CMOS电路低温特性及其仿真

本文采用0.25微米工艺制备了CMOS器件和电路,通过对300K、77K和4K温度下器件和电路特性的测量,研究了工作温度降低对CMOS电路特性的影响.通过讨论MOSFET器件和互连线主要特性参数随温度的变化情况,修改了常温CMOS BSIM3模型以及互连线参数,建立了77K、4K温度下的低温电路仿真模型.利用上述新建立的低温电路仿真模型对CMOS电路进行仿真,并将仿真结果与实际测量结果比较,获得了比较一致的结果.研究表明在4K温度下CMOS电路的工作性能大约有50%到60%的改善.     

低温功率器件驱动电路实验研究

低温电力电子技术的发展日益得到重视,主要是由于功率器件(如功率MOSFET和IGBT等)在低温下表现出更好的性能,如更低的通态阻抗,更高的开关频率等.为了实验测试和充分利用功率器件在低温下的这些性能,急需寻找或设计可以在低温下稳定可靠工作的功率器件驱动电路.我们在对目前商业化的驱动芯片进行分析的基础上,从中挑选了三种在低温下进行实验,对其输出波形随温度的变化进行研究,首次发现了可以在-196℃(77K)稳定工作的驱动芯片,其驱动性能基本能够满足低温下驱动功率器件的要求,为功率器件低温特性测试及低温功率变换电路的设计奠定了坚实的基础.     

基于TDTR方法的碳化硅低温导热性能实验研究

低温条件下碳化硅等半导体材料热导率的实验研究极少,数据匮乏,无法满足理论模型的优化需求。现有实验测量以接触式的稳态法导热系数测量为主,实验误差大,且低温测量成本过高。本文通过常规飞秒激光抽运探测热反射法与低温系统的有机结合,完成了4~300 K低温条件下单晶碳化硅热导率的测试及其随温度的变化规律,研究表明单晶碳化硅热导率在100 K左右存在极大值,温度低于100 K时其热导率与温度呈正相关,温度高于100 K时其热导率与温度呈负相关。极值点的位置与理论值的偏差可能是由于样品电子浓度、缺陷分布等因素影响。     

非对称型IGBT的低温特性研究

研究表明,半导体材料在低温环境下性能可以得到很大改善.功率MOSFET低温下的优异特性已被深入揭示.本文研究了NPT型IGBT在77～300K之间的特性,实验表明,低温下NPT型IGBT的通态压降,开关损耗都有明显下降,关断拖尾现象也得到明显改善,而门槛电压略有上升.在此基础上,分析了其低温特性的物理机制以及在超导领域的潜在应用.     

非对称型IGBT的低温特性研究

研究表明，半导体材料在低温环境下性能可以得到很大改善．功率MOSFET低温下的优异特性已被深入揭示．本文研究了NPT型IGBT在77～300K之间的特性，实验表明，低温下NPT型IGBT的通态压降。开关损耗都有明显下降，关断拖尾现象也得到明显改善。而门槛电压略有上升．在此基础上。分析了其低温特性的物理机制以及在超导领域的潜在应用．     

碲镉汞红外焦平面探测器封装用4J36 合金深低温力学性能研究

为了提高碲镉汞红外焦平面探测器封装结构的可靠性, 获得组件材料的深低温力学性能十分重要. 4J36合金具有极低的膨胀系数且材料焊接性能较好, 广泛应用于封装结构中的冷平台部分. 本文在300 K~4.2 K 温度区间内对4J36 合金进行了热力学性能试验, 获得了材料随温度变化的动态热力学参数; 在300 K、77 K、4.2 K 温度下对4J36 试件进行了拉伸试验, 获得了相应的工程应力应变曲线和力学性能参数; 通过扫描电镜对断口形貌进行了微观结构分析, 获得了4J36 合金拉伸断口微观组织和性能的变化规律. 试验结果表明4J36 材料在300 K ~4.2 K 温度范围内平均线膨胀系数为2.08×10-6/K, 从300 K 到77 K,4J36 合金的比热容随温度降低而减小; 在300 K~4.2 K 温度区间内, 随温度降低, 合金的抗拉强度和屈服强度显著提高, 而弹性模量断后伸长率降低; 由拉伸断口宏观和微观形貌看出在300 K、77 K 和4.2 K 下4J36 合金拉伸试件的断裂模式均为韧性断裂. 试验研究结果将对4J36 合金在红外焦平面探测器组件的低温应用方面提供试验依据.     

PrFe2立方Laves相磁致伸缩材料低温磁性能简介

介绍了运用综合物理测量仪（PPMS）所测量的15 K和300 K下PrFe2立方Laves相合金的磁致伸缩随温度的变化特性。结果表明,随着温度的降低,PrFe2合金的磁致伸缩值λ会迅速增加,这说明了PrFe2合金虽然在室温下表现出一般的磁致伸缩性能,但是在低温下,却具有非常优秀的磁致伸缩性能。同时,随着温度的降低,合金的更难达到饱和,这说明了PrFe2合金在低温下具有很大的磁晶格向异性。     

垂直腔面发射激光器低温光电特性

垂直腔面发射激光器通常被用作常温下850 nm波段短波长短距离光互连领域的激光光源,多在室温下进行测试和使用.在低温环境下垂直腔面发射激光器工作状态的表征是本文的研究重点.我们表征了在不同温度下直流驱动垂直腔面发射激光器的发光光谱和10%占空比脉冲电流驱动垂直腔面发射激光器的发光光谱和功率-电流-电压曲线.通过测试激光器在室温和10 K温度下性能的变化,证明了现有的垂直腔面发射激光器在低温下仍能工作,激光器在10 K低温环境下仍可以作为光互连的光源使用,这一特点使得该激光器的应用范围可拓展至低温领域,预示着垂直腔面发射激光器在低温光互连系统中具有应用价值.     

ICF平面低温冷冻靶系统的初步设计及应用

 利用Gifford-McMahon（G-M）制冷机提供低温源,研制了平面低温冷冻靶系统。该系统最低温度可以达到10 K,制冷功率随温度降低而降低,制冷速率可控。其中,在18.6 K其制冷功率可以达到6.5 W;在14 K其制冷功率为3 W。利用该系统,初步开展了氩、氢的冷冻实验,并研究了温度对激光惯性约束聚变靶丸结构的影响。获得了氩、氢平面低温冷冻靶,并观察到了低温诱导聚变靶丸形变现象。     

氩氦刀系统低温探针制冷性能实验研究

氩氦刀系统低温探针的温度及制冷量,主要取决于氩气进气温度和节流压力。文中介绍了氩氦刀低温探针的结构、工作过程以及对5mm直径低温探针的制冷性能试验。试验结果表明,当进气压力为20MPa时,1分钟内探针端部在296.3K的空气中,最低温度可达112.9K;当进气压力为18MPa时,探针在291K的水中5分钟内能够形成4.9cm×2.8cm的椭圆冰球;将预冷进气温度从290.4K降低至274.4K,可以使探针制冷量增加约24%。     

Effect of cryogenic temperature characteristics on 0.18-μm silicon-on-insulator devices

The experimental results of the cryogenic temperature characteristics on 0.18-μm silicon-on-insulator(SOI) metaloxide-silicon(MOS) field-effect-transistors(FETs) were presented in detail. The current and capacitance characteristics for different operating conditions ranging from 300 K to 10 K were discussed. SOI MOSFETs at cryogenic temperature exhibit improved performance, as expected. Nevertheless, operation at cryogenic temperature also demonstrates abnormal behaviors, such as the impurity freeze-out and series resistance effects. In this paper, the critical parameters of the devices were extracted with a specific method from 300 K to 10 K. Accordingly, some temperature-dependent-parameter models were created to improve fitting precision at cryogenic temperature.     

固态Marx发生器的过流保护研究

具有快速上升沿、低开关损耗的SiC MOSFET已逐渐在固态高压脉冲电源中使用。针对固态Marx发生器中的常见短路故障,分析了SiC MOSFET的过流损坏机制,提出了一种新型的带过流保护的驱动系统。该驱动系统不仅实现了宽驱动信号同步输出,同时能够在整个SiC MOSFET导通期间提供过电流钳制效果。驱动系统中的保护电路利用SiC MOSFET门极电压与漏极电流的关系,通过单个采样电阻和一对反向串联的稳压管将SiC MOSFET门极电压拉低的方式来限制过电流。实验结果表明:当开关管的导通电流较小时,虽然门极电压会有轻微下降,但是SiC MOSFET的导通阻抗仍然很低;而在过电流故障发生时,门极电压会被快速拉低,开关管的导通阻抗急剧上升,从而迅速将导通电流钳制在安全范围内。     

High temperature characteristics of bilayer epitaxial graphene field-effect transistors on SiC Substrate

In this paper,high temperature direct current(DC) performance of bilayer epitaxial graphene device on SiC substrate is studied in a temperature range from 25℃ to 200℃.At a gate voltage of-8 V(far from Dirac point),the drainsource current decreases obviously with increasing temperature,but it has little change at a gate bias of +8 V(near Dirac point).The competing interactions between scattering and thermal activation are responsible for the different reduction tendencies.Four different kinds of scatterings are taken into account to qualitatively analyze the carrier mobility under different temperatures.The devices exhibit almost unchanged DC performances after high temperature measurements at 200℃ for 5 hours in air ambience,demonstrating the high thermal stabilities of the bilayer epitaxial graphene devices.     

温度对聚酰亚胺直流击穿特性与闪络特性影响的研究

随着超导技术的迅速发展,高温超导电力设备的工作温度已经可以控制在液氮温度附近,绝缘材料的电气特性是影响电力设备工作性能和运行可靠性的重要因素。聚酰亚胺由于其优异的电气性能和力学性能,广泛应用于常温下电力设备绝缘,而其作为低温绝缘材料应用的研究目前鲜有报道。因此,在液氮温度下聚酰亚胺的绝缘性能研究具有十分重要的意义。文中选取室温附近(300K)和液氮温度(78K)两个温度点,对聚酰亚胺的直流击穿性能和沿面闪络特性进行了测试。研究结果表明温度对聚酰亚胺绝缘材料的直流击穿场强和沿面闪络强度均有一定影响。     

Electrical characteristics of AlInN/GaN HEMTs under cryogenic operation

Electrical properties of an AlInN/GaN high-electron mobility transistor (HEMT) on a sapphire substrate are investi-gated in a cryogenic temperature range from 295 K down to 50 K. It is shown that drain saturation current and conductance increase as transistor operation temperature decreases. A self-heating effect is observed over the entire range of temperature under high power consumption. The dependence of channel electron mobility on electron density is investigated in detail. It is found that aside from Coulomb scattering, electrons that have been pushed away from the AlInN/GaN interface into the bulk GaN substrate at a large reverse gate voltage are also responsible for the electron mobility drop with the decrease of electron density.     

TPV系统热辐射发电模块数值分析

建立TPV系统热辐射发电模块的数理模型,通过数值模拟获得SiC辐射器分别配合GaSb和Si电池所构成的TPV系统的输出伏安特性曲线;以GaSb电池为例,分别分析SiC辐射器温度和电池温度对系统性能的影响,得出如下结论:辐射器温度升高,系统输出电能密度迅速增大,电池效率稳步提高,辐射器温度从1400 K升至1900 K,系统输出电能密度从0.67 W·cm^-2增至5.43 W·cm^-2,电池效率从16.3%上升到24.8%;电池温度升高导致系统性能下降,电池温度每升高10 K,系统输出电能密度减少约0.15 W·cm^-2,电池效率也大幅下降.最后讨论与GaSb匹配的一种选择性辐射器的辐射能量分布情况,与SiC辐射器相比,选择性辐射器可以显著减少辐射能量中的不可用部分,从而有效提高系统的性能与稳定性.     

A high performance HfSiON/TaN NMOSFET fabricated using a gate-last process

A gate-last process for fabricating HfSiON/TaN n-channel metal-oxide-semiconductor-field-effect transistors(NMOSFETs)is presented.In the process,a HfSiON gate dielectric with an equivalent oxide thickness of 10 A was prepared by a simple physical vapor deposition method.Poly-Si was deposited on the HfSiON gate dielectric as a dummy gate.After the source/drain formation,the poly-Si dummy gate was removed by tetramethylammonium hydroxide(TMAH)wet-etching and replaced by a TaN metal gate.Because the metal gate was formed after the ion-implant doping activation process,the effects of the high temperature process on the metal gate were avoided.The fabricated device exhibits good electrical characteristics,including good driving ability and excellent sub-threshold characteristics.The device’s gate length is 73 nm,the driving current is 117μA/μm under power supply voltages of VGS=VDS=1.5 V and the off-state current is only 4.4 nA/μm.The lower effective work function of TaN on HfSiON gives the device a suitable threshold voltage(~0.24 V)for high performance NMOSFETs.The device’s excellent performance indicates that this novel gate-last process is practical for fabricating high performance MOSFETs.     

低温LBJT性能表征

作为集成电路的重要组成器件,双极结型晶体管在高速高频等方面有着互补金属氧化物半导体不能替代的优点.由于常规双极结型晶体管在低温环境中增益骤降,器件性能大幅衰减,故双极结型晶体管低温性能的研究较少且仅限于77K以上的温度.本文对在绝缘体上硅衬底上制造的与CMOS工艺相兼容的对称水平双极结型晶体管进行了4.2～300K宽温度范围的变温直流性能的测试,研究了施加正向衬底偏压对器件性能的影响,并探究了基于LBJT PN结的结温与温度关系用作低温温度传感器的可能性.通过施加12V的正向衬底偏压,得出了LBJT在4.2K的低温下具有～100的增益,并且LBJT PN结的正向电压与温度具有良好的线性关系,具备用作低温片上集成温度传感器的可能性.     

A Novel Fully Depleted Air AlN Silicon-on-Insulator Metal--Oxide--Semiconductor Field Effect Transistor

A novel fully depleted air A1N silicon-on-insulator （SOD metai-oxide-semiconductor field effect transistor （MOS- FET） is presented, which can eliminate the self-heating effect and solve the problem that the off-state current of SOI MOSFETs increases and the threshold voltage characteristics become worse when employing a high thermal conductivity material as a buried layer. The simulation results reveal that the lattice temperature in normal SOI devices is 75K higher than the atmosphere temperature, while the lattice temperature is just 4 K higher than the atmosphere temperature resulting in less severe self-heating effect in air A1N SOI MOSFETs and A1N SOI MOSFETs. The on-state current of air A1N SOI MOSFETs is similar to the A1N SOI structure, and improves 12.3% more than that of normal SOI MOSFETs. The off-state current of A1N SOI is 6. 7 times of normal SOI MOSFETs, while the counterpart of air A1N SOI MOSFETs is lower than that of SOI MOSFETs by two orders of magnitude. The threshold voltage change of air A1N SOl MOSFETs with different drain voltage is much less than that of A1N SOI devices, when the drain voltage is Mased at 0.8 V, this difference is 28mV, so the threshold voltage change induced by employing high thermal conductivity material is cured.     

SiC肖特基源漏MOSFET的阈值电压

SiC肖特基源漏MOSFET的阈值电压不同于传统的MOSFET的阈值电压.在深入分析工作机理的基础上,利用二维模拟软件ISE提取并分析了器件的阈值电压.对SiC肖特基源漏MOSFET的阈值电压给出物理描述,得出当源极载流子主要以场发射方式进入沟道,同时沟道进入强反型状态,此时的栅电压是该器件的阈值电压. 关键词： 碳化硅 肖特基接触 阈值电压