大功率输出应用中HBT器件热优化设计与优化开题报告

HBT，异质结双极型晶体管（HeterojunctionBipolar Transistor），它是由发射区、基区和集电区由禁带宽度不同的材料制成的晶体管，其与传统的双极晶体管不同，HBT的发射极材料不同于衬底材料，而后者的整个材料是一样的，因而称为异质结器件。HBT的发射极效率主要由禁带宽度差决定，几乎不受掺杂比的限制，这就大大增加了晶体管设计的灵活性。异质结双极型晶体管是纵向结构的三端器件，发射区采用轻掺杂的宽带隙半导体材料（如GaAs、InP），基区采用重掺杂的窄带隙材料（如AlGaAs、InGaAs）。

作为射频功放领域最为广泛使用的晶体管器件,HBT异质结双极型晶体管的优势来源于其能带的不连续性。异质结是指不同材料之间形成的半导体结。HBT发射区采用宽禁带材料、而基区采用相对窄禁带材料，因而在发射结处形成异质结，自发形成内建势垒，阻止电子从基区向发射区注入，从而形成高发射效率，即使在发射区浓度小于基区浓度的情况下亦是如此。

然而任何事物并不都是十全十美的。由于其优异的高频电输出特性、较宽的线性和高输出功率而被广泛的应用于射频功率放大器的设计、雷达的设计和通讯等领域，而且随着科技的发展，HBT的作用将会越来越大。然而由于器件和电路的自身消耗功率，从而引起晶体管产生严重的热效应，进而使功放性能退化，特别是随着半导体器件的不断缩小，电流密度又因人工原因而增加以及介质在器件隔离技术当中的不断应用，热阻和耗散功率都在不断增加，导致热效应对晶体管等器件的影响更为显著。在无法降低热效应影响的前提下，器件工作特性，如电流增益、功率增益、特征频率等会受到波及，容易引起器件和电路特性飘移，甚至会烧毁元器件，造成不可挽回的结果。

放大器由于电能与热能之间的转换而温度升高，在放大器正常工作时，因其效率很有限，电能仅有部分转化为射频信号输出，而其余的能量就转化为电路产生的热能，从而影响放大器输出特性，也就是热效应出现的原因。热效应一直是HBT功率放大器设计和研究中的难点，因为它涉及到热学领域和电学领域，具有很高的附加价值。目前， 设计功率放大器通常忽略热效应因素或者直接采用别人的经验设计方案，为了得到高性能的功率放大器，研究射频HBT功率放大器的热效应具有重要意义。为得到优良性能的射频功放，我们应解决热效应瓶颈问题，而解决热效应问题最根本的方法就是使HBT器件产生的热量减少。

热功耗导致HBT晶体管温度的上升，其实质为电子、空穴以及半导体晶格组成的热动力系统发生变化。HBT工作于放大状态时，基极-集电极之间的耗尽结产生的电场最大，在强电场作用下，载流子被加速并从电场中获得能量，致使其平均能量比平衡时高出很多，从而载流子的温度升高。此过程是焦耳热产生的过程，也是HBT器件中主要的热生成机制。

由于HBT器件的结构及主要热生成机制的原因，我们使用了一种重掺杂区的次集电极掺杂浓度渐变增加至最大掺杂容量（以集电区掺杂浓度为基准）的方式。相较于浓度突变的集电极-次集电极区域情况，当集电极区域耗尽区逐渐向次集电极区域延伸时，由于其浓度变化缓慢，因此耗尽区更容易向次集电极区域延伸，从而其峰值电场增加不明显。电场峰值将减小，从而减小热源的产生，优化自热效应。

主要研究内容：

HBT器件由于其优异的高频功率特性而广泛应用于射频功放设计。由于GaAs材料的散热性能较差，大功率输出产生严重热效应，致使器件性能退化。为得到优良输出性能的功率器件，应解决热效应瓶颈问题。本课题拟通过对HBT器件内部热生成机制研究，分析掺杂浓度、电流密度、电场强度等因素对热源大小的影响，进而通过优化次集电极结构减小热源。借助于仿真软件Silvaco，得到自热效应优异的HBT优化结构。

预期目标：

（1）分析、总结HBT器件与BJT器件的区别，重点关注异质结要求与放大倍数的关系，对基区掺杂的影响；

（2）分析热生成原因，理解焦耳热的微观表达式；

（3）对热源大小的影响因素进行分析，设计一款热优化HBT结构并给出仿真结果；

（4）提交毕业论文一份以及相关英文文献翻译一份

拟采用的方法：

焦耳热是HBT器件中主要的热生成机制，而焦耳热的生成与电场强度和电流密度密切相关：P=J*E。因为HBT器件的结构使得其几乎不受掺杂比的影响，所以我们尝试在不同浓度掺杂下研究掺杂浓度，电场强度，电流密度的关系以及对热量生成的影响。

步骤：

1、借助仿真软件Silvaco研究电场强度、电流密度的分布与变化；

2、在不同浓度掺杂的HBT器件中观察并记录温度变化；

2、使次集电极使用渐变增加的掺杂浓度从而改善热源；

3、使用Silvaco得到仿真结果。

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（1）2022.1.19-2022.3.10 查阅资料，完成开题报告，完成外文资料的翻译;

（2）2022.3.11-2022.3.20了解HBT器件结构，总结与BJT的区别，准备课题研究软件仿真设计；

（3）2022.3.21-2022.3.20 围绕热生成原因展开研究，理解焦耳热微观表达式，对热源影响因素进行分析，提出本文的设计方案并进行仿真设计与调试；

（4）2022.4.21-2022.5.20 调整并完善仿真设计，资料收集，撰写论文提纲;

（5）2022.5.21-2022.6.1 总结资料并撰写论文;

（6）2022.6.2-2022.6.10 论文修改，答辩。