碰撞离化雪崩渡越时间(Impact-Ionization-Avalanche-Transit-Time,IMPATT)二极管已经广泛应用在频率范围从10GHz到300GHz之间的射频功率产生源,特别是在微波和毫米波频段,碰撞离化雪崩渡越时间二极管作为最强大的固态源而被广泛地应用在雷达和通信系统的发射源中。此外,碰撞离化雪崩渡越时间二极管因为是两端器件,因而和晶体管比较起来,可制造性更强。碰撞离化雪崩渡越时间二极管在给定频率上的最大输出功率与所采用材料的材料特性有很大的关系,SiC材料因为具有大的击穿电场和高的电子饱和速度,所以SiC基碰撞离化雪崩渡越时间二极管的最大输出功率能力分别是Si基和GaAs基碰撞离化雪崩渡越时间二极管的400倍和350倍。本论文主要对工作于D波段的SiC基IMPATT二极管进行了相关研究,研究内容如下几个方面:1.各向异性对D波段SiC基IMPATT二极管性能的影响。根据碰撞离化雪崩渡越时间二极管的理论,电荷载流子的碰撞离化率对控制碰撞离化雪崩渡越时间二极管的性能起很重要的作用,而碳化硅材料在<0001>方向和<1120>方向的载流子碰撞离化率具有较大的差异,因此,我们预测<0001>方向和<1120>方向4H-SiC碰撞离化雪崩渡越时间二极管的性能会有所不同。我们通过计算机仿真的方法对有相同结构的<0001>方向和<1120>方向4H-SiC碰撞离化雪崩渡越时间二极管的直流和高频特性做了详细的研究,并对仿真结果做了讨论。由于基于4H-SiC材料的碰撞离化雪崩渡越时间二极管以一维电流流动为主,所以基于4H-SiC材料的碰撞离化雪崩渡越时间二极管的性能可以通过选择合适的电流流动的晶向来进行优化。仿真结果表明,和<1120>方向器件相比,<0001>方向器件具有较大的漂移区电压和较高的转换效率。<0001>方向4H-SiC碰撞离化雪崩渡越时间器件较高的击穿电压和较大的转换效率导致了<0001>方向的毫米波输出功率高于<1120>方向器件的输出功率。然而,<1120>方向4H-SiC碰撞离化雪崩渡越时间器件的品质因数Q值低于<0001>方向,因此,<1120>方向器件相比<0001>方向器件,具有较好的稳定性和较高的微波振荡生长率。所以,设计4H-SiC碰撞离化雪崩渡越时间器件时,必须要考虑4H-SiC材料的各向异性。2.工作温度对SiC基单漂移结构IMPATT二极管直流和高频特性的影响。首先,通过MEDICI仿真平台仿真研究了工作温度对四种结构D波段单漂移4H-SiC基碰撞离化雪崩渡越时间二极管的击穿电压,击穿电场在耗尽层内的分布,雪崩区宽度,雪崩区宽度与耗尽层宽度的比值,最佳工作频率,直流到射频转换效率和射频功率输出的影响。由于p~+区杂质的不完全离化影响着单漂移4H-SiC基碰撞离化雪崩渡越时间二极管的性能随温度的变化,我们通过变化p~+nn~-n~+结构4H-SiC基碰撞离化雪崩渡越时间二极管的p~+区掺杂浓度来研究p~+区掺杂浓度不同的4H-SiC基碰撞离化雪崩渡越时间二极管的雪崩区宽度和直流到射频转换效率随工作温度的变化。研究结果表明,在相同的工作温度下,二极管雪崩区的宽度随着p~+区掺杂浓度的增加而下降,二极管直流到射频转换效率随着p~+区掺杂浓度的增加而增加;此外,在较低的温度范围,较低p~+区掺杂浓度二极管的雪崩区宽度和直流到射频转换效率的变化比较高p~+区掺杂浓度二极管的大。因此在较低温度范围,杂质的不完全离化对较低p~+区掺杂浓度碰撞离化雪崩渡越时间二极管的影响更大一些。最后,当p~+区掺杂浓度相当低时,获得最大直流到射频转换效率的最佳工作温度将会增大。仿真结果表明了和Si基碰撞离化雪崩渡越时间二极管比较,4H-SiC基单漂移碰撞离化雪崩渡越时间二极管将更适合应用于较高工作温度。3.改进型高低结构IMPATT二极管的研究。我们通过改变高低结构IMPATT二极管雪崩区的掺杂分布,来改变IMPATT二极管的雪崩区宽度,并使得雪崩区产生的电子-空穴对数量增大,从而进一步提高了IMPATT二极管的转换效率和射频输出功率。仿真结果表明,和传统高低结构IMPATT二极管相比,改进型高低结构IMPATT二极管的转换效率在设计频段内提高了30%,并且射频输出功率也有了较大的提高。4.对6H-SiC基IMPATT二极管和4H-SiC基IMPATT二极管进行了比较研究。首先,由于6H-SiC材料具有各向异性,我们对各向异性对6H-SiC基IMPATT二极管的性能影响做了研究。研究结果表明,和<1100>方向相比,<0001>方向6H-SiC基IMPATT二极管具有较高的转换效率和较大的射频输出功率。最后,把材料各向异性考虑在内,我们对6H-SiC基IMPATT二极管和4H-SiC基IMPATT二极管做了性能比较。