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射频功率LDMOSFET中的热累积效应研究

作　者: 任振
导　师: 尹文言
学　校: 上海交通大学
专　业: 电磁场与微波技术
关键词: 热累积效应热击穿区域 LDMOSFET 电磁脉冲周期脉冲时域有限元
分类号: TN386.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

摘要随着射频集成电路的迅速发展,射频功率器件在个人消费类电子、移动通讯设备、乃至军用雷达上的需求都在与日俱增。由于现有的射频功率器件大都存在工艺复杂,造价昂贵的特点,所以迫切需要一种工艺简单,造价低廉且易于集成的功率器件来满足市场的需求。由于横向双扩散金属氧化物场效应晶体管(LDMOSFET)具有良好的电学特性和射频表现,并且可以与标准CMOS工艺完全兼容,因而在射频集成电路中得到了越来越广泛的应用[1]-[5]。然而,作为功率器件,器件自身的热效应越来越成为影响器件正常工作的重要因素。在某些情况下,半导体器件或电路必须工作在电磁脉冲(EMP)干扰之下。特别地,当一个高功率电磁脉冲(HEMP)突然注入器件时,会导致器件内部电场强度过大或温度升高超过正常工作阈值温度,从而产生电击穿或热击穿。为了确定EMP参数对半导体器件的干扰及损伤程度,通常情况下可以采用试验测试和理论研究的方法。但是由于受到器件、系统的复杂性和电磁环境诸多因素的限制,准确的试验非常困难,因此有必要从理论上研究电磁脉冲对电子系统的破坏机理,而电子系统的基本组成部分是半导体器件,所以首先要对半导体器件进行研究。本文将运用理论研究的方法分析LDMOSFET在电磁脉冲影响下的热效应。通过有限元方法对典型LDMOSFET进行瞬态电-热建模仿真,获得电磁脉冲影响下LDMOSFET器件的热效应,以分析不同参数电磁脉冲对器件的干扰和损伤程度。本文的主要研究内容如下:第二章将分析LDMOSFET的基本结构及特点。对典型的LDMOSFET进行器件结构建模。第三章将介绍半导体器件二维仿真的理论基础,包括器件参数和模型建立所需的基本方程和边界条件;建立二维稳态和瞬态模型下半导体器件所满足的刚性、耦合、非线性偏微分方程组,并对边界条件及参数的确定进行讨论。第四章将介绍利用时域有限元方法进行器件数值模拟的步骤,建立基于时域有限元方法的二维稳态和瞬态的半导体器件数值模拟矩阵,然后运用FORTRAN语言对方程组进行数值计算。第五章将对单个电磁脉冲作用下LDMOSFET的热效应进行讨论,比较不同脉冲参数情况下器件温度升高的不同情况,并定义热击穿区域(Thermal Breakdown Zone)以衡量不同电磁脉冲对器件的损伤程度。第六章将对周期电磁脉冲作用下LDMOSFET的热累积效应进行分析,比较不同周期情况下器件热累积效应的严重程度。第七章将对本文的研究工作进行系统总结。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-11
第一章引言  11-14
  1.1 射频功率器件的发展现状  11
  1.2 课题的提出  11-12
  1.3 论文主要内容及研究方法  12-14
第二章 LDMOSFET 器件建模  14-23
  2.1 LDMOSFET 的基本结构与特点  14-16
  2.2 与传统CMOS 工艺兼容的LDMOSFET 工艺  16-17
  2.3 高耐压LDMOSFET 及其准饱和现象  17-19
  2.4 LDMOSFET 物理模型  19-22
  2.5 本章小结  22-23
第三章器件模拟的理论基础  23-37
  3.1 器件参数的确定  24-28
    3.1.1 本征半导体与非本征半导体  24
    3.1.2 载流子输运现象  24-26
    3.1.3 载流子的产生和复合  26-28
  3.2 半导体器件的基本方程  28-31
    3.2.1 麦克斯韦方程组  28
    3.2.2 泊松方程  28-29
    3.2.3 电流密度方程  29-30
    3.2.4 电流连续性方程  30
    3.2.5 热传导方程  30-31
  3.3 方程参数的归一化  31-33
  3.4 边界条件  33-36
  3.5 本章小结  36-37
第四章基于有限元的半导体器件数值模拟方法  37-62
  4.1 引言  37-38
  4.2 有限元方法的基本原理  38-46
    4.2.1 边值问题  38
    4.2.2 里兹方法  38-40
    4.2.3 伽辽金方法  40-41
    4.2.4 有限元方法的基本步骤  41-46
  4.3 MOSFET 电特性的二维稳态模拟  46-57
    4.3.1 模型方程与边界条件  46-48
    4.3.2 模型方程对应的有限元表达式  48-50
    4.3.3 线性化的离散方程  50-53
    4.3.4 三角单元的线性插值、单元分析及总体合成  53-56
    4.3.5 模型方程组的求解过程  56-57
  4.4 MOSFET 电特性的二维瞬态模拟  57-60
    4.4.1 瞬态分析的模型及变量  57-59
    4.4.2 数值模拟的方法  59-60
  4.5 MOSFET 热特性的二维模拟  60-61
    4.5.1 热源的产生  60
    4.5.2 二维热场有限元方程  60-61
  4.6 本章小结  61-62
第五章单脉冲作用下的热效应  62-71
  5.1 单个ESD 脉冲的热效应  62-64
  5.2 单个高斯脉冲的热效应  64-67
  5.3 不同参数高斯脉冲的热效应比较  67-70
  5.4 本章小结  70-71
第六章脉冲串作用下的热累积效应  71-79
  6.1 周期ESD 脉冲串的热累积效应  71-73
  6.2 周期高斯脉冲串的热累积效应  73-78
  6.3 本章小结  78-79
第七章总结与展望  79-80
参考文献  80-86
致谢  86-87
攻读学位期间发表的学术论文  87-89

射频功率LDMOSFET中的热累积效应研究

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