多指功率異質結電晶體的高均勻表面溫度分布設計方法

《多指功率異質結電晶體的高均勻表面溫度分布設計方法》是依託北京工業大學，由金冬月擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：多指功率異質結電晶體的高均勻表面溫度分布設計方法
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：金冬月
• 依託單位：北京工業大學

項目摘要

功率異質結電晶體(HBT)通常採用等指長、等指間距的多發射極指結構來改善電流處理能力，然而由器件自身耗散功率引起的自熱效應及各指間的熱耦合效應將導致中心區域各指溫度較高，器件表面溫度分布極其不均勻，引起器件熱不穩定、形成熱斑，甚至熱燒毀，嚴重限制了器件高功率工作。本課題將從理論與實驗上全面研究多指功率HBT高均勻表面溫度分布設計方法，基於我們先前研發的初級熱分析模型，在考慮發射極指二維熱分布不均勻及眾多參量影響的基礎上，建立更為細緻的用於研究器件表面溫度分布的多指功率HBT熱分析物理模型。為了更精確的表征器件的熱穩定性，針對熱分布的不均勻性，提出面向二維溫度分布不均勻的表征方法，即熱穩定矩陣[Sij]。在此基礎上，研究採用非均等的指長、指間距和多指分段結構的聯合技術實現器件在二維平面上高均勻表面溫度分布的設計方法。本課題對設計和製造高功率、高集電極附加效率的功率HBT具有重要的理論意義。

結題摘要

異質結雙極電晶體（HBT）在具有高電流處理能力、大電流增益和高厄利電壓的同時，還具有優異的高頻特性，現已廣泛套用於行動電話、藍牙、衛星導航、相控陣及汽車雷達等微波功率領域。功率HBT通常採用等指長、等指間距的多發射極指結構來改善電流處理能力，然而由器件自身耗散功率引起的自熱效應及各指間的熱耦合效應將導致器件表面溫度分布極其不均勻，產生電流增益“倒塌”現象，退化器件的工作特性（如電流增益、功率增益、特徵頻率等），引起電路漂移，使器件和電路處於熱不穩定狀態，嚴重限制了器件的高功率工作。本課題從理論與實驗上全面研究了多指功率HBT高均勻表面溫度分布設計方法。 在熱分析模型建立方面，充分考慮了發射極指二維平面（即指長和指寬方向）上熱分布不均勻及材料熱導率和電流增益隨溫度變化、重摻雜禁帶變窄效應(ΔEg)和異質結(ΔE)的影響，首次建立了更為細緻的多指功率HBT熱分析物理模型，並開發出一系列具有自主智慧財產權的熱分析模擬軟體。分析了指長、指間距、分段結構及其分布等器件橫向參數和熱導率、襯底厚度等縱向參數對溫度分布的影響，為通過有機調整、最佳化器件結構實現高均勻性的表面溫度分布提供了理論指導。 在熱穩定理論研究方面，考慮到熱分布的不均勻性，提出採用二維熱阻矩陣[Rij]來表征和研究多指功率HBT的自熱和熱耦合效應，並研究了影響[Rij]中自熱熱阻和耦合熱阻的相關因素。同時，國際上首次提出面向二維溫度分布不均勻的表征熱穩定性的方法，即熱穩定矩陣[Sij]。通過設非均等的發射極指長、指間距和分段結構，最佳化器件的耦合熱阻，減小Sij值，實現了提高功率HBT熱穩定性和改善溫度分布均勻性的目的。 在器件結構設計方面，考慮到熱電反饋的影響，從電學角度通過最佳化器件縱向結構（以SiGe HBT為例，最佳化基區Ge組分），使電流增益隨溫度變化不敏感，達到削弱熱電反饋，改善器件熱穩定性的目的。在此基礎上進一步從熱學角度採用非均等的指長、指間距和多指分段結構的聯合技術實現器件在二維平面上的高均勻表面溫度分布設計。課題進展順利，已獲得具有自主智慧財產權的高均勻表面溫度分布、寬溫區高熱穩定性的功率SiGe HBT器件，形成了新型高均勻表面溫度分布功率HBT的一整套設計方法和設計流程，達到了預期研究目標和任務。