InP基HEMT器件非线性模型研究

摘要

InP基高电子迁移率晶体管（HEMT）具有优异的电子迁移率、噪声、增益和功率特性，成为最具竞争力的高频半导体器件之一，广泛应用于国防航天、空间探测以及卫星遥感等军民空间领域之中。器件模型是连接制备工艺到实际应用的桥梁，要求完成对电路性能的准确预测和可实施性评估。针对InP基HEMT辐照环境应用，精确的器件辐照模型可正确预估辐照对集成电路芯片造成的偏差，并指导抗辐照冗余设计。本论文建立了InP基HEMT器件常规工作状态非线性等效电路模型并针对电子辐照建立了辐照直流模型。具体研究成果如下： 1.InP基HEMT器件非线性等效模型建立。器件沟道电子浓度随着栅偏压增加而增加，最终因为固定的掺杂浓度达到饱和。本文采用双曲正切函数描述器件膝点电压随着栅电压的变化趋势。器件栅电容随着栅偏压先增加到峰值，而后会因为饱和沟道电流而逐渐减小。本文采用分段函数描述栅电容随着偏压的变化关系，引入三次多项式描述栅电容随着偏压下降的趋势。通过变量膝点电压的引入，模型直流特性拟合误差（eDC）减小1.02%；分段电容特性使得交流特性拟合误差在不同栅偏压下都有明显减小。改进的模型更加适合于InP基HEMT器件。 2.InP基HEMT器件非线性辐照直流模型建立。通过研究不同剂量电子辐照对器件肖特基特性、转移特性和输出电流的影响，建立相应辐照模型。肖特基栅反向饱和电流及理想因子随着辐照因子的增加呈现指数增加的趋势；转移特性随着辐照剂量负向移动，且随着辐照剂量增加呈减小趋势；随着辐照剂量增加，输出电流特性中kink效应减弱。在InP基HEMT器件非线性半经验模型中，引入各参数与辐照因子变化的指数关系，建立了器件肖特基和转移特性模型；同时在模型中引入不同辐照剂量下Kink效应的斜率M建立了输出电流辐照模型，模型仿真与实测数据拟合良好。 InP基HEMT器件大信号模型的建立有助于推进其毫米波集成电路的研制，其辐照模型更将促进器件及相关集成电路空间领域应用。

目录

声明

1 绪论

1.1 前言

1.2 国内外InP基HEMT器件的发展

1.2.1 国外发展现状

1.2.2 国内发展现状

1.3 InP基HEMT器件模型的发展现状

1.4 本文研究内容及安排

2 InP基HEMT器件工作原理

2.1 器件基本工作原理

2.1.1 HEMT器件基本结构

2.1.2 异质结及二维电子气

2.2 InP基HEMT器件电学特性

2.2.1 电流-电压关系

2.2.2 跨导特性

2.2.3 输出电导

2.2.4 电流增益截止频率（fT）

2.2.5 最高振荡频率（fmax）

2.3 去嵌和校准技术

2.4 本章小结

3 InP基HEMT器件非线性等效电路模型研究

3.1 InP基HEMT器件非线性等效模型的建模流程

3.2 InP基HEMT器件小信号等效建模

3.2.1 寄生参数提取

3.2.2 本征参数提取

3.3 InP基HEMT器件大信号模型研究

3.3.1 肖特基模型

3.3.2 转移特性模型

3.3.3 输出特性（I-V）模型

3.3.4 交流特性（C-V）模型

3.3.5模型验证

3.4 本章小结

4 InP基HEMT器件非线性辐照模DC型研究

4.1辐照损伤原理及实验

4.1.1辐照损伤原理

4.1.2辐照实验

4.2辐照对肖特基特性的影响

4.3 InP基HEMT器件转移特性模型

4.4 InP基HEMT器件输出特性模型

4.5 本章小结

5 总结及展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

个人简历

致谢