InPHBT器件及电路热学问题研究

摘要

无线通信和移动设备需求的快速增长，加速了人们对于毫米波器件和电路的研究。特别是21世纪以后，随着工艺水平的提高，InP HBT器件及电路在无线通信、雷达、航空航天等领域的应用越来越广泛。相比于传统的Si基CMOS工艺来说，InP基集成电路由于其超高的截止频率，已发展成为射频和微波电路设计的重要选择。然而，InP HBT的超高的工作速度，使得其可靠性愈加被人们所重视，如热效应、电磁效应、空间辐射等。InP HBT的高功率密度容易导致器件及电路工作温度的显著升高。增加的器件结温会有以下两个后果：影响器件的电学性能；使自热效应更加严重，缩短器件寿命，影响其可靠性。特别是现代集成电路密度越来越大，功耗密度增大，导致片上温度升高，使得集成电路中热问题越来越突出。所以，对于超高速的InP HBT器件和电路的热分析研究是十分必要的。
　　本研究主要内容包括：⑴介绍了ISE仿真中所用到的热力学模型，同时考虑到InP材料热导率与温度的非线性关系，通过MATLAB将InP材料热导率与温度的幂指数关系转化为仿真中需要的二次多项式形式，确定了仿真中所使用的InP材料热导率模型。通过建立InP HBT器件二维热力学模型对器件工作时内部热量进行了仿真。分析器件的焦耳热和温度分布，确定热源位置。⑵利用国际上主流分析方法-有限元方法，借助ANSYS软件建立器件的三维仿真模型。将材料热导率随温度的非线性变化考虑在内，根据第二章中利用ISE所建立器件二维电热模型，将InP HBT器件电子焦耳热峰值位置的仿真结果作为器件热源的位置加载在三维有限元模型中。利用有限元方法对热学方程进行数值求解，得出InP HBT器件正常工作的内部温度分布细节。然后，利用该模型对影响器件结温/热阻的关键因素进行仿真分析，研究减小InP HBT器件结温/热阻的有效措施，对其进行热学优化设计。⑶对一款InP HBT动态分频器进行芯片版图的温度分析。采用等效思想，将芯片版图转化为ANSYS里的三维电热模型，分析电路正常工作的温度分布细节，并从热学角度对电路提出优化设计方案。

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第一章 绪论

1.1 InP HBT器件及电路的发展

1.2 InP HBT器件及电路热学研究的必要性

1.3 器件及电路热分析现状

1.4本文的主要工作

第二章 热物理基础理论与其数值模拟方法

2.1热传导的微分方程及边界条件

2.2基于有限元方法的温度场数值模拟理论及主要流程

2.3 基于ISE的热力学模型介绍

2.4本章小结

第三章 InP HBT器件自热效应仿真

3.1 InP HBT器件的基本原理

3.2 InP HBT二维自热模型仿真

3.3 InP HBT 3D有限元热模型仿真

3.4 InP HBT器件热阻分析

3.5影响InP HBT器件结温的关键因素

3.6降低器件结温和热阻的有效措施

3.7本章小结

第四章InP HBT动态分频器芯片温度研究

4.1动态分频器版图的热分析方法

4.2 动态分频器芯片建模及仿真

4.3本章小结

第五章 结束语

致谢

参考文献

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