矽基材微型電熱元件之熱與電性之模擬

Abstract

本論文研究目的在模擬一種以矽（Si）材為主的紅外影像產生器的行為，以便能訊速 地瞭解該元件的工作特性，作為在製造上的參考。在研究中，由矽材的熱容量，熱導 率和電導對濃度與溫度的關係代入非線性齊次熱流方程式中，得出矽材浮橋的焦耳電 熱性質，並分析在熱傳上微小電流變化時溫度的躡擾效應。並結合SPICE （微電子電 路模擬）程式與吾人之程式，模擬出閘電壓控制此微熱器之行為。在我們的數值模擬 中，發現驅動電流之臨界值有溫度不定性之現象，我們經由一新奇的回授電路，可克 服此一溫度不定性。經由對矽材浮橋在不同條件及不同控制電路的研究，我們可模擬 出一最佳化的矽材微熱器元件。 本篇研究矽材微熱器的基本電熱特性，並成功模擬出整個元件的工作特性。我們研究 了在一維上矽材的熱容量，熱導率和電導上的電熱現象，並分析在熱傳上微小電流變 化時溫度的躡擾效應。再結合SPICE 程式將微熱器整合性地模擬出閘電壓與輻射之間 的現象。 在研究中發現臨界現象，幾乎在同一電流時浮橋會產生溫度之不安定性，此現象是因 為矽材電阻係數及導熱率與溫度之間非線性變化所然。由於此現象的發現，將有助於 防止浮橋的熱逃逸（Thermal runaway ），而使浮橋燒毀。 雖然，本模擬系統被我們建立，可是仍有缺點尚須改進。若模擬矽材浮橋能由一維擴 展至二維，能更靈活地變化浮橋的樣式與形狀，進而得一最佳化的浮橋形式。 由於本研究已成功地模擬出矽材微熱器的特性行為，且適用於不同的製造條件，製造 一最佳化之結構，此成果將有助於往後進一步的研究與發展。