[发明专利]一种宽禁带半导体异质结渡越时间二极管噪声检测方法及系统

说明书

本发明提供一种宽禁带半导体异质结渡越时间二极管噪声检测方法及系统，包括获取被测二极管(DUT)，并选取相应的噪声因素含有电离雪崩效应、量子效应、场致隧穿效应，修正预设的连续性方程、电流密度方程及泊松方程；其中，DUT为碰撞电离雪崩渡越时间IMPATT二极管或混合隧穿雪崩渡越时间MITATT二极管；对DUT模型网格化，把修正后的连续性方程、电流密度方程及泊松方程组成的方程组离散化；求解离散化的方程组，得到结构、稳态性能、交流性能；构建噪声模型，并将所述结构、稳态性能、交流性能参数值导入所述噪声模型和所述边界条件中进行双迭代计算，得到DUT的噪声参数值。实施本发明，可以提高DUT的噪声检测精度。

技术领域

本发明涉及二极管检测技术领域，尤其涉及一种宽禁带半导体异质结渡越时间二极管噪声检测方法。

背景技术

碰撞电离雪崩渡越时间(Impact Ionization Avalanche Transit Time,IMPATT)二极管、混合隧穿雪崩渡越时间(Mixed Tunneling Avalanche Transit Time,MITATT)二极管是效率高、成本低、应用前景广泛的太赫兹(THz)波固态功率源。IMPATT二极管是利用电离雪崩倍增载流子的注入延迟效应与载流子漂移渡越延迟效应相结合产生负阻效应的半导体器件；MITATT二极管是利用场致隧穿和电离雪崩倍增载流子的注入延迟效应与载流子漂移渡越延迟效应相结合而产生负阻效应的半导体器件。电离雪崩在两种二极管中起主要作用，不仅输出交流信号功率，同时伴随噪声。IMPATT二极管不考虑场致隧穿效应，MITATT二极管的场致隧穿效应主要体现在载流子连续性方程中，使得MITATT二极管的载流子分布与IMPATT二极管的不同。低噪声的IMPATT、MITATT二极管将推动THz波技术在雷达、天文探测、生物医学信息处理、通信等领域的广泛应用。

噪声是衡量IMPATT、MITATT二极管等器件性能的重要指标。过去，在IMPATT、MITATT二极管噪声的研究中，一般把噪声当作大信号来对待，适合Si、GaAs等窄禁带半导体IMPATT、MITATT二极管。例如，Reidar.L.在经典文献[Noise in IMPXTT diodes:Intrinsic properties,IEEE Transactions on Electron Devices,Vol.ED-19,No.2(1972):220-233]中，建立一个关于电离雪崩产生电流的非线性一阶微分方程与另一个线性一阶微分方程耦合的方程组，用于描述IMPATT二极管里德(Read)模型。基于线性化技术，计算了线性扰动齐次噪声谱引起的大信号与噪声分离。因为非线性参数相互作用，在大信号条件下开路噪声电压快速增加，引起作为IMPATT二极管输出功率函数的噪声测度急剧升高。可以调整工作参数优化信号功率与噪声之比；半导体雪崩响应时间长则有利于获得高的功率和低的噪声。又如，Marion E.Hines在文献[Large-signal noise,frequency,conversion,and parametric instabilities in IMPATT diode networks,Proceedingsof the IEEE,Vol.60,No.12(1972):1534-1548.]中利用解释模型，处理了IMPATT二极管在连续大信号驱动又同时受到另一频率弱噪声微扰时的频率转换效应——频谱调制，结果表明：雪崩电流的强调制引起雪崩过程固有噪声的增强，频谱调制导致频谱密度的重新分布。又如，ReidarL.在文献[Nonlinear noise theory for IMPATT diodes,IEEETransactions on Electron Devices,Vol.ED-23,No.4(1976):395-411.]中，引入IMPATT二极管的大信号模型，研究了反向饱和电流对器件转换效率和噪声测度的影响，数值模拟了噪声测度、载噪比与信号强度的关系，利用大偏置电阻抑制低频噪声上变频转换成调幅(AM)谱，AM噪声低于调频(FM)噪声。因为在分析表达式中假设的约束条件最少，有利于设计信号-噪声性能优化的IMPATT二极管。又如，Jasper J.Goedbloed等在文献[Theory ofnoise and transfer properties of IMPATT diode amplifiers,IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques,Vol.MTT-25,No.4(1977):324-332.]中考虑到IMPATT二极管噪声对信号强度的依赖性，根据大信号噪声理论，采用矩阵化公式定量描述了器件的噪声和转移特性。此理论对包含IMPATT二极管的注锁振荡器的AM、FM噪声预测值与实验测量值吻合很好。又如，P.M.Pitner等通过实验分别研究了电子占优和空穴占优的光电流噪声对X频段Si平台型IMPATT振荡器性能的影响[Photocurrent effects on noise insilicon IMPATT oscillators,IEE Proceedings I-Solid-State and ElectronDevices,Vol.129,No.4(1982):149-152.]，发现电子占优的光电流噪声更加抑制Si材料IMPATT振荡器的性能，归因于Si的电子电离率(α_n)高于空穴电离率(α_p)，因而噪声更严重。又如，Axel Stiller等研制了一种单片Si集成的毫米波发射器[A monolithic integratedmillimeter wave transmitter for automotive applications,IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques,Vol.43,No.7(1995):1654-1658.]，其中Si材料IMPATT振荡器在79GHz的发射功率为1mW、载噪比81.7dBc/Hz、频率补偿0.1MHz，实验测量的频率、功率值与大信号噪声理论预测频率、功率值的误差分别只有-5.9％、-1.5dB。