GaInP/GaAs异质结晶体管的无条件稳定特性研究

摘要

由于GaAs HBT功率器件在微波毫米波单片集成电路(MMIC)、高速数字电路、光通信、无线移动通讯基站系统、手机终端系统、军用雷达系统等方面的巨大应用前景，使之成为开发射频及微波功率放大器的主要技术之一。但由于GaAs HBT等功率器件的尺寸较大，输入输出反馈强，会导致功率放大器稳定性低，易于自激振荡，从而困扰器件的建模、测试和应用;而且大尺寸器件也会在IC应用中引起大的功耗与热处理问题。而本文主要针对器件稳定性问题对器件进行优化研究，提出新的解决方法并进行验证。
　　 本课题的研究重点即是探索通过器件物理参数的优化设计，研究GaAs异质结双极晶体管(HBT)功率晶体管的无条件稳定特性，在兼顾器件高频功率增益及输出功率的同时，力图得到从低频（下限频率至少小到1GHz左右）到高频均为无条件稳定的HBT功率器件，从而避免使用外加的稳定网络。
　　 本课题是在实验基础上对器件进行计算机模拟，使用Synopsys Sentaurus TCAD软件对器件进行建模并对模型参数拟合修正，在有了很好的拟合度的基础上我们对器件物理参数进行优化，分析出各主要参数对器件无条件稳定性的影响。我们的主要工作如下:
　　 (1).在实验数据的基础上，选用合适的物理模型，并利用直流特性对器件模型参数进行修正，修正的参数有GaInP禁带宽度、介电常数、GaAs驰豫时间等材料参数，也对所采用的SRH、Auger、Radiative复合模型进行了完善;同时对于各材料介面和表面处的载流子复合进行了定义。通过实验拟合我们得到一套比较符合实际的虚拟器件模型。
　　 (2).研究器件的无条件稳定性，得出稳定因子K。分别改变器件物理参数，分析出每个参数的变化对器件稳定性的影响。本课题分别对器件基区、发射区、集电区的厚度和掺杂浓度对K的影响进行了研究，并进行了等效电路级优化分析。
　　 (3).根据上面的分析结果选取一组物理参数设计GaInP/GaAsHBT，使之能满足我们的稳定性要求。之后给出了该器件的直流、高频特性，说明本课题所提出的方法的可行性。
　　 研究结果表明:
　　 GaInP/GaAsHBT器件物理参数对其稳定性有着很明显影响;通过优化器件各外延层参数本文得到了在Vbe=1.35V，Vce=2.0V的偏置条件下工作频率低至100M的无条件稳定器件，此时fmax=45GHz，功率增益比优化前降低幅度小于20％，说明文中所提方法具有实用价值，并为其他材料类型和器件类型的功率器件的稳定性设计提供有价值的参考。