GaN-HEMT器件自热效应研究及其优化
GaN HEMT目前已被广泛的应用在了高频,大功率的条件下,但是就目前而言,工作在大功率条件下的GaN HEMT器件的自热效应,使得器件的有源沟道层的温度升高,影响到器件的工作特性。因此研究由器件自热效应引起的沟道温度的升高的原理和设计合理的热优化方案具有极其重要的科研价值和商业价值。本论文通过使用有限元软件COMSOL建立了三维热模型对器件的自热效应进行了研究和优化。 首先,本论文详细的阐述了有关GaN HEMT的基本的结构和工作原理,从原理上论证了形成自热效应的原理。在此基础上考虑到器件建模过程中半导体材料随温度变化的非线性关系,通过使用Kirchhoff变换将非线性的热传导方程转换为线性方程,使得求解非线性热传导方程成为可能。 其次,本论文通过详细的研究COMSOL中的半导体模块和固体传热模块,构造了二维的HEMT电-热耦合模型,在此基础上研究了器件自热效应对HEMT器件的直流特性的影响,并指出了在仿真三维热模型的时候热源所在的位置。然后,建立了单栅指的HEMT器件的三维热模型,通过与文献比较验证了模型的正确性。在保持半导体材料热导率不变的情况下,从理论上推导了单栅指HEMT器件热阻,并通过仿真得到验证,同时通过对器件的瞬态热特性拟合得到等效热网络。在建立HEMT器件三维热模型的基础上,进一步的研究了影响器件沟道温度的关键因素,发现衬底材料以及厚度是影响沟道温度的关键因素,另外栅极的宽度和长度也会在一定程度上影响沟道温度。 最后,本论文在上述基础之上,首先研究了互热热阻在导致器件沟道温度上升方面的影响,并指出自热热阻是导致沟道温度上升的主因。本文采用金刚石作为集成散热的方法,设计了两种散热结构,仿真表明,在1W功耗的条件下,一种结构使得沟道温度降低达71K,而另一种结构则使得沟道温度降低119.2K。
热等效网络;GaN-HEMT器件;自热效应;优化设计
电子科技大学
硕士
微电子学与固体电子学
周伟
2014
中文
TN302
82
2014-09-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）