ОСОБЕННОСТИ НЕЛОКАЛЬНОГО ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В МОЩНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ С СУБМИКРОННЫМ ЗАТВОРОМ

January 2, 2013 by admin Комментировать »

Аннотация – Разработана простая модель, позволяющая оценивать размеры области тепловыделения в мощных полевых транзисторах в зависимости от параметров транзисторной структуры и топологии транзистора. Показано, что реальная область тепловыделения оказывается гораздо меньше не только размеров периодической структуры транзистора но и размеров затвор-сток. На основе точных трехмерных расчетов показано, что учет реальных размеров области тепловыделения повышает расчетные значения температуры в канале транзистора на 10 – 30 °С.

I.                                       Введение

При проектировании СВЧ МИС мощных усилителей и мощных полевых транзисторов очень важна правильная оценка максимальной температуры канала. Плотность упаковки ограничена максимально возможным размером кристалла с одной стороны, максимальной температурой канала 150°С с другой.

II.                              Основная часть

При анализе тепловых режимов мощных полевых транзисторов существенное значение приобретает оценка размеров области тепловыделения. В области со стационарным дрейфом электронов тепловыделение почти на порядок меньше полной рассеиваемой в транзисторе мощности. Основная энергия получается и рассеивается электронами в области домена сильного поля, размер и форма которого существенно зависят от параметров активного слоя, топологии транзистора и режима работы прибора.

Плотность источников тепла Qs в сечении транзистора площадью S в простейшем гидродинамическом приближении [1] пропорциональна энергии рассеиваемой электронами в единицу времени:

здесь q, п, ε, V-заряд, концентрация, энергия и скорость электронов εο-энергия электронов при температуре решетки, / – ток текущий через транзистор, τ^(ε) – время релаксации электронов по энергии, £s

(ε), \/s (ε) – статические значения напряженности электрического поля и скорости.

Характерные графики расчетных зависимостей для типичной транзисторной структуры в рабочем режиме приведены на рис 1. Видно, даже с учетом погрешности упрощенной модели, характерные размеры области тепловыделения составляют не более одного микрона. Кроме того:

1.         Под самим затвором, где скорость электронов максимальна, плотность рассеиваемой энергии мала. Область интенсивного тепловыделения смещена за затвор, в то время как сам домен сильного поля и область высоких энергий электронов существенно заходят под затвор. Это объясняется низкой концентрацией электронов под затвором.

2.         Область интенсивного тепловыделения уже не только области высоких энергий электронов но и области домена сильного поля. Это происходит как по

причине указанной выше, так и из-за резкого падения интенсивности рассеяния с уменьшением энергии до величин междолинного зазора.

Рис. 1. Распределения в канале транзистора

плотности тепловыделения Q (———— ), дрейфовой

скорости V (——– ) напряженности электрического

поля Е (……. ■) и энергии ε(— ■ —

Дудинов к. В., Ипполитов В. М., Пашковский А. Б. ФГУП НПП «Исток» Вокзальная 2а, г. Фрязино, 141190, Россия тел.: (495) 4658620, e-mail: solidstate10@mail.ru

Fig. 1. Distribution of thermal-power density Q (————– )

drift velocity v (————– ), electric field E (……… ■) electron

energy ε(— ■ — ■—) In transistor channel

В принципе можно подобрать параметры заглубления или профиль легирования транзистора так, чтобы домен сильного поля в рабочей точке занимал практически всю область под затвором (рис.2). Скорее всего данный режим реализует более оптимальную тепловую нагрузку транзистора.

Рис. 2. Распределения в канале транзистора

плотности тепловыделения Q (———— ), дрейфовой

скорости V (——— ) напряженности электрического

поля Е (……. ■) и энергии ε(———— ).

Fig. 2. Distribution of thermal-power density Q (————– )

drift velocity v (————– ), electric field E (……… ■) electron

energy ε(— ■ — ■—) In transistor channel

Bee рассматриваемые мощные ПТШ являются транзисторами прямого монтажа. Поэтому тепловые потоки в кристалле направлены от источников тепла на верхней поверхности пластины к ее нижней поверхности, температура которой принимается равной температуре окружающей среды – То.

Для расчета максимальной температуры транзисторов и МИС была применена программа, реализующая решение трехмерной задачи теплопроводности методом конечных элементов. Для получения качественной конечно-элементной сетки допустимого объема необходимо в качестве расчетной модели использовать фрагмент кристалла, намного меньший, чем весь кристалл. С другой стороны ограничения на растекание тепла в плоскости кристалла, определяемые размерами фрагмента, не должны заметно влиять на результат расчета. В результате проведенных исследований в качестве расчетной модели был выбран фрагмент кристалла с размерами, представленными на рис.З

Рис. 3. Моделируемая область.

Fig. 3. Prototype area

Здесь: О-точка максимального нагрева;

L – длина пальца затвора;

Usd.V

Рис. 4. Зависимость максимальной температуры в канале транзистора от напряжения на стоке.

Трехмерный расчет {         ), расчет по модели [2] (- –),.D-To=85C, А-То=25 С.

S        – расстояние между соседними затворами; В > 0.5 L+50 мкм

Fig. 4. Maximum transistor channel temperature versus

drain voltage. Three-dimensional model (———– ), model

[2]                     (- – – -),.D- To=85 C, A – To=25 С

Результаты расчета для транзисторов, разработанных в ФГУП НПП «ИСТОК», каждый из которых состоит из 8 ячеек с шириной затвора 1680 мкм при длине затвора около 0,25 мкм, расположенных на GaAs подложке толщиной 25 мкм и концентрацией доноров в активном слое 3 н-4-10”^ см’® позволяющих при суммировании мостами Вилкинсона получать выходную мощность более 5 ВТ в двухсантиметровом диапазоне длин волн приведены на рис.4. Для сравнения на рисунке приведены расчеты по общепринятой модели [2] в которой область тепловыделения предполагается равномерно распределенной по поверхности транзистора.

Видна существенная разница в расчете с локальной областью тепловыделения. Так учет локальности области тепловыделения приводит к уменьшению максимально допустимого напряжения на затворе в стандартных режимах примерно на 1 – 1,5 В. (или занижению температуры рабочей области примерно на 10-30 °С).

IV.                                  Заключение

Разработана простая модель, позволяющая оценивать размеры области тепловыделения в мощных полевых транзисторах в зависимости от параметров транзисторной структуры и топологии транзистора. Показано, что реальная область тепловыделения оказывается гораздо меньше не только размеров периодической структуры транзистора, но и размеров затвор-сток. На основе точных трехмерных расчетов показано, что учет реальных размеров области тепловыделения повышает расчетные значения температуры в канале транзистора на 10-30 °С.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 04- 02-17177).

IV.                           Список литературы

[1] л. А. Кальфа, А. Б. Пашковский, А. С. Тагер Нелокальные и диффузионные эффекты в полевых транзисторах с субмикронным затвором // Радиофизика. 1985, Т.28.

№ 12. С. 1583-1589.

[2] Сооке Н. F. «Precise technique Finds FET Thermal Resistance» Microwaves Theory and Technique, MTT-3, 1955, pp134.

UNLOCAL HEAT GENERATION PICUALITIERS IN HIGH POWER SUBMICROMETER GATE FET’S

Dudinov K. V., IppolitovV. М., PashkovskyA. B.

Federal State Unitary Corporation R&PC «Istok» Vokzainaya 2a, Fryazino, 1411906 Russia

Ph.: (095) 4658620, e-mail: solldstate10@mall.ru

Abstract- Simple model for heat generation area size depending on transistor topology and active layers properties is developed. It is shown that real heat generation area size is much less than transistor structure period and the gate drain distance. By three – dimension modeling it is shown that taking into account real heat generation area size raised estimated channel temperature by 10 – 30 °C.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты