GaN基肖特基二极管I―V特性的ATLAS模拟
2014-AlGaN-GaN异质结构场效应晶体管的I-V特性研究 - 修改版解析
学号：14101601173毕业设计（论文）题目：AlGaN-GaN异质结场效应晶体管的I-V特性研究作者彭坤届别2014学院物理与电子学院专业电子科学与技术指导老师文于华职称讲师完成时间2014.05摘要GaN基电子器件最重要的代表之一是AlGaN/GaN异质结场效应晶体管，这是因为它具有高饱和电流、比较高的跨导和较高的截止频率与很高的击穿电压等独特的物理性质。
该论文正是以AlGaN/GaN异质结的基本物理特性作为研究基础来研究AlGaN/GaN异质结构场效应晶体管的I-V特性。
在考虑到AlGaN/GaN异质结中的自发极化与压电极化效应的物理现象基础上，采用二维物理分析模型计算AlGaN/GaN HEMT 器件的I-V特性，得到了较满意的结果。
关键词：AlGaN/GaN;I-V特性;场效应晶体管,截止频率。
AbstractOne of the most important electronic device representative of the GaN-based AlGaN / GaN heterostructure field effect transistor, because it has a high saturation currents and high transconductance and a high cutoff frequency of the high breakdown voltage, and other unique physical properties. The paper is the basic physical characteristics of AlGaN / GaN heterostructures as a research foundation to study the IV characteristics of AlGaN / GaN heterostructure field-effect transistor. Basic physical phenomena of spontaneous polarization and piezoelectric polarization effects, taking into account the AlGaN / GaN heterostructures on the analysis of two-dimensional physical model AlGaN / GaN HEMT device IV characteristics obtained satisfactory results.Keywords: AlGaN / GaN; IV characteristics; field-effect transistor, the cutoff frequency.目录摘要 (2)Abstract (3)目录 (4)第1章绪论 (5)1.1 GaN材料的物理特性 (5)1.2 GaN材料与电子器件的优势及意义 (6)1.3 国内外对本材料的研究动态 (7)第2章Al(Ga)N/GaN异质结构的基本物理原理 (8)2.1 Al(Ga)N/GaN异质结构的形成 (8)2.2 AlGaN/GaN异质结中二维电子气的产生机理 (8)2.3 二维电子气的分布 (10)第3章Al(Ga)N/GaN 场效应晶体管器件的电流-电压（I-V）特性模型 (11)3.1 二维分析模型 (11)第4章模拟结果图与数值分析 (14)4.1二维模型数值分析结果 (14)第5章结束语与未来工作展望 (15)5.1 结束语 (15)5.2 未来的工作展望 (15)参考文献 (16)致谢 (17)第1章绪论1.1 GaN材料的物理特性GaN材料具有比较宽的直接带隙，高的热导性，化学性质很稳定，因为其有强的原子键，所以化学性质很稳定，因此很难被酸腐蚀，抗辐射能力也很强，所以它在高温大功率器件和高频微波器件研究应用方面领域有着极其广阔的发展潜力。
肖特基二极管参数表
肖特基二极管参数表【原创版】目录一、肖特基二极管概述二、肖特基二极管参数表详解三、肖特基二极管的应用场景四、结论正文一、肖特基二极管概述肖特基二极管，又称为肖特基势垒二极管，是一种金属与半导体接触的整流器件。
它具有很高的工作效率和较低的正向电压降。
肖特基二极管广泛应用于整流、限幅、开关和稳压等电路中。
二、肖特基二极管参数表详解肖特基二极管参数表主要包括以下几个方面：1.最大重复峰值反向电压（VRRM）：表示二极管能够承受的最大重复峰值反向电压。
例如，MBR10200CT 肖特基二极管的 VRRM 为 200V。
2.最大直流闭锁电压（VDC）：表示二极管在最大直流电压下仍能保持导通状态的电压值。
例如，MBR10200CT 肖特基二极管的 VDC 为 200V。
3.最大正向平均整流电流（I(AV)）：表示二极管在最大正向电压下能够通过的平均整流电流。
例如，MBR10200CT 肖特基二极管的 I(AV) 为10.0A。
4.最大瞬时正向电压（VF）：表示二极管在最大正向电流下对应的正向电压。
例如，MBR10200CT 肖特基二极管的 VF 为 0.92V。
5.额定直流阻断电压下的最大直流反向电流（IR）：表示二极管在最大直流阻断电压下能够承受的最大直流反向电流。
例如，MBR10200CT 肖特基二极管的 IR 分别为 0.1mA（TA25）和 20.0mA（TA125）。
6.工作温度和存储温度范围（TJ,TSTG）：表示二极管能够正常工作的温度范围和存储温度范围。
例如，MBR10200CT 肖特基二极管的 TJ,TSTG 为 -65to 175。
三、肖特基二极管的应用场景肖特基二极管广泛应用于以下场景：1.整流电路：将交流电转换为直流电，例如在电源电路中。
2.限幅电路：限制信号波形的幅值，例如在音频处理电路中。
3.开关电路：实现开关控制功能，例如在场效应管开关电路中。
4.稳压电路：稳定输出电压，例如在稳压电源电路中。
硅基肖特基二极管
硅基肖特基二极管硅基肖特基二极管是一种常见的电子元件，具有许多重要的应用。
在本文中，我们将介绍硅基肖特基二极管的工作原理、特性以及一些应用领域。
硅基肖特基二极管是一种由硅材料制成的半导体器件。
它由一个n 型硅和一个p型硅组成，中间夹着一个金属接触层。
与普通的二极管相比，硅基肖特基二极管具有更高的导通电流和更低的反向漏电流。
硅基肖特基二极管的工作原理是基于肖特基势垒的形成。
在正向偏置情况下，p型硅中的空穴通过金属接触层进入n型硅，形成电流。
而在反向偏置情况下，由于肖特基势垒的存在，只有极小的反向漏电流流过。
硅基肖特基二极管具有许多特点，使其在电子电路中得到广泛应用。
首先，它具有较低的开启电压，通常为0.3-0.5V。
这意味着在低电压下，硅基肖特基二极管就可以开始导通，对于一些低功耗应用非常适用。
硅基肖特基二极管具有较快的开关速度。
由于其结构简单，载流子的移动速度较快，使得硅基肖特基二极管能够在高频电路中快速开关，适用于高速数据传输和射频信号处理。
硅基肖特基二极管还具有较低的反向漏电流。
在正常工作条件下，反向漏电流非常小，这减少了功耗和能量损耗。
这使得硅基肖特基二极管成为一种高效的电子元件。
硅基肖特基二极管在许多领域都有广泛的应用。
首先，它常用于功率转换电路中。
由于硅基肖特基二极管具有低开启电压和较快的开关速度，它可以用于开关电源、逆变器和变频器等高效能量转换装置。
硅基肖特基二极管还用于射频信号处理。
由于其快速开关速度和低反向漏电流，它可以用于调制解调器、射频放大器和天线等应用中。
硅基肖特基二极管还用于高速数据传输。
由于其较低的开启电压和快速开关速度，它可以用于光通信系统和高速电路中，实现快速、可靠的数据传输。
总结起来，硅基肖特基二极管是一种重要的电子元件，具有低开启电压、快速开关速度和低反向漏电流等特点。
它在功率转换、射频信号处理和高速数据传输等领域有广泛应用。
通过深入了解硅基肖特基二极管的工作原理和特性，我们可以更好地应用它，推动电子技术的发展。
GaN基太赫兹IMPATT二极管器件特性研究
GaN基太赫兹IMPATT二极管器件特性探究一、引言太赫兹（THz）波段是介于毫米波和红外波段之间的电磁波段，具有高频率、宽带宽、穿透力强等特点，广泛应用于安全检测、无损检测、生物医学等领域。
在太赫兹技术中，二极管是一种重要的器件，IMPATT（Impact Ionization AvalancheTransit-Time）二极管作为一种具有高频特性的二极管器件，被广泛探究和应用。
本文将对GaN基太赫兹IMPATT二极管器件特性进行探究，并探讨其在太赫兹技术中的应用前景。
二、GaN材料特性分析GaN（氮化镓）是一种III-V族化合物半导体材料，具有较大的能隙、高载流子浓度以及高电子迁移率等特点。
这些优点使得GaN材料在高频率、高功率应用中具有较大的优势。
对于太赫兹技术而言，GaN材料的高电子迁移率和高载流子浓度能够提供更高的工作频率和较大的输出功率。
三、IMPATT二极管基本原理IMPATT二极管是一种具有冲击电离雪崩过渡时间等特性的器件。
其工作原理如下：当在受电场作用下，当正向电压超过一定阈值时，电子会获得足够的能量碰撞到晶格中的原子，使其电离形成电子空穴对。
这一过程引起电子空穴对的增加，形成空间电荷区域。
通过引入外部负载，空电荷区域会产生电流，并导致整个器件工作。
四、GaN基太赫兹IMPATT二极管的制备和性能探究（一）制备GaN基太赫兹IMPATT二极管的制备主要包括以下步骤：先通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术在GaN衬底上生长GaN材料，然后通过电子束光刻和离子刻蚀等工艺形成二极管结构。
最后进行金属电极的制备和封装。
该过程需要精密的工艺控制和材料优化，以确保二极管器件的性能满足要求。
（二）性能探究为了探究GaN基太赫兹IMPATT二极管的特性，需要对其电流-电压特性、频率响应、功率输出等进行测试和分析。
试验结果显示，在太赫兹频段，GaN基太赫兹IMPATT二极管能够提供高达数十瓦的输出功率，并具有较高的工作频率和较低的漏电流。
横向AlGaN-GaN肖特基势垒二极管场板结构的模拟研究
分类号：密级：U D C ：编号：工学硕士学位论文横向AlGaN/GaN 肖特基势垒二极管场板结构的模拟研究硕士研究生：李志远指导教师：王颖教授学科、专业：电子科学与技术学位论文主审人：刘云涛副教授哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：U D C ：编号：工学硕士学位论文横向AlGaN/GaN 肖特基势垒二极管场板结构的模拟研究硕士研究生：李志远指导教师：王颖教授学位级别：工学硕士学科、专业：电子科学与技术所在单位：信息与通信工程学院论文提交日期：2017年12月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学Classified Index:U.D.C:A Dissertation for the Degree of M. EngThe Study of field plate of AlGaN/GaN SchottkyBarrier DiodeCandidate:Li ZhiyuanSupervisor:Prof. Wang YingAcademic Degree Applied for:Master of EngineeringSpecialty:Electronic Science and TechnologyDate of Submission:Dec , 2016Date of Oral Examination:Mar , 2017University:Harbin Engineering University哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。
有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。
除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者(签字)：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。
GaN太赫兹肖特基变容二极管倍频效率的研究
GaN太赫兹肖特基变容二极管倍频效率的研究代鲲鹏;张凯;林罡【摘要】本文使用Sentaurus仿真工具对恒定掺杂和渐变掺杂两种典型掺杂的GaN太赫兹肖特基变容二极管进行了仿真研究.着重研究了两种掺杂方式下轻掺杂外延层掺杂浓度对变容二极管的C-V特性和倍频效率的影响.通过数字滤波求解输入频率300 GHz幅值8 V的正弦电压在偏置电压为-8 V时产生的各频率分量,计算出具有不同掺杂浓度的GaN二极管的倍频效率.结果显示,在仿真掺杂浓度范围内并且不考虑外围电路影响的前提下,恒定掺杂的GaN变容二极管的二倍频效率最大值为32.5％,三倍频效率最大值为16.1％;而采用渐变掺杂方式能够显著提高二极管的倍频效率,在仿真的掺杂浓度范围内,二倍频与三倍频效率均最大能提高50％左右.通过理论推导和仿真结果的计算揭示了决定掺杂浓度与倍频效率之间的关系变化趋势的内在因素.本文的研究对GaN肖特基变容二极管的倍频效率进行了理论预测,并提出了渐变掺杂提高倍频效率的解决方案,这对后续的器件设计与制备具有指导意义.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2018(037)012【总页数】8页(P9-16)【关键词】GaN;肖特基变容二极管;太赫兹;恒定掺杂;渐变掺杂;倍频效率【作者】代鲲鹏;张凯;林罡【作者单位】南京电子器件研究所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室, 江苏南京 210016;南京电子器件研究所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室,江苏南京 210016;南京电子器件研究所微波毫米波单片集成和模块电路重点实验室, 江苏南京 210016【正文语种】中文【中图分类】TN771太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好等技术特性，因此受到了世界各国的高度关注。
由于太赫兹频段频率极高，导致可使用的太赫兹源的制造极其困难，太赫兹源成了制约太赫兹技术发展的瓶颈。
目前用来制造太赫兹源的方法之一是利用肖特基二极管(SBD)进行倍频，利用SBD的C-V曲线的非线性使较低频率的信号通过非线性作用产生更高的频率分量。
半导体器件物理简答题
简答题答案：1.空间电荷区是怎样形成的。
画出零偏与反偏状态下pn结的能带图。
答：当p型半导体和n型半导体紧密结合时，在其交界面附近存在载流子的浓度梯度，它将引起p区空穴向n区扩散，n区电子向p区扩散。
因此在交界面附近，p区留下了不能移动的带负电的电离受主，n区留下了不能移动的带正电的电离施主，形成所谓空间电荷区。
PN结零偏时的能带图：PN结反偏时的能带图：2.为什么反偏状态下的pn结存在电容？为什么随着反偏电压的增加，势垒电容反而下降？答：①由于空间电荷区宽度是反偏电压的函数，其随反偏电压的增加而增加。
空间电荷区内的正电荷与负电荷在空间上又是别离的，当外加反偏电压时，空间电荷区内的正负电荷数会跟随其发生相应的变化，这样PN结就有了电容的充放电效应。
对于大的正向偏压，有大量载流子通过空间电荷区,耗尽层近似不再成立，势垒电容效应不凸显。
所以，只有在反偏状态下的PN结存在电容。
②由于反偏电压越大，空间电荷区的宽度越大。
势垒电容相当于极板间距为耗尽层宽度的平板电容，电容的大小又与宽度成反比。
所以随着反偏电压的增加，势垒电容反而下降。
3.什么是单边突变结？为什么pn结低掺杂一侧的空间电荷区较宽？答：①对于一个半导体，当其P区的掺杂浓度远大于N区（即N d>>Na〕时，我们称这种结为P+N；当其N区的掺杂浓度远大于N区（即Na >>岫）时，我们称这种结为N+P。
这两类特殊的结就是单边突变结。
②由于PN结空间电荷区内P区的受主离子所带负电荷量与N区的施主离子所带正电荷的量是相等的，而这两种带电离子是不能自由移动的。
所以，对于空间电荷区内的低掺杂一侧，其带电离子的浓度相对较低，为了与高掺杂一侧的带电离子的数量进行匹配，只有增加低掺杂一侧的宽度。
因此，PN结低掺杂一侧的空间电荷区较宽。
4.对于突变p+-n结，分别示意地画出其中的电场分布曲线和能带图：答：①热平衡状态时：突变p+-n结的电场分布曲线：突变p+-n 结的能带图:注：画的时候把两条虚线对齐。
300v硅基肖特基二极管
300v硅基肖特基二极管硅基肖特基二极管是一种常用的二极管。
它具有非常特殊的电性能，因而被广泛应用于电路中，尤其在高频、高速、低功耗等方面表现出色。
在本文中，我们将详细介绍300v硅基肖特基二极管的结构、特性和应用。
首先，我们来了解硅基肖特基二极管的结构。
硅基肖特基二极管由一个PN结和一个金属-半导体接触组成。
PN结由N型硅和P型硅组成，而金属-半导体接触由金属和N型硅之间的接触形成。
这种结构使得硅基肖特基二极管具有非常特殊的电性能。
接下来，我们来探讨硅基肖特基二极管的特性。
首先，硅基肖特基二极管具有低噪声、低功耗和快速开关速度的特点。
这使其在高频信号放大和快速开关电路中得到广泛应用。
其次，硅基肖特基二极管具有较低的开启电压和较高的反向击穿电压。
这使其能够在较低电压下工作，并且能够承受更高的反向电压，增强了电路的稳定性和可靠性。
此外，硅基肖特基二极管还具有较好的温度稳定性和线性度，不易受温度变化和电压变化的影响。
硅基肖特基二极管的应用非常广泛。
首先，它被广泛应用于高频、高速电路中，例如射频接收器、发射器和混频器等。
硅基肖特基二极管由于其快速开关特性和低功耗特性，能够在高频信号处理中起到关键作用。
其次，它也被应用于功率控制电路中。
由于其较低的开启电压和较高的反向击穿电压，可以更好地控制功率流动，提高电路的效率。
此外，硅基肖特基二极管还被应用于模拟电路和数字电路中。
在模拟电路中，硅基肖特基二极管可以起到限幅和调制的作用，提高信号质量。
在数字电路中，硅基肖特基二极管可以用于逻辑门和存储器等。
总之，300v硅基肖特基二极管是一种具有特殊电性能的二极管。
其低噪声、低功耗、快速开关速度、低开启电压、高反向击穿电压等特点使其在高频、高速、低功耗等方面表现出色。
它被广泛应用于高频信号放大、功率控制、模拟电路、数字电路等电路中，提高了电路的性能和可靠性。
相信随着技术的不断进步，硅基肖特基二极管在未来的应用中将扮演更加重要的角色。
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GaN基肖特基二极管I―V特性的ATLAS模拟
[摘要]GaN基肖特基二极管是一种被广泛应用的GaN 基器件，其具有高击穿电压、高工作频率等优点。
本文用ATLAS器件仿真软件对GaN基肖特基二极管的I-V特性进行了仿真。
分析了界面层厚度以及本征层厚度对器件的I-V特性的影响。
[关键词]肖特基二极管；界面层；本征层；I-V特性
中图分类号：TN86.4 文献标识码：A 文章编号：
1009-914X（2018）28-0336-01
1 引言
GaN作为继Si、GaAs之后的第三代宽禁带半导体材料，以其所具有的高热导率、高热稳定性、高击穿电压、大电子饱和和漂移速度等特点，在高频半导体器件中发展迅速。
GaN 基二极管是非常重要的二极管，尤其是GaN基肖特基二极管和AlGaN/GaN异质结二极管的应用非常广泛，是近几年的研究热点。
GaN基二极管具有导通电阻低、击穿电压高、热导率高、工作频率高等特点，可以工作在复杂的环境中。
肖特基二极管的电学特性与势垒高度有很大的关系，增大势垒高度可以降低暗电流，降低器件的噪声，提高器件的性能。
目前人们找到的有效的提高势垒高度的方法有使用金属-绝缘体-半导体结构（MIS）以及在半导体衬底上加一层比
较薄的反型层等。
本文用ATLAS软件模拟仿真了GaN基肖特基二极管的特性，针对MIS结构的肖特基二极管中，不同的界面层厚度和不同的本征层厚度对器件的V-I特性的影响，从而优化器件结构，提高势垒高度，降低器件中的暗电流，提高器件性能。
2 器件的结构
传统的GaN肖特基二极管有横向结构、纵向结构和台面结构。
横向结构一般用到AlGaN/GaN异质结，所以不用掺杂也会有电流。
但是器件的正向电流密度偏小。
而纵向结构可以产生大的电流。
但反向漏电流也非常大，导致击穿电压与GaN应达到的水平相距甚远。
台面结构具有电流大，与传统的工艺兼容等优点，当然也有电流密度偏小等缺点。
图1是N型肖特基二极管的台面结构示意图。
在衬底上生长形成一个缓冲层，然后依次形成N+型GaN区和不掺杂的本征GaN区，这个未掺杂的本征漂移层和N+型层形成肖特基接触。
在本征层上生长一层薄薄的界面层。
然后再形成欧姆电极和肖特基电极。
在肖特基接触中，正向偏压时，空间电荷区势垒变低，电子容易从N+流向本征区，形成从本征层到N+层的电流；反向偏压时，势垒高度增大，电子很难通过高势垒，从而达到反向截至的目的。
从而实现了器件的单向导通。
3 GaN基肖特基二极管的模拟仿真
肖特基接触中，电流的形成主要依靠多数载流子，其输运?^程主要有电子越过势垒的发射过程、电子穿过势垒的量子隧穿过程、空间电荷区的复合过程、耗尽区电子的扩散过程和空穴的注入扩散过程。
在ALTAS中仿真计算考虑了泊松方程、薛定谔方程、连续性方程、Bethe热电子发射理论和
扩散理论、Auger复合机制以及隧穿效应等等。
在仿真中我
们设置N+区的掺杂浓度为4×1018，本征层的浓度为5×1016，工作的温度为300K。
（1）肖特基二极管的电流的表达式为：
其中A为肖特基接触面积，A*为有效理查德常数，T为工作温度，为势垒高度，R为串联电阻，n为理想因子。
（2）由图3可以看出，开启电压随着界面厚度的增加
逐渐的变大，这是因为界面层的带宽修正了势垒的隧穿系数，从而导致了注入载流子的势垒高度的提高；而正向电流随着界面层的逐渐增加，电流却逐渐变小，这是因为随着势垒高度的提高，正向电流随着降低。
为了探索GaN肖特基二极管的电学特性中的相同界面
层厚度的正向特性，将界面层厚度设置为3.5nm，将本征层厚度分别设置为1.0um，1.5um，1.6um。
（1）界面层厚度不变，改变本征层厚度，当界面层厚
度固定不变时，器件的开启电压基本没有改变，本征层厚度的增加时电流随着而逐渐减小。
这主要是由于本征层厚度增
加时，电场强度不断降低所致。
（2）界面层不变，改变本征层厚度，从图5可以看出，本征层的厚度增加时反向电流有所下降。
4 结论
通过ATLAS软件，对GaN肖特基二极管器件的I-V特性进行了模拟仿真，分析了界面层厚度以及本征层对肖特基器件电学性质的影响。
模拟结果可以看出器件的电流特性主要由界面层决定，自身的电场强度随着界面层厚度的增加而不断提高，自身的暗电流随着界面层厚度的增加而降低，而器件的电场分布主要由本征漂移层来决定，本征漂移层对器件的正向电流有比较明显的影响。
通过模拟仿真我们可以考虑在一定范围内，通过增加界面层厚度和减少本征层的厚度来提高器件的性能，降低暗电流，优化器件结构。
参考文献
[1] 王新华，王晓亮，肖红领，王翠梅，冉军学，AlGaN/AlN/GaN肖特基二极管的电学性能[J]，《半导体学报》，2007（28）。
[2] 欧俊辉，吴宇真等，基于ADS获取肖特基二极管阻抗的迭代方法[J]，《微波学报》，2017（12）。
作者简介：张子砚，女，1979.10，甘肃白银，讲师，硕士研究生，微电子学与固体电子学。
项目基金：贵州省2014年联合基金项目：黔科合LH字
[2014]7181号。