基于能量平衡模型的GaN太赫兹IMPATT二极管特性研究

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微波固态源器件的研究已经成为高功率器件研究的主要内容之一,随着科学技术发展的不断成熟,碰撞电离雪崩渡越时间二极管(IMPATT)作为最强大的微波固态源器件之一,得到了越来越多的重视和深入研究。同时,随着半导体工艺技术的不断提高,以GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料的制造成为现实。人们越来越多的把新的器件材料的选取集中在宽禁带材料上。本文选取IMPATT器件材料主要是鉴于GaN材料具有宽的禁带,高的饱和漂移速度和高的击穿电场强度等优势。IMPATT二极管作为一种负阻器件,能够产生稳定的正弦波输出。本课题主要是基于器件的负阻特性,在Silvaco的Atlas平台对器件特性进行了深入的研究。主要的研究成果如下:1.对太赫兹领域进行了深入研究,了解了IMPATT二极管当前的研究现状,同时论述了IMPATT二极管的工作机理,包括对击穿特性的分析,静态特性的分析以及温度和空间电荷效应等相关内容的探讨。2.深入的探讨了几种不同的器件模拟模型,对漂移扩散模型,能量平衡模型和流体动力学模型进行了详细的分析,重点分析了能量平衡模型。3.对Silvaco的Atlas仿真平台进行了详细介绍,并且在Atlas平台对两种不同掺杂浓度的单漂移区IMPATT二极管,进行了物理建模,对器件的结构进行了分析,分别计算了漂移区的长度,雪崩区的长度以及最佳工作频率等。同时进行了击穿电压的仿真分析。通过获取IMPATT二极管的I-V特性曲线,提取出了二极管的击穿电压。由器件的外加偏压与感生出的传导电流的曲线图,可以观察到二极管的电流和电压存在一定的相位延迟。这就验证了IMPATT二极管的负阻特性。4.在Atlas的Mixed-mode平台进行了器件的电路级建模分析。首先分析了二极管的谐振条件,得到了本文设计的二极管谐振时电路中各个器件参数值的大小。接着对GaN基的单漂移区IMPATT二极管进行了谐振电路的搭建,在漂移扩散模型下得到了稳定的正弦波输出。同时对能量平衡模型下的二极管进行了仿真分析。分别讨论了能量平衡模型中不同迁移率模型和碰撞离化模型的选取。并且对漂移扩散模型和能量平衡模型下的二极管的输出功率等进行了计算比较。得出结论:当对深亚微米IMPATT二极管进行交流分析时,能量平衡模型比传统的漂移扩散模型精度更高。综上所述,本文通过对GaN基的IMPATT二极管进行了建模分析,并且分别从漂移扩散模型和能量平衡模型进行了比较分析,加深了我们对太赫兹领域IMPATT二极管的认识。同时,GaN基材料的IMPATT二极管表现出的优良特性使得其必将成为未来太赫兹领域最重要的微波固态源。
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