效改善HBT表面溫度分布的目的，并首次給出了多指功率HBT的非均勻發(fā)射極指間距的設(shè)計(jì)方法。與此同時，上述分組微調(diào)法也可以應(yīng)用于具有非均勻發(fā)射極指長結(jié)構(gòu)的多指HBT的設(shè)計(jì)和具有非均勻發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻結(jié)構(gòu)的多指HBT的設(shè)計(jì)中。 第三，本文對具有非均勻發(fā)射極指長結(jié)構(gòu)的多指HBT的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。并采用分組微調(diào)法對非均勻發(fā)射極指長(NULE)分布進(jìn)行設(shè)計(jì)。為有效縮短設(shè)計(jì)時間，便于器件設(shè)計(jì)，首次給出了依所需器件表面溫度

5、分布要求的不同而采用的發(fā)射極指長變化的解析表達(dá)式(即線性分布、二項(xiàng)式分布和指數(shù)分布)。同時，給出了多指功率HBT的非均勻發(fā)射極指長的設(shè)計(jì)方法。 第四，在全面考慮發(fā)射結(jié)電壓、電流增益隨溫度變化，重?fù)诫s禁帶變窄效應(yīng)和異質(zhì)結(jié)存在的情況下，給出了功率HBT熱穩(wěn)定工作所需最小發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻表達(dá)式。在此基礎(chǔ)上，對多指HBT進(jìn)行了均勻發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻(URE)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和非均勻發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻(NURE)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并給出了多指功率HBT的非均勻發(fā)射

6、極鎮(zhèn)流電阻的設(shè)計(jì)方法。 立足國內(nèi)現(xiàn)有工藝條件和材料生長條件，采用上面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對具有NUSE結(jié)構(gòu)、NULE結(jié)構(gòu)和URE結(jié)構(gòu)的多指功率SiGe HBTs進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制作和基本參數(shù)測試。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的均勻設(shè)計(jì)(UES設(shè)計(jì))相比，除URE設(shè)計(jì)略有影響外，NUSE設(shè)計(jì)和NULE設(shè)計(jì)對器件的直流參數(shù)基本無影響。 本文在不同偏置電壓和環(huán)境溫度下對具有NUSE結(jié)構(gòu)、NULE結(jié)構(gòu)和URE結(jié)構(gòu)HBTs的集電極電流(Ic)-發(fā)射結(jié)電

7、壓(VBE)關(guān)系曲線進(jìn)行了測試，并對上述三種結(jié)構(gòu)改善多指功率HBT熱穩(wěn)定性的情況進(jìn)行了比較和分析。與傳統(tǒng)的UES設(shè)計(jì)相比，上述三種設(shè)計(jì)均可有效改善功率HBT的熱穩(wěn)定性。此外，本文還從不同結(jié)構(gòu)HBTs的Ic-VBE曲線中提取器件熱阻進(jìn)行定量比較。結(jié)果表明，NUSE結(jié)構(gòu)對熱阻的改善最為明顯，NULE結(jié)構(gòu)次之。同時，NUSE結(jié)構(gòu)和NULE結(jié)構(gòu)均可有效提高器件熱不穩(wěn)定時對應(yīng)的功率水平。 最后，通過紅外溫度測試直觀、明了地驗(yàn)證了上述三種設(shè)