无结纳米管场效应晶体管(JLNT-FET)和反转模式纳米管场效应晶体管(IMNT-FET)因具有较好的驱动能力和对短沟道效应 (SCE) 卓越的抑制能力而被关注, 自热效应 (SHE)作为影响其电热性能的关键问题而被广泛研究。文章基于TCAD数值仿真, 通过对环境温度(TA)、接触热阻(Rtc)以及侧墙长度(LS)对体传导的JLNT-FET和表面传导的IMNT-FET的最大晶格温度(TLmax)、最大载流子温度(TCmax)、漏极电流(IDS)和栅极泄漏电流(IG)等器件参数影响的分析, 对比研究了JLNT-FET和IMNT-FET中传导机制对电热特性的影响。结果表明, 较高的TA、较大的Rtc及较小的LS, 都会加剧器件的声子散射, 导致严重的SHE。同时, 由于传导机制的差异, 体传导受界面散射和声子散射影响较小, JLNT-FET具有更好的电热特性。

介绍了多晶硅电阻非线性度对信号链整体电路性能的影响, 分析了多晶硅电阻非线性产生的原因。提出了衬底电位补偿和组合多晶补偿两种非线性补偿设计方法。采用仿真和测试, 对比了未经补偿、新补偿方法的12位D/A转换器的性能。结果表明, 经过多晶硅电阻补偿和非线性补偿后的D/A转换器达到了更优的线性度。

对90 nm PDSOI MOSFET的热阻进行了提取与研究。以H型栅MOSFET为研究对象，将源体二极管作为温度敏感器，通过测量源体结电流与器件温度的关系以及源体结电流与器件功率的关系，获得MOS器件功率与器件温度的关系，从而获取MOS器件热阻值。实验结果表明，该工艺下PMOS器件的热阻比NMOS器件大，其原因是PMOS体区掺杂浓度比NMOS高，而掺杂浓度越高，导热性越差，热阻就越大；H型栅器件的归一化热阻随沟道宽度的增加而增大，其原因是随着沟道宽度的增加，体引出区域对器件导热的贡献变小；热阻随环境温度的上升而减小，其原因是二氧化硅埋氧层的导热率随温度的升高而增大。

研究了氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的温度特性, 分析了自热效应造成GaN HEMT的电流崩塌现象。提出了一种图形化衬底技术来降低器件温度。在缓冲层与衬底界面设置与缓冲层同材料的梯形微阱, 在势垒层与钝化层界面设置无掺杂和低Al组分的AlGaN矩形微阱。结果表明, 与无微阱结构器件相比, 新型有微阱结构器件的温度峰值降低了18.148 K, 电流崩塌效应改善比值达20.64%。

热响应时间是微测辐射热计的关键参数，它会制约非制冷红外探测器的最高工作帧频。热响应时间的像元级测试能够真实反映传感器的物理热响应时间，为产品设计优化提供及时、有效的数据支持，因此准确测量该参数具有十分重要的意义。但目前像元级测试方法均未能有效补偿微测辐射热计的自热效应，无法精准地测量热响应时间。基于频率响应法测试了微测辐射热计的有效热响应时间。通过用电阻温度系数对自热效应进行补偿，可以精确测量物理热响应时间。通过实验分析了不同偏置电流下测得的物理热响应时间。结果表明，该方法准确度高，稳定性强。

为了在高功率体声波谐振器的设计中考虑自热效应的影响, 提出一种声-电磁-热多物理场协同仿真方法, 来模拟自热导致的频率偏移, 并针对此频率偏移的消除问题, 提出了相应的修正方案。首先, 由常用的Mason模型设计出满足谐振频率要求的初始谐振器。接着, 通过声-电磁-热多物理场协同仿真得到自热导致的频率偏移。然后, 初步调整压电层厚度, 来抵消此频率偏移。最后, 对调整后的谐振器迭代进行声-电磁-热多物理场协同仿真, 以确定压电层厚度的调整量。结果表明: 自热效应会导致高功率体声波谐振器的谐振频率明显下偏(谐振器案例的频率偏移量为3 MHz), 通过减薄压电层厚度(案例中为1.7 nm)可彻底消除此频率偏移。所提出的高功率体声波谐振器的修正方案能有效地解决自热效应导致的谐振频率偏移问题。

随着信号输入功率的升高, 电容式RF MEMS开关会发生自热效应使膜片变形, 引起开关气隙高度的改变, 导致开关驱动电压漂移, 严重影响其可靠性。由于自热效应的失效机理涉及到复杂的多物理场耦合, 因此提出了“电磁-热-应力”的多物理场协同仿真方法描述其失效模式, 并分析其失效机理。首先利用HFSS软件建立开关的电磁仿真模型, 得到不同输入功率下膜片的耗散功率; 再以此作为热源, 利用ePhysics软件建立开关的热仿真模型, 得到膜片上的温度分布; 然后将温度梯度作为载荷, 利用ePhysics软件建立开关的应力仿真模型, 得到开关的形变行为; 最后, 根据膜片形变所致的气隙高度变化, 得到驱动电压漂移的失效预测模型。以一种具有矩形膜片结构的典型电容式RF MEMS开关为例, 利用该方法得到: 矩形膜片表面电流密度主要分布在膜片的长边的边缘; 温度沿膜片长边逐渐降低, 且膜片中心处温度最高、锚点处温度最低; 膜片的热应力变形呈马鞍面形, 且最大形变点发生在膜片长边的边缘处, 仿真还得到0~5 W输入功率下膜片的最大形变量; 并拟合出了0~5 W输入功率下的开关驱动电压-输入功率漂移曲线, 该曲线具有线性特征并与文献实测数据极为吻合, 由此证明了该方法的有效性。

为解决常用经验计算公式参数复杂、产热项考虑不足等问题，采用优化的激光器热模型分析了激光器连续工作时有源区温度的变化并进行了实验验证。通过分析有源区注入载流子产热机制，建立了替代传统的热源计算公式的经验计算公式，考虑了载流子通过激光器内部渐变异质结时的势垒电阻以提高焦耳热计算精度。制作了电极尺寸为10 μm、台面尺寸为20 μm的半导体激光器件并对器件热特性进行了模拟。由于未考虑热载流子注入效应，利用传统经验公式得出的有源区热功率密度比提出的优化模型偏低，因而理论模拟的器件内部温升也偏低。对激光器出光特性进行测试，推导出不同注入电流下激光器内部有源区的温升。测量与理论分析对比表明，采用经验公式得出的结果比实际测试结果偏低，而优化的热模型解决了该问题，利用该方法得出的有源区温升与测试结果最大偏差仅为0.2 K，且温升随注入电流的变化趋势一致。

从理论上研究了n型分布布拉格反射镜(n-DBR)的反射率对器件阈值电流、输出功率以及转换效率的影响，得出了最佳反射率。在此基础上研制了垂直腔面反射激光器(VCSEL)单管和阵列器件，采用波形分析法对VCSEL器件的功率进行了测试。在脉冲宽度60 ns，重复频率100 Hz条件下，500 μm口径单管器件在注入电流为110 A时，峰值输出功率达102 W，功率密度为52 kW/cm2，4×4、5×5阵列器件在100 A时，功率分别达到98 W和103 W。对比了单管器件在连续、准连续和脉冲工作条件下的输出特性和光谱特性，连续和准连续条件下激射波长的红移速率分别为0.92 nm/A和0.3 nm/A，6 A时的内部温升分别为85 ℃和18 ℃，而脉冲条件下激射波长的红移速率仅为0.0167 nm/A，6 A时的温升为1.5 ℃，远小于连续和准连续的情况，这也是器件在脉冲条件下能得到很高输出功率的主要原因。