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。

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。

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。

基于能量方程、热流方程和边界条件，推导出了非晶硅薄膜晶体管的沟道热阻模型。采用该模型可准确预估器件有源层内的平均温度。在沟道热阻模型的基础上，考虑器件间场氧化层和金属互联线的影响，建立了非晶硅薄膜晶体管的二维热阻模型。采用该模型可描述器件有源层内温度的横向分布，并快速预估沟道内的最高结温。最后，将模型预测结果与器件模拟仿真结果进行了对比，两者拟合良好。

介绍了激光二极管(LD)侧面抽运Nd:YAG晶体腔外四倍频获得平均功率为1.85 W的266 nm全固态紫外激光器。采用双棒串接结构, 对热致双折射作用引起的退偏效应进行补偿, 获得高光束质量、高稳定性的线偏振1064 nm基频光输出。分别采用Ⅰ类非临界相位匹配的三硼酸锂(LBO), Ⅰ类相位匹配的β相偏硼酸钡(BBO)作为腔外倍频和四倍频晶体, 获得了平均功率1.85 W, 脉冲重复频率10 kHz和转换效率达13.3%的紫外激光输出。同时研究了BBO晶体自热效应对四倍频相位匹配角的影响, 提出了可以通过调整BBO晶体的角度来减小自热效应的影响。

激光测距系统中的发射器件和接收器件具有温敏特性且均为小功率器件,精密测温电路采用Pt电阻时,Pt电阻的自热效应影响测温精度。为减小自热效应产生的测温误差,在分析Pt电阻测温误差产生机理的基础上,提出了一种新的脉冲电流供电方案,建立了脉冲电流供电电路及其自热升温过程的数学模型,给出了脉冲宽度和热量积累的关系,并通过合理控制脉冲宽度大大减小了自热效应引起的测温误差。使用高阶正交多项式拟合法对Pt电阻的非线性进行了补偿,给出了该系统温度测量模块测量数据与一级标准铂电阻温度值的比较实验,在不同的温度点,该温度测量系统的最大误差为0.000 6 ℃。系统稳定性测试结果表明,该系统在0~15 ℃时,各温度点控制稳定度均优于0.005 ℃,满足高精度激光测距的需要。