基于磷化铟材料的三端电子器件建模研究

摘要

InP基高电子迁移率晶体管（HEMT）由于自身具有高的电子迁移率、高的功率增益、低的噪声系数以及低功耗等特点，成为毫米波单片集成电路（MMIC）以及太赫兹单片集成电路（TMIC）领域最理想的三端电子器件之一。而在MMIC或者TMIC的设计过程中，建立准确的器件模型是至关重要的。本文基于自主研发的 InP基 HEMT器件，利用多种测试手段获取器件的直流性能、交流性能、脉冲性能，综合研究了器件模型的由来并建立了准确的小信号模型。随后研究了陷阱电荷给器件带来的一些影响。最后在前面两部分的研究内容的基础上利用EEHEMT模型，对器件的大信号模型进行了研究，从而获得了一个较为准确的器件大信号模型。取得的研究成果如下：
　　1.根据对InP HEMT器件原理的综合分析，利用传统的16个参数的HEMT器件小信号模型，优化了提取本征参数的算法。在Dambrine提出的本征Y参数公式基础上，直接推导了器件模型的本征元件参数，相比较Dambrine引入一个假设条件而得到的计算结果更为精确。
　　2.由于 InP HEMT器件本身固有的一些效应，在某些偏置电压下测得的 S参数会发生一些反常的现象。此时传统16个参数的小信号模型无法拟合。根据对器件物理和二端口网络知识的分析，引入两个特殊的支路进入传统的小信号模型。根据传统模型和新模型的对比，可以看出新模型能更好地模拟器件的小信号特性。
　　3.对于 HEMT器件存在的陷阱电荷问题，通过脉冲 IV测试装置对器件输出电流的测试，表征了输出电流受脉冲宽度和栅端静态电压的影响规律。从而揭示了器件内部的陷阱电荷对电流崩塌现象的作用机制，为下一步建立大信号模型中对器件陷阱电荷的考虑提供了理论基础。
　　4.针对国内缺乏大信号模型指导电路设计的现状。以EEHEMT模型作为基础，利用IC-CAP软件来对器件的大信号模型参数进行提取，然后在 ADS软件工具里进行优化仿真，最终建立了一个较为准确的InP HEMT器件的大信号模型，该模型能够很好地拟合器件的直流性能和交流性能。为下一步InP HEMT器件在MMIC电路中的设计打下了基础。

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第一章 绪 论

1.1 前言

1.2 InP HEMT器件的发展与现状

1.3 InP HEMT器件模型的发展与现状

1.4 研究目的与意义

1.5 本论文的主要研究内容

第二章 InP HEMT器件

2.1 HEMT器件原理

2.2 器件结构与工艺

2.3 器件性能表征

2.4 本章小结

第三章 小信号模型的建立

3.1 小信号模型的介绍

3.2 寄生参数的提取

3.3 本征参数的提取

3.4 小信号模型的建立

3.5 小信号模型的改进

3.6 本章小结

第四章 陷阱电荷对射频器件建模的影响研究

4.1 HEMT器件中Trap的起源以及给器件带来的影响分析

4.2 脉冲IV测试方法

4.3 HEMT器件中Trap的探测以及表征

4.4 本章小结

第五章 大信号模型的建立

5.1 InP HEMT器件的大信号拓扑

5.2 大信号模型的建立与验证

5.3 本章小结

第六章 结论

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士期间的研究成果