SiC基IMPATT器件及其振荡器研究.pdf

代号 10701 学号 1017122066

分类号 TN4 密级公开













题(中、英文)目 SiC 基 IMPATT 器件及其振荡器研究



The study on SiC based IMPATT devices and oscillators



作者姓名郭欣指导教师姓名、职务杨林安教授
学科门类工学学科、专业微电子学与固体电子学

提交论文日期二○一三年一月
西安电子科技大学
学位论文独创性(或创新性)声明

秉承学校严谨的学风和优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在
导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标
注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成
果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的
材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说
明并表示了谢意。
申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切的法律责任。

本人签名: 日期:


西安电子科技大学
关于论文使用授权的说明

本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究
生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保
留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或部分内
容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证,毕业后
结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。
(保密的论文在解密后遵守此规定)
本学位论文属于保密,在年解密后适用本授权书。

本人签名: 日期:

导师签名: 日期:
SiC 基 IMPATT 器件及其振荡器研究

摘要

碰撞电离雪崩渡越时间(IMPATT)二极管在毫米波频段能产生最高连续功
率的输出,具有良好的输出特性,是目前最强大的一种微波频率固态源。而与此
同时,第三代半导体材料的发展使得像 SiC 这样禁带宽度大、击穿场强高、热导
率大、电子饱和漂移速度高、抗辐照能力强、稳定性良好的化合物半导体可以成
功用于高频大功率器件的制造,在航空航天、核工业、军用电子等恶劣环境中均
有着广袤的应用前景以及迫切的应用需求。在此背景下,本文以碳化硅(SiC)作
为基底材料,利用 Silvaco-ATLAS 器件仿真平台对 IMPATT 二极管进行了深入性
的研究。主要的研究成果如下:
1、对 IMPATT 二极管的基本工作机理进行了详细的研究,主要论述了其注
入相位延迟和渡越时间效应,理论性分析了 IMPATT 器件的静态特性、动态特性
及功率和频率等相关内容。
2、系统地研究了热学限制、寄生串联电阻限制和噪声限制等这几种影响实
际 SiC 基 IMPATT 二极管输出性能的因素。
3、通过 Sivalco TCAD 软件中的 ATLAS 器件仿真平台,对 SiC 基 IMPATT
二极管进行了几种组成结构的建模及仿真,并获取了器件的直流 I-V 特性及反向
击穿电压。从所得到的曲线图中,我们可以观察到 IMPATT 器件具有明显的负阻
特性,并进一步推出:双漂移型碰撞电离雪崩渡越时间二极管比单漂移型碰撞电
离雪崩渡越时间二极管具有更显著的输出性能。这种 IMPATT 器件的大功率和高
频特性在微波、毫米波器件中有很好的应用前景。
4、在 ATLAS-MixedMode 二维器件电路仿真平台下,我们对双漂移区 SiC 基
IMPATT 二极管搭建其电压源偏置电路,从而进行了其交流特性的模拟及分析。
当外加直流电压为 135V 时,室温下双漂移区 SiC 基 IMPATT 器件的振荡频率是
325GHz,其最大射频功率为 ×1011W/m2,直流到射频的最大转换效率为 14%,
显示出非常良好的输出性能。
综上,本文对 SiC 基 IMPATT 器件进行了仿真角度的详细研究。通过理论分
析及模拟结果,我们得到 SiC 基 IMPATT 二极管可以作为高工作频率,耐高温的
大功率半导体 THz 固态器件,其在 IT 产业和太赫兹应用中具有相当大的优势和
潜力。


关键词:IMPATT 二极管 SiC 负阻特性交流特性太赫兹
摘要
SiC 基 IMPATT 器件及其振荡器研究

Abstract

The impact ionization avalanche transit t