基于流体动力学模型的2维砷化镓金属半导体场效应管数值模拟

 介绍了用于描述工作在高频强电场条件下的亚微米半导体器件的流体动力学模型，并讨论了为求解流体动力学模型所采用的算子分裂方法和有限体积法。使用流体动力学模型，对亚微米GaAs金属半导体场效应管器件进行了2维数值模拟，得到了该器件的I-V曲线、电子密度分布和电子温度分布。数值模拟结果表明，器件栅极电压越负，肖特基结的耗尽层越厚，源漏电流越小；在耗尽层内电场最强处，电子温度达到4 000 K;在强电场下，电子温度将严重偏离晶格温度，形成所谓热电子。     

双极型晶体管在强电磁脉冲作用下的瞬态响应

 利用时域有限差分法，对双极型晶体管在强电磁脉冲作用下的瞬态响应进行了2维数值模拟，分析了器件烧毁过程中电场、电流密度、温度等参数的分布及变化情况，分别观察了低电压和高电压脉冲作用下烧毁过程中热点的形成过程，并得到了器件烧毁所需时间以及能量与脉冲电压幅度之间的关系。在电压脉冲较低时，烧毁点位于通道中靠近集电极的位置，当脉冲电压达到一定幅度的时候，由于发射极与集电极之间发生雪崩击穿，基极和发射极之间电势会抬高，从而引起基极和发射极之间的击穿，形成新的热点，并在电压幅度约高于100 V的情况下会率先达到烧毁温度。随着脉冲电压幅度的增高，晶体管烧毁所需时间呈负指数减少，而所需能量在55~100 V之间接近于线性增长，直到电压幅度约高于100 V时才开始减少。     

电场对单层有机电致发光二极管复合发光的影响

以电流连续性方程为基础，用易测量的注入电流密度来确定载流子浓度的边界值，得出载流子浓度和电流密度的解析表达式。计算并讨论了电子密度和电子电流密度在器件中的分布，电场对它们的影响以及电场与势垒对复合效率的影响。该模型较好地解释了有关实验现象。     

高温对MOSFET ESD防护器件维持特性的影响

静电放电(electro-static discharge, ESD)防护结构的维持电压是决定器件抗闩锁性能的关键参数,但ESD器件参数的热致变化使得防护器件在高温环境中有闩锁风险.本文研究了ESD防护结构N沟道金属-氧化物-半导体(N-channel metal oxide semiconductor, NMOS)在30—195℃的工作温度下的维持特性.研究基于0.18μm部分耗尽绝缘体上硅工艺下制备的NMOS器件展开.在不同的工作温度下,使用传输线脉冲测试系统测试器件的ESD特性.实验结果表明,随着温度的升高,器件的维持电压降低.通过半导体工艺及器件模拟工具进行二维建模及仿真,提取并分析不同温度下器件的电势、电流密度、静电场、载流子注入浓度等物理参数的分布差异.通过研究以上影响维持电压的关键参数随温度的变化规律,对维持电压温度特性的内在作用机制进行了详细讨论,并提出了改善维持电压温度特性的方法.     

半导体断路开关电路-流体耦合数值模拟

为了研究掺杂结构为p+-p-n-n+的半导体断路开关的ns脉冲截断机理,根据流体力学方程和全电流方程推导出半导体断路开关内部载流子运动满足的电流-电压关系表达式,提出了一种外电路方程和载流子流体力学方程联立求解的1维耦合数值模型。采用该模型对半导体断路开关的ns脉冲截断过程进行了数值模拟,模拟结果表明:在截断过程中,n-n+结处的载流子数密度首先开始明显降低,并出现高电场,随后p+-p结处也出现类似现象,随着载流子的抽取,高电场区域向p-n结处快速移动,最终在p-n结处完成截断,而基区载流子数密度在截断前后无明显变化。     

迁移率对单层有机发光器件中复合率分布的影响

以载流子运动的扩散-漂移理论为基础,利用数值方法研究了有机发光层中双极载流子注入时的电势、电场、载流子浓度和复合率分布.结果表明:当两种载流子的迁移率相同实现平衡注入,并且当空穴和电子的复合为Langevin型时,复合率的分布曲线相当理想,参与复合的空穴和电子总量远大于其他情况,由此器件的发光性能也得到更大的优化.     

迁移率对单层有机发光器件中电场与载流子分布的影响

有机发光器件的宏观特性与有机层中的电场和载流子浓度分布密切相关。建立的有机电致发光器件模型是由两个金属电极中间夹一层有机发光薄膜材料组成的单层器件,金属与有机发光层之间为欧姆接触。模型以载流子运动的扩散-漂移理论为基础,利用数值方法研究了有机发光层中双极载流子注入时的电势、电场、载流子浓度和复合密度分布。分析结果表明:当两种载流子的迁移率相同时,电场强度、载流子浓度、复合密度的分布呈对称形式。而当电子和空穴的迁移率μn和μp相差比较大时,高迁移率的载流子不仅仅分布在注入端附近而且还有一小部分能够传输到另一端,而低迁移率的载流子只分布在其注入端附近;当μn、μp的大小相差不大时,载流子传输情况就介于两者之间。当μn/μp的比值变化时,电场强度的极大值向载流子迁移率小的注入端偏移。     

MA0.6Cs0.4PbBr3钙钛矿发光二极管瞬态电致发光研究

为研究钙钛矿材料的发光特性和机理,制备了稳定的MA_(0.6)Cs_(0.4)Pb Br_3钙钛矿发光二极管,通过瞬态电致发光测试,分析了器件在脉冲电压下的电流和发光曲线。MA_(0.6)Cs_(0.4)Pb Br_3发光二极管在恒定的电流密度10 m A·cm~(-2)下,亮度从最大值衰减至一半持续时间超过30 min,保证了瞬态测试的准确性。在0.1～20 ms脉宽测试中,器件发光效率随时间增加,断电后有反向电流;在5.5～8.0 V的脉冲幅值测试中,低电压的亮度最先达到饱和;在0～2.0 V基准电压测试中,高基准电压时亮度值更低。分析瞬态测试结果,发现离子迁移(MA~+,Br~-)导致钙钛矿层的界面附近发生能带弯曲,使得载流子注入减弱,同时抑制了激子的离化,提高了激子复合几率。     

半导体断路开关截断过程模拟的缩比模型

在维持电路参数同比变化和通过半导体断路开关(SOS)的电流密度不变的基础上,提出了一种SOS截断特性模拟的缩比模型,并可在Silvaco ATLAS软件中应用。在以不同的缩比率选取等效SOS横截面积的情况下,将原电路中串联的100个二极管等效为若干个二极管,模拟得到了相同的二极管电流和电压波形。模拟结果表明,该模型不仅可以得到正确的SOS瞬态截断过程,而且可将计算速度提高近百倍。通过对SOS截断过程中载流子分布和电场分布变化过程的分析发现,SOS的截断过程发生在n-n+区。     

有机电致发光器件中载流子的输运和复合发光

以高场作用下载流子对三角势垒的FowlerNordheim隧穿理论为基础,建立了单层有机电致发光器件中载流子输运和复合发光模型,给出了薄膜中电子空穴对的解离和复合概率及电子和空穴的密度分布.计算并讨论了外加电压和注入势垒对器件电流和复合效率的影响. 关键词： 电致发光器件 载流子输运 载流子复合     

KrF激光动力学过程的模拟研究

本文配合KrF激光器的设计,对其动力学过程作了零维模拟计算,并与国内外实验结果进行了比较。通过模拟研究,对KrF激光器本征效率的提高、激光器对入射束流的要求以及对激光腔体的设计等都提出了很好的建议与简单实用的计算模式。     

带有反射腔的相对论返波管的数值模拟

 阐述了带有反射腔的相对论返波管的数值模拟研究。利用线性理论[1]设计了返波管的慢波结构，应用SUPERFISH软件设计了谐振反射器。用KARAT软件对谐振反射腔返波管进行了宏观粒子模拟，得到了优化的返波管结构参数，并研究了外加磁场对输出效率的影响。模拟结果表明：谐振反射腔不仅起到截止颈的作用，还有预调制的作用；在低外加磁场条件下，该返波管也能输出较高功率的微波。显示了其在重复频率工作方面的重要意义。     

Modeling of argon discharge characteristics of planar-type surface wave plasmas in an electron fluid model

The planar-type surface wave plasma (SWP) device permits the generation of high-density and uniform processing plasmas via 2.45-GHz microwave power without the application of an external magnetic field. In the present study, the discharge characteristics in the SWP device were analyzed using a two-dimensional numerical simulation code, and the results were compared with experimental observations. The simulation code is based on the finite-difference time-domain (FDTD) method for the microwave field and on the electron fluid model for the argon discharge plasma. Experimental measurements were performed, and they showed that the surface-wave discharge at a filling pressure of 10-100 mtorr has characteristic electron-density distributions that have a peak at approximately 2 cm from the surface. This characteristic of the electron density profiles, as well as the electron temperature profiles in the plasma, is reproduced by the simulation code, albeit with some discrepancies. In order to reduce the effects of these discrepancies, intentional changes in the electron heat conductivity were introduced, and the adiabatic assumption was found to result in a reasonable electron temperature profile. The effects of the alumina window thickness were also investigated in the simulation.     

高线性度Al_xGa_(1-x)N/Al_yGa_(1-y)N/GaN高电子迁移率晶体管优化设计

对新型复合沟道AlxGa1-xN/AlyGa1-yN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)进行了优化设计.从半导体能带理论与量子阱理论出发,自洽求解了器件层结构参数对器件导带能级以及二维电子气(2DEG)中载流子浓度和横向电场的影响.用TCAD软件仿真得到了器件的层结构参数对器件性能的影响.结合理论分析和仿真结果确定了器件的最佳外延层结构Al0.31Ga0.69N/Al0.04Ga0.96N/GaNHEMT.对栅长1μm,栅宽100μm的器件仿真表明,器件的最大跨导为300mS/mm,且在栅极电压-2—1V的宽范围内跨导变化很小,表明器件具有较好的线性度;器件的最大电流密度为1300mA/mm,特征频率为11.5GHz,最大振荡频率为32.5GHz.     

多丝多条带结构TPC探测器的电场计算北大核心CSCD

针对具有多丝、多条带结构特征的用于核物理实验的气体探测器,采用节点组合法并利用有限元程序实现电场的计算。该方法构建宏观几何模型,去除了丝状、条带状结构,能够获得准确的计算结果。基于对该方法的验证,以MSU研制的SπRIT-TPC为研究对象,获得了该装置的二维电场分布以及电子在探测器中的漂移模拟结果。计算结果与GARFIELD程序得到的结果一致。采用节点组合法的有限元方法可用于复杂探测器结构的电场计算,并用于后续的探测器模拟计算,能够极大提高探测器的模拟效率。该方法也可适用于复杂结构的三维电场计算。     

磷化铟复合沟道高电子迁移率晶体管击穿特性研究

用密度梯度量子模型定量研究了磷化铟(InP)复合沟道高电子迁移率晶体管(HEMT)的击穿特性，考虑了复合沟道内碰撞电离以及沟道量子效应，重点研究了器件击穿电压随In_0.7Ga_0.3As沟道厚度的变化关系，提出了提高击穿电压的方法，采用商用器件模拟软件Sentaurus模拟了器件的开态击穿电压，对比了实验和模拟的结果. 研究表明：适当减小In_0.7Ga_0.3As沟道层的厚度可以在保持器件饱和电流基本不变的前提下大幅度提高开态击穿电压，这对于提高InP基HEMT的功率性能具有重要意义. 关键词： 磷化铟 高电子迁移率晶体管 密度梯度模型 击穿     

强流电子束阻抗对相对论速调管放大器注入及群聚特性的影响分析

通过数值计算及粒子模拟程序, 分析了强流电子束阻抗、电压及电流特性对相对论速调管放大器(relativistic klystron amplifier, RKA)中束流调制、群聚特性的影响, 其中粒子模拟程序中采用 束发射方式以精确控制电子束的阻抗.结果表明, 低阻抗电子束有利于减小群聚距离, 缩短RKA器件的整体长度, 不利于注入微波对电子束的调制, 而高阻抗电子束情况正好相反.在电子束阻抗不变时, 增加电子束加速电压类似于增大电子束阻抗的情况.另外, 用粒子模拟方法确定了不同阻抗电子束对特定输入腔的电子负载电导, 从而可以得到不同阻抗的强流电子束对种子源 功率水平的需求以及对输入腔外观品质因数的要求. 关键词： 相对论速调管放大器 电子束阻抗 群聚距离 输入调制     

基于束流位置探测器的束团长度测量

分析了驱动电子束团的频域特性,研究了基于该特性进行长度测量的理论基础;使用三维模拟软件对束流位置探测器(BPM)进行建模,用模拟的方法对传输阻抗进行了数值计算;对不同长度的束团进行了测量和计算,并且分析了束团位置在真空管道中偏移对束团长度测量的影响。由测量结果可见,电子束团长度在10~100 ps(3~30 mm)时,测量误差均小于2%,满足中国工程物理研究院高平均功率自由电子激光太赫兹实验测量的使用要求。     

磁控溅射铂抑制镀银表面的二次电子发射

降低表面的二次电子产额是抑制微波部件二次电子倍增效应和提升功率阈值的有效途径之一,目前主要采用在表面构造陷阱结构和沉积非金属薄膜的方法降低二次电子产额,其缺点是会改变部件的电性能.针对此问题,采用在表面沉积高功函数且化学惰性的金属薄膜来降低二次电子产额.首先,采用磁控溅射方法在铝合金镀银样片表面沉积100 nm铂,测量结果显示沉积铂后样片的二次电子产额最大值由2.40降至1.77,降幅达26%.其次,用相关唯象模型对二次电子发射特性测量数据进行了拟合,获得了在40-1500 eV能量范围内能够准确描述样片二次电子产额特性的Vaughan模型参数,以及在0-50 eV能量范围内能够很好地拟合二次电子能谱曲线的Chung-Everhart模型参数.最后,将获得的实验数据和相关拟合参数用于Ku频段阻抗变换器的二次电子倍增效应功率阈值仿真研究,结果表明通过沉积铂可将部件的功率阈值由7500 W提升至36000 W,证实了所提方法的有效性.研究结果为金属材料二次电子发射特性的研究提供实验数据参考,对抑制大功率微波部件二次电子倍增效应具有参考价值.     

紧凑型THz源的史密斯-帕塞尔辐射模拟

 采用模拟和数值计算的方法，研究了THz波段的受激史密斯-帕塞尔辐射特性。实验装置以“上海电子束离子阱”为原型，采用紧凑型设计以便最终实现其可移动性。束流动力学模拟表明，此装置采用强磁场，可以得到平均流强为0.2 A、束流半径为75 μm的高品质电子束，为电子束工作在自由电子激光模式下创造了条件。基于Andrews和 Brau的理论，优化了光栅参数，保证了辐射角度在60°。其中消散场的计算频率为0.365 9 THz。采用particle-in-cell(PIC)程序模拟了光栅表面的辐射场以及电子的动力学特性。模拟结果表明电子有群聚效应，且二次谐波（0.723 THz，约为消散频率的2倍）得到增强。采用后处理方法计算了史密斯-帕塞尔辐射的功率空间分布。计算显示辐射角度与理论角度相一致，表明了方法的有效性。输出的功率约为2 mW。