Анотація – Розроблено проста модель, що дозволяє оцінювати розміри області тепловиділення в потужних польових транзисторах залежно від параметрів транзисторної структури і топології транзистора Показано, що реальна область тепловиділення виявляється набагато менше не тільки розмірів періодичної структури транзистора але і розмірів затвор-стік На основі точних тривимірних розрахунків показано, що врахування реальних розмірів області тепловиділення підвищує розрахункові значення температури в каналі транзистора на 10 – 30 ° С

I                                       Введення

При проектуванні НВЧ МІС потужних підсилювачів і потужних польових транзисторів дуже важлива правильна оцінка максимальної температури каналу Щільність упаковки обмежена максимально можливим розміром кристала з одного боку, максимальною температурою каналу 150 ° С з іншого

II                              Основна частина

При аналізі теплових режимів потужних польових транзисторів істотне значення набуває оцінка розмірів області тепловиділення В області зі стаціонарним дрейфом електронів тепловиділення майже на порядок менше повної розсіюється в транзисторі потужності Основна енергія виходить і розсіюється електронами в області домену сильного поля, розмір і форма якого істотно залежать від параметрів активного шару, топології транзистора та режиму роботи приладу

Щільність джерел тепла Qs в перетині транзистора площею S у найпростішому гидродинамическом наближенні [1] пропорційна енергії розсіюється електронами в одиницю часу:

тут q, п, ε, V-заряд, концентрація, енергія і швидкість електронів εο-енергія електронів при температурі решітки, / – струм поточний через транзистор, τ ^ (ε) – час релаксації електронів по енергії, £ s

(Ε), \ / s (ε) – статичні значення напруженості електричного поля і швидкості

Характерні графіки розрахункових залежностей для типової транзисторної структури в робочому режимі наведено на рис 1 Видно, навіть з урахуванням похибки спрощеної моделі, характерні розміри області тепловиділення складають не більше одного мікрона Крім того:

1 Під самим затвором, де швидкість електронів максимальна, щільність розсіюваною енергії мала Область інтенсивного тепловиділення зміщена за затвор, в Тоді як сам домен сильного поля і область високих енергій електронів істотно заходять під затвор Це пояснюється низькою концентрацією електронів під затвором

2 Область інтенсивного тепловиділення вже не тільки області високих енергій електронів а й області домену сильного поля Це відбувається як по

причини зазначеної вище, так і через різке падіння інтенсивності розсіювання із зменшенням енергії до величин междолинного зазору

Рис 1 Розподілу в каналі транзистора

щільності тепловиділення Q (————), дрейфовой

швидкості V (——–) напруженості електричного

поля Е (…… ■) і енергії ε (- ■ –

Дудинов к В, Ипполитов В М, Пашковський А Б ФГУП НПП «Исток» Вокзальна 2а, м Фрязіно, 141190, Росія тел: (495) 4658620, e-mail: solidstate10@mailru

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

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

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

У принципі можна підібрати параметри заглиблення або профіль легування транзистора так, щоб домен сильного поля в робочій точці займав практично всю область під затвором (рис2) Швидше за все даний режим реалізує більш оптимальну теплове навантаження транзистора

Рис 2 Розподілу в каналі транзистора

щільності тепловиділення Q (————), дрейфовой

швидкості V (———) напруженості електричного

поля Е (…… ■) і енергії ε (————)

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

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

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

Bee аналізовані потужні ПТШ є транзисторами прямого монтажу Тому теплові потоки в кристалі спрямовані від джерел тепла на верхній поверхні пластини до її нижньої поверхні, температура якої приймається рівною температурі навколишнього середовища – То

Для розрахунку максимальної температури транзисторів і МІС була застосована програма, що реалізує рішення тривимірної задачі теплопровідності методом кінцевих елементів Для отримання якісної звичайно-елементної сітки допустимого обсягу необхідно в якості розрахункової моделі використовувати фрагмент кристала, набагато менший, ніж весь кристал З іншого боку, обмеження на розтікання тепла в площині кристала, визначаються розмірами фрагмента, не повинні помітно впливати на результат розрахунку У результаті проведених досліджень у якості розрахункової моделі був обраний фрагмент кристала з розмірами, представленими на рісЗ

Рис 3 Модельована область

Fig 3 Prototype area

Тут: О-точка максимального нагріву

L – довжина пальця затвора

UsdV

Рис 4 Залежність максимальної температури в каналі транзистора від напруги на стоці

Тривимірний розрахунок {), розрахунок за моделлю [2] (—), D-To = 85C, А-То = 25 С

S – відстань між сусідніми затворами У> 05 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

Результати розрахунку для транзисторів, розроблених в ФГУП НПП «ІСТОК», кожен з яких складається з 8 осередків з шириною затвора 1680 мкм при довжині затвора близько 0,25 мкм, розташованих на GaAs підкладці товщиною 25 мкм і концентрацією донорів в активному шарі 3 н-4-10′ ^ см ® дозволяють при підсумовуванні мостами Вілкінсона отримувати вихідну потужність понад 5 ВТ в Двосантиметровий діапазоні довжин хвиль наведені на рис4 Для порівняння на малюнку наведено розрахунки за загальноприйнятою моделі [2] в якій область тепловиділення передбачається рівномірно розподіленим по поверхні транзистора

Видна істотна різниця в розрахунку з локальною областю тепловиділення Так облік локальності області тепловиділення призводить до зменшення максимально допустимої напруги на затворі в стандартних режимах приблизно на 1 – 1,5 В (або заниження температури робочої області приблизно на 10-30 ° С)

IV                                  Висновок

Розроблено проста модель, що дозволяє оцінювати розміри області тепловиділення в потужних польових транзисторах залежно від параметрів транзисторної структури і топології транзистора Показано, що реальна область тепловиділення виявляється набагато менше не тільки розмірів періодичної структури транзистора, але і розмірів затвор-стік На основі точних тривимірних розрахунків показано, що врахування реальних розмірів області тепловиділення підвищує розрахункові значення температури в каналі транзистора на 10-30 ° С

Робота виконана за підтримки Російського фонду фундаментальних досліджень (проект 04 – 02-17177)

IV                           Список літератури

[1] л А Кальфа, А Б Пашковський, А С Тагер Нелокальні і дифузійні ефекти в польових транзисторах з субмікронних затвором / / Радіофізика 1985, Т28

№ 12 С 1583-1589

[2] Соок 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&ampPC «Istok» Vokzainaya 2a, Fryazino, 1411906 Russia

Ph: (095) 4658620, e-mail: solldstate10@mallru

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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р