一种SiC异构结微波二极管噪声的评价方法及系统

技术领域

本发明涉及二极管检测技术领域，尤其涉及一种SiC异构结微波二极管噪声的评价方法。

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)二极管是结构简单、效率高的二端固态功率源。由化学成份相同而结构不同的宽带隙半导体SiC组成的异构结，具有晶格基本匹配、没有互相扩散污染的优点。SiC异构结界面的二维电子气(2DEG)展示了重要的研究和应用价值[Electronic properties ofa 3C/4H SiCpolytype heterojunction formed on the Si face,Applied Physics Letters,2007,90(17):173509-1-4.；Quantum confinement and coherence in a two-dimensionalelectron gas in a carbon-face 3C-SiC/6H-SiC polytype heterostructure,AppliedPhysics Letters,2009,94(16):162115-1-3.]，但还少见SiC、GaN等异构结IMPATT、MITATT二极管噪声有关的报道。

噪声是衡量IMPATT、MITATT二极管性能的重要指标，低噪声的IMPATT、MITATT二极管可在THz波雷达、通信、生物医学信息处理、天文探测等领域发挥重要作用，因此IMPATT、MITATT二极管的噪声深受关注。例如，Reidar L.

新世纪以来，随着太赫兹(THz)技术的发展，利用临界击穿电场强度及热导率更高的宽禁带半导体(SiC、GaN等)设计的IMPATT、MITATT二极管因具有更高的输出功率和转换效率而倍受重视。与Si的α

在现有技术中，IMPATT二极管中仅仅考虑到电离雪崩效应对噪声的影响，却未考虑到量子效应对噪声的影响，同时在MITATT二极管中也仅仅考虑电离雪崩效应及场致隧穿效应对噪声的影响，却未考虑到量子效应对噪声的影响，使得IMPATT二极管及MITATT二极管的噪声检测精度较低，误差大。对比文献[短沟道金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的散粒噪声模型，物理学报，Vol.69,No.17(2020):177102-1-9]通过求解能量平衡方程，推导了短沟道MOSFET的沟道电子温度和电子速度表达式，建立漏—源电流模型，在此基础上建立适用于40纳米以下器件的散粒噪声模型和热噪声模型，研究了n型MOSFET在不同偏置电压下器件尺寸对散粒噪声抑制因子和噪声机理的影响。但是，其中的MOSFET结构、工作原理与IMPATT、MITATT二极管的结构、工作原理截然不同，需要寻找SiC异构结IMPATT、MITATT二极管噪声的评价方法。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种SiC异构结微波二极管噪声的评价方法及系统，可以克服现有技术对SiC、GaN等异构结微波二极管噪声检测精度低、误差大的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种适用于SiC异构结微波二极管噪声的评价方法，包括以下步骤：

S1、获取工作在THz波段的待测SiC异构结微波二极管，并在包括电离雪崩效应、量子效应和场致隧穿效应的噪声影响因素中进行相应的选择，对待测SiC异构结微波二极管预设的连续性方程、电流密度方程及泊松方程进行修正；其中，待测SiC异构结微波二极管为SiC异构结的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；

S2、将待测SiC异构结微波二极管进行空间及时间二维网格化，并使修正后的连续性方程、电流密度方程及泊松方程分别经过空间及时间二维网格离散化处理，且将离散化的空穴电流密度、电子电流密度代入到离散化的连续性方程中，得到对应空穴、电子的三对角元素方程组的标准差分形式，进一步与离散化的泊松方程相结合，形成离散化处理后的方程组；

S3、求解离散化处理后的方程组，得到待测SiC异构结微波二极管的结构参数值、稳态性能参数值和交流性能参数值；

S4、构建待测SiC异构结微波二极管的噪声模型；其中，所述噪声模型由噪声电场强度函数及其对应的边界条件组成，且所述噪声电场强度函数的虚部和实部分别满足二阶偏微分方程；

S5、将所述结构参数值、所述稳态性能参数值和所述交流性能参数值导入所述噪声模型和所述边界条件中，并在待测SiC异构结微波二极管内的每个空间点均对所述噪声模型进行双迭代计算，得到待测SiC异构结微波二极管的噪声参数值。

其中，所述待测SiC异构结微波二极管的结构参数包括异构结面积、漂移区宽度、雪崩区宽度。

其中，所述待测SiC异构结微波二极管的稳态性能参数包括空穴分布或电子分布、空穴或电子电流密度分布、电场强度分布，以及峰值电场强度、击穿电压、雪崩频率、最大雪崩产生率、最大隧穿产生率、直流功率。

其中，所述待测SiC异构结微波二极管的交流性能参数包括负阻、电导、电纳，以及交流功率、直流—交流功率转换效率。

其中，所述待测SiC异构结微波二极管的噪声参数包括噪声电场强度分布、单位带宽的均方噪声电压和噪声测度。

本发明实施例还提供了一种SiC异构结微波二极管噪声的评价系统，包括方程修正单元、方程离散单元、方程求解单元、噪声模型构建单元和噪声结果输出单元；其中，

所述方程修正单元，用于获取工作在THz波段的待测SiC异构结微波二极管，并在包括电离雪崩效应、量子效应和场致隧穿效应的噪声影响因素中进行相应的选择，对待测SiC异构结微波二极管预设的连续性方程、电流密度方程及泊松方程进行修正；其中，待测SiC异构结微波二极管为SiC异构结的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；

所述方程离散单元，用于将待测SiC异构结微波二极管进行空间及时间二维网格化，并使修正后的连续性方程、电流密度方程及泊松方程分别经过空间及时间二维网格离散化处理，且将离散化的空穴电流密度、电子电流密度代入到离散化的连续性方程中，得到对应空穴、电子的三对角元素方程组的标准差分形式，进一步与离散化的泊松方程相结合，形成离散化处理后的方程组；

所述方程求解单元，用于求解离散化处理后的方程组，得到待测SiC异构结微波二极管的结构参数值、稳态性能参数值和交流性能参数值；

所述噪声模型构建单元，用于构建待测SiC异构结微波二极管的噪声模型；其中，所述噪声模型由噪声电场强度函数及其对应的边界条件组成，且所述噪声电场强度函数的虚部和实部分别满足二阶偏微分方程；

所述噪声结果输出单元，用于将所述结构参数值、所述稳态性能参数值和所述交流性能参数值导入所述噪声模型和所述边界条件中，并在待测SiC异构结微波二极管内的每个空间点均对所述噪声模型进行双迭代计算，得到待测SiC异构结微波二极管的噪声参数值。

其中，所述待测SiC异构结微波二极管的结构参数包括异构结面积、漂移区宽度、雪崩区宽度。

其中，所述待测SiC异构结微波二极管的稳态性能参数包括空穴分布或电子分布、空穴或电子电流密度分布、电场强度分布，以及峰值电场强度、击穿电压、雪崩频率、最大雪崩产生率、最大隧穿产生率、直流功率。

其中，所述待测SiC异构结微波二极管的交流性能参数包括负阻、电导、电纳，以及交流功率、直流—交流功率转换效率。

其中，所述待测SiC异构结微波二极管的噪声参数包括噪声电场强度分布、单位带宽的均方噪声电压和噪声测度。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、本发明实施例便捷地获得SiC异构结IMPATT、MITATT二极管的结构参数、稳态性能参数、交流性能参数、噪声参数，通过反映噪声电场强度在IMPATT、MITATT二极管有源区的分布，进而计算单位带宽的均方噪声电压、噪声测度随着频率变化的规律。推而广之，可以克服现有技术对SiC、GaN等异构结微波二极管噪声检测精度低、误差大的问题；

2、本发明实施例中单位带宽的均方噪声电压、噪声测度不依赖输入的直流功率、信号功率，能够准确反映SiC异构结IMPATT、MITATT二极管的噪声性能，因此可以开展逆向优化设计，推而广之，得到性能优越的SiC、GaN等异构结IMPATT、MITATT二极管，充分展示其应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的SiC异构结微波二极管噪声评价方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的SiC异构结微波二极管噪声的评价方法的应用场景中不同SiC异质结IMPATT、MITATT二极管结构及能带示意图；

图3为本发明实施例提供的SiC异构结微波二极管噪声的评价方法的应用场景中不同SiC异质结MITATT二极管内偏置电场强度的空间、时间分布图；

图4为本发明实施例提供的SiC异构结微波二极管噪声的评价方法的应用场景中不同SiC异质结MITATT二极管的端电压(V

图5为本发明实施例提供的SiC异构结微波二极管噪声评价方法的应用场景中不同SiC异质结IMPATT、MITATT二极管的噪声电场强度分布示意图；

图6为本发明实施例提供的SiC异构结微波二极管噪声的评价方法的应用场景中不同SiC异质结IMPATT、MITATT二极管的单位带宽的均方噪声电压示意图；

图7为本发明实施例提供的SiC异构结微波二极管噪声的评价方法的应用场景中不同SiC异质结IMPATT、MITATT二极管的噪声测度示意图；

图8为本发明实施例提供的SiC异构结微波二极管噪声的评价系统结构的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种SiC异构结微波二极管噪声的评价方法，包括以下步骤：

S1、获取工作在THz波段的待测SiC异构结微波二极管，并在包括电离雪崩效应、量子效应和场致隧穿效应的噪声影响因素中进行相应的选择，对待测SiC异构结微波二极管预设的连续性方程、电流密度方程及泊松方程进行修正；其中，待测SiC异构结微波二极管为SiC异构结的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；

S2、将待测SiC异构结微波二极管进行空间及时间二维网格化，并使修正后的连续性方程、电流密度方程及泊松方程分别经过空间及时间二维网格离散化处理，且将离散化的空穴电流密度、电子电流密度代入到离散化的连续性方程中，得到对应空穴、电子的三对角元素方程组的标准差分形式，进一步与离散化的泊松方程相结合，形成离散化处理后的方程组；

S3、求解离散化处理后的方程组，得到待测SiC异构结微波二极管的结构参数值、稳态性能参数值和交流性能参数值；

S4、构建待测SiC异构结微波二极管的噪声模型；其中，所述噪声模型由噪声电场强度函数及其对应的边界条件组成，且所述噪声电场强度函数的虚部和实部分别满足二阶偏微分方程；

S5、将所述结构参数值、所述稳态性能参数值和所述交流性能参数值导入所述噪声模型和所述边界条件中，并在待测SiC异构结微波二极管内的每个空间点均对所述噪声模型进行双迭代计算，得到待测SiC异构结微波二极管的噪声参数值。

具体过程为，以SiC异构结MITATT二极管为例对整个方法的流程进行详细说明，具体过程如下：

在步骤S1中，工作在THz波段的MITATT二极管，按照施敏的经验公式，W

在MITATT二极管中应该考虑电离雪崩效应、量子效应、场致隧穿效应对噪声的影响，分别修正二极管的连续性方程、电流密度方程、泊松方程。

其中，MITATT二极管的空穴、电子的连续性方程(1)、(1′)以及电流密度方程(2)、(2′)应该考虑电离雪崩效应、场致隧穿效应、量子效应，分别修正为：

式中q为基本电荷量，

在式(1)、(1′)中的空穴、电子雪崩电离产生率G

G

G

式中α

MITATT二极管工作在THz频段时，它内部有源区的电场强度(E)很高，α

式中P

空穴、电子速率v

式中v

在MITATT二极管中，空穴、电子隧穿同时发生，空穴、电子隧穿产生率相同，即G

g

其中，系数A

式中m

位置x、x

x

x

式中E

MITATT二极管的工作波长进入THz频段，二极管的尺寸接近SiC半导体中空穴、电子的德布罗意波长λ

式中

在步骤S2中，首先，把MITATT二极管空间、时间二维网格化，即将MITATT二极管有源区的一维空间(x)、一维时间(t)分别均匀分隔，形成均匀网格；其中，1、2、……、i、……、N代表电子、空穴浓度位置的空间节点；1、2、……、j、……、N代表电场强度、电流密度、产生率位置的空间节点，相邻点之间的位置差Δx为一维空间的步长；1、2、……、k、……、N为时间节点，相邻点之间的时间差Δt为一维时间的步长，其中i、j、k、N都为自然数，而且i、j、k均小于N，N小于10000；

然后，把包含空间、时间的方程组离散化，即修正后的连续性方程、电流密度方程及泊松方程均经空间及时间二维网格离散化处理；将离散化的空穴电流密度J

此时，空穴、电子的三对角元素方程组的标准差分形式，具体如下：

-A

-A

式中P

其中，系数

其中，

式中J

离散化的泊松方程为：

式中E

在步骤S3中，式(8)、(8′)除了k+1时刻的空穴、电子浓度分布是未知量外，其余的都是已知量，利用此二式即可求得k+1时刻的空穴、电子浓度分布。

利用k+1时刻的空穴、电子浓度分布，通过泊松方程可求得k+1时刻所述MITATT二极管内部电场强度分布。将k+1时刻的电场分布、载流子分布作为条件再次代入式(8)、(8′)、(9)即可获得k+2时刻的电场分布。依此类推，完成所有时刻的计算。

通过式(8)、(8′)、(9)以及设定的初始空穴、电子分布P(x,t

例如，二极管内部的电流密度分布可计算雪崩区宽度；载流子的空间分布可计算电场强度的空间和时间上的分布；又如，对一个周期的电流求平均，即得直流电流密度J

另外，由于热阻与输出功率的相互制约关系，即使选用了低热阻率的SiC来制造MITATT二极管，为了在高温环境里发射更高的功率，也需要优化SiC异构结的面积S。工作频率处的输出功率P

式中γ为常数，R

在步骤S4中，首先，假设理想情况，THz频段的SiC异构结MITATT二极管的噪声来自于材料在偏置电压下电离雪崩的随机波动，造成了MITATT二极管内部的电场的波动。SiC的α

SiC异构结MITATT二极管内的噪声电场强度ζ(x,x′)＝ζ

式中

噪声电场强度ζ(x,x′)在SiC异构结MITATT二极管两端n

噪声电场强度ζ(x,x′)在SiC异构结MITATT二极管内形成的端电压V

另一方面，根据散粒噪声理论，在频率间隔df内由噪声源γ(x′)在dx′范围产生的均方噪声电流密度元

SiC异构结MITATT二极管的转移阻抗Z

Z

SiC异构结MITATT二极管的单位带宽的均方噪声电压

SiC异构结MITATT二极管的噪声测度(NM)的表示为：

NM＝[V

其中，k为玻尔兹曼常数，T为热力学温度。

其次，利用双迭代技术，数值求解满足边界条件(12)、(12′)的二阶偏微分方程(11)、(11′)。噪声源γ(x′)中的x′从MITATT二极管内雪崩区的左边界开始到雪崩区的右边界结束，在MITATT二极管内有源区的每个空间点都执行二阶偏微分方程(11)、(11′)的双迭代计算，可以分别得到噪声电场强度的实部[ζ

应当指出，IMPATT二极管的噪声参数值计算，除了在步骤S1的连续性方程(1)、(1′)和电流密度方程(2)、(2′)中噪声因素不考虑场致隧穿效应之外，其它计算过程可参照上述MITATT二极管中步骤S1～步骤S5，在此不再赘述。

在本发明实施例中，MITATT二极管和IMPATT二极管的工作频率f

如图2至图7，对本发明实施例提供的SiC异构结微波二极管噪声的评价方法的应用场景做进一步说明：

通常选用6H-SiC、4H-SiC、3C-SiC组成异构结，共有(n)3C-SiC/(p)4H-SiC、(n)3C-SiC/(p)6H-SiC、(n)4H-SiC/(p)6H-SiC、(n)4H-SiC/(p)3C-SiC、(n)6H-SiC/(p)3C-SiC、(n)6H-SiC/(p)4H-SiC异构结IMPATT、MITATT二极管各6种。在图2中，(a)、(b)为IMPATT二极管的结构及能带示意图；(c)、(d)为MITATT二极管的结构及能带示意图。

外加交流电压在不同SiC异构结MITATT二极管内产生的电场强度分布如图3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)所示。IMPATT二极管内产生的电场强度分布没有陈列出来。数值计算发现，场致隧穿效应引起MITATT二极管内偏置电场强度分布与无此效应的IMPATT二极管内偏置电场强度分布差距很小。另外，由两种不同SiC构成的异构结，只要交换了p区、n区，如(n)4H-SiC/(p)6H-SiC、(n)6H-SiC/(p)4H-SiC，它们形成的IMPATT和MITATT二极管内的偏置电场强度分布差距很大。因为同一种SiC内的载流子类型不同，空穴、电子的饱和漂移速度(V

不同SiC异构结MITATT二极管的端电压V

数值计算对比发现，SiC异构结MITATT二极管和与之对应IMPATT二极管的V

图5(a)、(b)、(c)、(d)展示了不同SiC异构结IMPATT、MITATT二极管的噪声电场强度分布。对比图5(a)与图5(c)、图5(b)与图5(d)可见，IMPATT二极管噪声电场强度比MITATT二极管的高，说明场致隧穿效应不会造成电离电子-空穴对的涨落，抑制了噪声电场的形成。

从图5可见，包含3C-SiC的异构结IMPATT、MITATT二极管的噪声电场强度[(ζ

图6(e)、(f)、(g)、(h)展示了不同SiC异构结IMPATT、MITATT二极管单位带宽的均方噪声电压(〈V>

图7(i)、(j)描述不同SiC异构结IMPATT、MITATT二极管的噪声测度(NM)。其中可见，NM值在0.65THz到1.10THz的频率范围内先减小后增大，在0.85THz频率附近处出现最小值。根据式(17)可知，NM值与

本发明实施例数值模拟了不同SiC异构结IMPATT、MITATT二极管的噪声电场强度分布、单位带宽的均方噪声电压、噪声测度。计算程序思路清晰，步骤简化，可以便捷地获得SiC异构结IMPATT、MITATT二极管的结构、稳态性能、交流性能、噪声参数，找出噪声性能优化的二极管。反之，可以逆向探索什么样的材料适合制造此类二极管，减少盲目性，提供效率，降低成本。因此，本文的方法可以作为一种评价宽禁带半导体异质结IMPATT、MITATT二极管噪声的方法。

如图8所示，为本发明实施例中提供的一种SiC异构结微波二极管噪声的评价系统，包括方程修正单元110、方程离散单元120、方程求解单元130、噪声模型构建单元140和噪声结果输出单元150；其中，

所述方程修正单元110，用于获取待测SiC异构结微波二极管，并在包括电离雪崩效应、量子效应和场致隧穿效应的噪声影响因素中进行相应的选择，对待测SiC异构结微波二极管预设的连续性方程、电流密度方程及泊松方程进行修正；其中，待测SiC异构结微波二极管为SiC异构结的IMPATT二极管或MITATT二极管；

所述方程离散单元120，用于将待测SiC异构结微波二极管进行空间及时间二维网格化，并使修正后的连续性方程、电流密度方程及泊松方程分别经过空间及时间二维网格离散化处理，且将离散化的空穴电流密度、电子电流密度代入到离散化的连续性方程中，得到对应空穴、电子的三对角元素方程组的标准差分形式，进一步与离散化的泊松方程相结合，形成离散化处理后的方程组；

所述方程求解单元130，用于求解离散化处理后的方程组，得到待测SiC异构结微波二极管的结构参数值、稳态性能参数值和交流性能参数值；

所述噪声模型构建单元140，用于构建待测SiC异构结微波二极管的噪声模型；其中，所述噪声模型由噪声电场强度函数及其对应的边界条件组成，且所述噪声电场强度函数的虚部和实部分别满足二阶偏微分方程；

所述噪声结果输出单元150，用于将所述结构参数值、所述稳态性能参数值和所述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迭代计算，得到待测SiC异构结微波二极管的噪声参数值。

其中，所述待测SiC异构结微波二极管的结构参数包括异构结面积、漂移区宽度、雪崩区宽度。

其中，所述待测SiC异构结微波二极管的稳态性能参数包括空穴分布或电子分布、空穴或电子电流密度分布、电场强度分布，以及峰值电场强度、击穿电压、雪崩频率、最大雪崩产生率、最大隧穿产生率、直流功率。

其中，所述待测SiC异构结微波二极管的交流性能参数包括负阻、电导、电纳，以及交流功率、直流—交流功率转换效率。

其中，所述待测SiC异构结微波二极管的噪声参数包括噪声电场强度分布、单位带宽的均方噪声电压和噪声测度。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

1、本发明实施例便捷地获得SiC异构结IMPATT、MITATT二极管的结构参数、稳态性能参数、交流性能参数、噪声参数，通过反映噪声电场强度在IMPATT、MITATT二极管有源区的分布，进而计算单位带宽的均方噪声电压、噪声测度随着频率变化的规律。推而广之，可以克服现有技术对SiC、GaN等异构结微波二极管噪声检测精度低、误差大的问题；

2、本发明实施例中单位带宽的均方噪声电压、噪声测度不依赖输入的直流功率、信号功率，能够准确反映SiC异构结IMPATT、MITATT二极管的噪声性能，因此可以开展逆向优化设计，推而广之，得到性能优越的SiC、GaN等异构结IMPATT、MITATT二极管，充分展示其应用前景。

应当指出，上述系统实施例所包括的各个部件只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所陈述的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。