高功率電子器件產(chǎn)熱傳熱特性的理論研究.pdf

1、晶體管是大規(guī)模集成電路的核心器件，在雷達、通信衛(wèi)星中繼器及各種無線裝置中廣泛使用，近年來其發(fā)展趨勢呈現(xiàn)出特征尺寸逐步減小與功率大幅提高的特點，導(dǎo)致其局部熱流密度極具上升（達到200W/cm2以上）.如果未采取有效的冷卻措施，將導(dǎo)致器件內(nèi)部溫度迅速增高，溫度梯度增大，甚至達到或超過其正常工作溫度，高溫下降加速電極的劣化，大大降低電子元器件的使用壽命。因此，器件熱管理技術(shù)對于保障晶體管等高功率電子器件的正常工作至關(guān)重要。研究電子器件的產(chǎn)熱與

2、傳熱特性，掌握其不同工作狀態(tài)的溫度分布特征，是建立高功率電子器件熱管理技術(shù)的前提。本文的主要工作包括:
　　1高熱流密度微/納尺度電子器件熱電模型建立
　　隨著半導(dǎo)體器件特征尺寸的減小以及功率的增加，器件內(nèi)部熱流密度急劇增加，此時器件的特征尺寸與器件內(nèi)部熱載子的平均自由程相當(dāng)，運用傳統(tǒng)的方法研究時，將產(chǎn)生較大的誤差，此時應(yīng)該從器件的產(chǎn)熱機理出發(fā)，從微觀或介觀尺度描述電子、聲子的遷移過程和電子、聲子間的散射作用，研究器件內(nèi)部的

3、產(chǎn)熱與傳熱過程。
　　本文首先運用格子-Boltzmann方法，建立了微/納尺度的場效應(yīng)晶體管的產(chǎn)熱與傳熱模型，該模型中考慮了電子與聲子的耦合過程，在聲子方程中加入了由外加電場產(chǎn)生源項，分析不同工作狀況下器件內(nèi)部的溫度分布，此外改變熱管理方式時，例如增加上、下邊界對流換熱系數(shù)，計算不同熱管理方式時，器件內(nèi)部的溫度分布，為熱設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。
　　其次，本文建立了非能量平衡微/納尺晶體管產(chǎn)熱傳熱模型。在運用格子-Bolt

4、zmann建立的傳熱模型中，忽略了聲子的分類。聲子根據(jù)頻率的不同分為光學(xué)聲子和聲學(xué)聲子，光學(xué)聲子的群速度較小趨近于0，聲學(xué)聲子的群速度較大，因此聲學(xué)聲子是器件中傳熱的主要載子，因此為了提高計算的準(zhǔn)確度，運用非能量平衡方法，考慮晶體管中電子、光學(xué)聲子、聲學(xué)聲子的相互作用，計算晶體管內(nèi)部的熱電特性，包括電場強度、電勢、溫度以及焦耳熱分布等。
　　2雙指器件熱電特性的模擬
　　對于電子器件而言，其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出周期性的特征。在之前的文

5、獻中大多是以單指器件為一個結(jié)構(gòu)單元，而在實際的結(jié)構(gòu)中，其最小結(jié)構(gòu)單元多是雙指器件。二者最大的差別在于源極、柵極以及漏極的位置分布不同。而在器件中，電極分布的位置對電場強度分布有著至關(guān)重要的影響，而電場強度的分布又決定了器件內(nèi)部的溫度分布以及焦耳熱分布。因此以雙指器件為最小結(jié)構(gòu)單元更符合實際情況，計算更準(zhǔn)確
　　3器件溫度影響因素分析
　　在微/納尺度半導(dǎo)體器件中，其產(chǎn)熱機理可以簡單描述為:在外加的高電場作用下，電子獲得了極高

6、的能量，隨后高能電子將能量傳遞給聲子，在通過聲子的運動將能量傳播開來。在實際的過程中，其溫度分布受到了多種因素的影響。以雙指器件為例，首先，外加電壓的不同，會引起器件內(nèi)部溫度分布的差異。其次，摻雜濃度對于半導(dǎo)體器件而言，也是一個重要的影響因素，最高溫度隨著摻雜濃度的增加而升高。第三，熱管理方式的不同，對內(nèi)部溫度分布以及焦耳熱分布產(chǎn)生的影響有所不同。因此，本文研究了上、下對流換熱系數(shù)、襯底溫度、漏極電壓以及摻雜濃度對器件的熱電特性的影響，