4H-SiC MESFET非线性模型研究

论文摘要

SiC材料具有宽禁带、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等优良特性,这些特性决定了它在高温、大功率、高频和抗辐照等领域的有着广泛的应用前景。4H-SiC金属半导体场效应晶体管（MESFET）具有较宽的频率带宽、高功率密度、大功率和高漏压工作等优越特性,在相控阵雷达、下一代基站以及高温、辐照等极端环境具有广阔的潜在应用,越来越受到人们的重视。本文就4H-SiC MESFET的非线性模型方面进行了研究,主要工作如下:（1）提出了一种基于物理表达式且适用于射频电路CAD工具的4H-SiC MESFET大信号漏电流模型。该模型可以方便的嵌入CAD工具（如ADS软件）,用于评估器件的射频工作特性,同时该模型也可作为设置大信号参数提取程序中的初值。（2）针对4H-SiC MESFET直流电流-电压特性的饱和电压和夹断电压大、漏电压变化范围宽的特点,提出了一种新型的4H-SiC MESFET直流经验大信号I-V模型。模型参数提取采用Levenberg-Marquarkt优化方法进行非线性回归拟合,与Statz、Materka、Curtice-Cubic等常用CAD模型以及最近报道的4H-SiC MESFET经验I-V模型的比较结果表明本文模型具有精度高、初值设置方便、计算速度快、鲁棒性好等优点。（3）从器件的工作机理出发,推导出满足电荷守恒条件的4H-SiC MESFET大信号电容解析模型。并建立了电荷守恒的经验大信号电容模型和一种精确的经验大信号电容模型,这两个模型精度都较高且适合CAD工具应用。（4）结合基于器件工作机理的漏电流解析模型和适用CAD工具的大信号准解析模型,提出了一种新型的4H-SiC MESFET自热效应物理模型。自热效应模型中给出了4H-SiC低场电子迁移率和杂质在4H-SiC的不完全离化率随温度的变化的一种新的简约经验模型,该简约经验模型使包含自热效应的漏电流模型能够嵌入CAD软件,适用于基于CAD工具的4H-SiC MESFET电路设计。（5）基于势函数在器件临界导通区的二维泊松方程解析解,研究了短沟道4H-SiC MEFET的DIBL（漏致势垒降低）效应。提出了一种精确的非对称源漏和高漏压工作的短沟4H-SiC MEFET DIBL效应模型,模型得到了有效验证。根据该DIBL模型,分析了短沟道4H-SiC MEFET器件性能随器件沟道长度与深度比、沟道掺杂浓度和沟道长度的变化关系,对短沟道4H-SiC MEFET器件的设计提供了较好的参考。（6）器件特性测试是模型验证的重要组成部分。针对4H-SiC MESFET的器件高漏压、大功率的直流工作特性,设计了4H-SiC MESFET器件直流特性的测试夹具,并通过栅电压静态偏置于器件的阈值电压以下和栅端、漏端偏压为脉冲电压的脉冲测试法,用大功率直流测试仪器成功测试了4H-SiC MESFET的直流电流-电压特性。设计了4H-SiC MESFET射频小信号和大信号特性的测试板,并利用网络分析仪测试了4H-SiC MESFET射频小信号特性,测试结果可有效的用于4H-SiC MESFET建模和用于指导设计4H-SiC MESFET射频大信号电路设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 SiC材料研究的推动力及其性质
• 1.1.2 主要SiC基器件
• 1.1.3 SiC基器件应用优势
• 1.2 4H-SiC MESFET 器件
• 1.3 国内外相关研究状况及存在的问题
• 1.3.1 国内外的研究现状
• 1.3.2 需要解决的问题
• 1.4 本论文主要的研究工作和创新点
• 第二章 4H-SiC MESFET 直流大信号电流-电压模型
• 2.1 4H-SiC MESFET 大信号等效电路
• 2.1.1 器件基本结构
• 2.1.2 大信号等效电路
• 2.1.3 等效电路的参数提取
• 2.2 基于物理且适合CAD应用的准解析模型
• 2.3 精确经验漏电流模型
• 2.4 小结
• 第三章 4H-SiC MESFET 大信号电容模型
• 3.1 基于物理推导的大信号电容解析模型
• 3.2 4H-SiC MESFET 电荷守恒经验电容模型
• 3.3 4H-SiC MESFET 精确经验大信号电容模型
• 3.4 4H-SiC MESFET 大信号经验模型的应用
• 3.5 4H-SiC MESFET 大信号 CAD 模型的 ADS 实现
• 3.5.1 符号定义器件SDD模块简介
• 3.5.2 4H-SiC MESFET大信号模型在SDD中的实现
• 3.6 小结
• 第四章 4H-SiC MESFET 的自热效应和短沟道效应
• 4.1 适用电路设计的 4H-SiC MESFET 自热效应模型
• 4.2 4H-SiC MESFET 的 DIBL 效应模型
• 4.3 小结
• 第五章 4H-SiC MESFET 器件特性测试
• 5.1 直流I-V特性测试
• 5.2 4H-SiC MESFET 的高频小信号特性测试
• 5.3 4H-SC MESFET射频大信号性能测试
• 5.4 小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果
• 在攻读博士学位期间获得荣誉