HEMT器件高功率微波损伤的热分析

摘要

高功率微波(HPM, high power microwave)作为强电磁脉冲可以通过“前门”或者“后门”的耦合方式，注入到电子系统并在电子器件或线路上感应产生电脉冲，对电子系统造成损伤。近年来，微波脉冲技术的飞速发展，各国相继将其纳入到国防武器的研发之中，因此HPM对电子系统的损伤研究也会愈发重要。而高电子迁移率晶体管(HEMT, high electron mobility transistor)作为低噪声放大器(LNA, low noise amplifier)的核心部件，HPM极易通过“前门”耦合的方式，经由电子系统的收发天线，感应产生的电脉冲信号对内部的核心HEMT器件造成损伤，甚至破坏整个电子系统的机能。而导致器件损毁最直接的原因是高功率微波信号引起的半导体器件内局部温度过高，产生热损伤，破坏器件结构。所以研究高功率微波注入器件的热损伤机理具有重要的应用意义。本文以δ-掺杂的AlGaAs/InGaAs PHEMT器件作为研究对象，以HPM耦合感应的等效电脉冲信号模型作为注入条件。从数值仿真的角度研究HEMT器件的热损伤机理与注入的等效电脉冲信号参数的关系。以系统热分析和局部热点分析的角度，讨论器件内部的温度变化。并将半导体器件基本原理和数学物理方程相结合，得到了器件内部热点温度变化的数学解析模型表达式。
　　本研究主要内容包括：⑴采用Sentaurus TCAD软件建立HEMT器件结构的软件模型，根据实际器件内部的物理现象，建立并考虑相关数值模型。以HPM注入的等效电脉冲信号模型作为器件栅极注入的仿真条件。并对 HEMT器件的软件模型的静态特性曲线进行验证，建立起HEMT器件的HPM注入的仿真条件和模型基础。⑵以阶跃电压信号注入，模拟恒定功率注入下的HEMT器件内部热效应过程。从系统热传输的角度，建立了等效热路模型，并在考虑了相关边界条件下，探究脉冲注入下器件整体温度瞬态响应。同时考虑多个脉冲注入时器件的温度变化与弛豫时间的关系，分别讨论了升温和降温的过程以及其对应的温度变化方程。论文指出了器件内部热点温度的变化趋势，从局部热分析的角度讨论了脉冲注入的热效应机理。分析得到脉冲注入的两类情况，当注入功率小于损毁阈值时，器件在经过一定时间后，达到热稳态；当注入功率较大时，器件温度由开始的缓慢上升，逐渐达到正反馈温度阈值，温度陡然升高使得器件烧毁。针对器件内部热点处温度的上升趋势建立了数学解析模型，得到了器件内部热点处温度与时间的变化关系，并和仿真结果加以对比验证。⑶以正弦电压脉冲信号作为栅极注入条件，探讨了器件内热点温度与等效信号模型参数的关系，并研究分析了热效应的相关机理。研究表明，HPM等效电脉冲信号注入时，在靠近源极侧的栅极下方柱面处，电场、电流以及温度均出现峰值，为器件内部温度最高的热点。研究探讨了器件热损毁的频率效应，当频率增大，内部变化的电场使得载流子积累时间减少，散热次数增加，更难产生热积累，损毁功率阈值越高。还考虑了脉宽效应，研究表明随着脉冲宽度的增加，器件内部热积累的时间增加，所需要的损毁功率阈值越低。实际的电磁环境中， HPM的注入并非连续的，本文针对重复频率的热效应进行了探究，结果表明脉冲宽度和频率都是器件损伤的敏感参数。当脉冲宽度不变时，随着重复频率的，器件热耗散时间增加，损伤功率阈值增加；由此推测频率不变时，脉宽的增加导致热积累时间增加，热耗散时间减少，器件损毁功率阈值降低。本文将重频的脉冲看作恒定功率输入，研究器件内部温度与重频脉冲的关系，并得到脉冲宽度、重频频率与器件烧毁功率阈值的数学解析表达式。⑷对GaAs PHEMT器件结构建立数学模型，利用复镜像法分别从纵向电场和横向电场对栅极下方的电场强度分布进行计算，得到电场分布的数学解析表达式，并以此计算栅极下方电流密度的解析表达式，分析得到的电场-电流分布的数学解析模型，与仿真结果相接近。因为器件内部热产生的主要方式为焦耳热，从而计算得到器件热点处的注入热功率。本文对热点处的结构进行分析简化，以求出的峰值热功率作为热量注入，求解非齐次一阶偏微分热方程，得到器件热点区域温度的变化曲线，并与仿真结果相对比，两者吻合很好，表明解析模型的精确性和可行性。这对HEMT器件在HPM注入下的热效应分析具有重大意义。

目录

声明

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状和趋势

1.3论文结构及内容安排

第二章 半导体器件HPM效应理论基础

2.1 HPM的产生与耦合机制

2.2 HEMT器件结构与理论

2.3强电磁脉冲防护加固技术

2.4本章小结

第三章 HEMT器件仿真模型构建

3.1 Sentaurus TCAD软件介绍

3.2 HEMT器件模型参数

3.3数值模型

3.4静态工作特性验证

3.5本章小结

第四章 HEMT器件的瞬态热效应分析

4.1 HEMT器件系统热分析

4.2 HEMT器件局部热分析

4.3本章小结

第五章 HEMT器件HPM效应热分析

5.1 GaAs HEMT的HPM效应仿真分析

5.2 HPM热损伤的频率效应

5.3 HPM热损伤的脉宽效应

5.4重频对HPM热效应的影响

5.5本章小结

第六章 HEMT器件HPM热效应的数学解析模型

6.1 HEMT器件的数学建模

6.2栅极下方电场-电流分布解析模型

6.3热点区温度的数学解析模型

6.4温度解析模型验证

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1本文总结

7.2工作展望

参考文献

致谢

作者简介