GaAs HBT稳态电热模型的建立与研究开题报告

HBT、HEMT是微波毫米波领域中非常重要的高速固态器件，其中HBT由于具有功率密度和增益高、相位噪声低线性度好、单电源工作、芯片面积小和价格性能比低等特点，已经逐步发展为MMIC领域中一个非常有竞争力的技术。目前，HBT已被广泛应用于高速光通信系统，如光调制驱动电路、时钟提取、数据恢复、MUX/DEMUX和光接收机电路。

21 世纪以后，随着工艺水平的提高，射频微波技术扮演了越来越重要的角色，GaAs HBT器件及电路在无线通信、雷达、航空航天等领域的应用越来越广泛。射频功率放大器（RF PA）的主要作用是对信号的功率进行放大，是射频有源电路中最重要的部分，在整个无线通信中占据了重要的地位。相比于传统的Si基CMOS工艺来说，GaAs 基集成电路由于其超高的截止频率，已发展成为射频和微波电路设计的重要选择。然而，GaAs HBT 的超高的工作速度，使得其可靠性愈加被人们所重视，如热效应、电磁效应、空间辐射等。

目前，用于功率放大器的材料技术主要包括 SiGe、InP 和 GaN 系，如 GaAs/AlGaAs、 InAlAs/InGaAs 和 AlGaN/GaN。相比于其材料，GaAs 具有以下优点：

1.GaAs 是直接带隙材料，禁带宽度（1.43eV）比 Si（1.12 eV）大。因此 GaAs 器件的抗电磁辐射能力强，可工作在更宽的温度范围内。

2. GaAs 的低电场电子迁移率大约是 Si 的 6 倍。电子迁移率越高，器件的工作频率就越高。因此，GaAs 可用于高频器件。

3.GaAs 电路损耗小、噪声低、功率大、频带宽、动态范围大、附加效率高。

4.GaAs 衬底是半绝缘的，半绝缘的 GaAs 衬底可以实现更好的信号绝缘。因此，在过去十年里，GaAs 成为无线通信和手机功率放大器的主流技术。

GaAs HBT 的高功率密度容易导致器件及电路工作温度的显著升高。增加的器件结温会有以下两个后果：影响器件的电学性能；使自热效应更加严重，缩短器件寿命，影响其可靠性。特别是现代集成电路密度越来越大，功耗密度增大，导致片上温度升高，使得集成电路中热问题越来越突出。

国内对芯片热分析的研究大多集中在 CMOS 集成电路上，然而 CMOS 芯片的功耗密度要远远低于功率电路，通常而言，一个包含了上千个晶体管的 CMOS 数字电路标准单元的功耗仅仅与一个 HBT 功率器件相当适用于较小温升的 CMOS 电路的温度分析方法并不一定同样适用于诸如功率放大器这样的大功率芯片。关于功率器件的温度分析，国外近年来做了很多关于功率器件的热效应分析，如 GaAs HBT, GaN HEMT。但这些研究都仅仅针对于规模较小、热效应问题严重的功率单元。很少有关于 HBT电路的电热分析研究。然而 GaAs HBT功率放大器的自热效应又尤为严重，因此，针对 GaAs HBT功率放大器电路对于HBT自身温度分析显得非常有必要。

研究内容：随着集成度的提高，芯片的功率密度越来越大，从而产生的高温影响越来越明显，而工作温度生变化时，其电特性亦跟随变化，设计性能优异的放大器芯片需要精确的电热耦合模型。本课题拟通过对HBT器件稳态温度分布效应的理论研究，建立热阻分布模型，拟采用COMSOL仿真软件获取结温度以提取模型参数，并验证电热耦合模型的正确性。

预期目标：

（1） 分析、总结HBT器件性特性，了解温度变化与电特性之间的关系研究对HBT器件稳态温度分布效应。

（2） 进行建模方案设计与比对、优化设计方案；

（3） 建立电热耦合模型；

（4） 分析功率单元的散热路径以及常用的改善方法。

（5） 建立热阻分布模型，拟采用COMSOL仿真软件获取结温度以提取模型参数，并验证电热耦合模型的正确性。

拟采用的方法：随着集成度的提高，芯片的功率密度越来越大，从而产生的高温影响越来越明显，而工作温度生变化时，其电特性亦跟随变化，设计性能优异的放大器芯片需要精确的电热耦合模型。本课题拟通过对HBT器件稳态温度分布效应的理论研究，建立VBIC热阻分布模型，拟采用COMSOL仿真软件获取结温度以提取模型参数，并验证电热耦合模型的正确性。

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(1)2022.1.19-2022.2.10网上查阅资料；

(2)2022.2.11-2022.2.16完成外文资料的翻译；

(3)2022.2.17-2022.2.24网上查阅资料；

(4)2022.2.25-2022.3.10完成开题报告

(5)2022.3.20-2022.3.26学习热分流结构的器件模型；

(6)2022.3.27-2022.4.2准备课题研究，软件仿真设计；

(7)2022.4.3-2022.4.9学习利用模型设计改善热分流结构的一般流程；

(8)2022.4.10-2022.4.16借助于COMSOL软件实现设计仿真和温度仿真；

(9)2022.4.17-2022.4.23调整并完善仿真研究；

(10)2022.4.24-2022.4.30资料收集；

(11)2022.5.1-2022.5.7撰写论文提纲；

(12)2022.5.8-2022.5.14总结资料并撰写论文；

(13)2022.5.15-2022.5.21总结资料并撰写论文；

(14)2022.5.22-2022.5.28论文修改；

(15)2022.5.8-2022.6.10论文修改，答辩。