Главная Промышленная автоматика.

ЧАСТЬ V

КОНСТРУИРОВАНИЕ МОЩНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА GaAs С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

ВВЕДЕНИЕ

В этой части обсуждаются теоретический и экспериментальный подходы к конструированию мощных GaAs ПТШ с учетом тепловых процессов. Рассматриваются влияние ширины полоски затвора, расстояния между затворами, толщины подложки и оцениваются два вида монтажа - прямой (с торцевым заземлением) и обратный. Детально описывается оценка теплового сопротивления с помощью инфракрасного микроскопа, жидких кристаллов и косвенного электрического метода. Делается вывод о том, что наиболее приемлемым является косвенный электрический метод измерения термочувствительного параметра прибора.

Авторы обращают внимание на то, что конструирование с учетом тепловых процессов является сложной комплексной проблемой. Предметом многочисленных дискуссий между разработчиками ПТШ служит оценка преимуществ двух видов монтажа. В данной работе делается вывод о том, что тонкие (25 - 50 мкм) подложки при прямом монтаже обладают меньшим тепловым сопротивлением, но требуют процессов и технолотии, которые позволяют изготавливать транзисторные структуры на очень хрупких подложках. Межзатворные расстояния являются критическим параметром конструирования, но здесь могут оказаться существенными ограничения, накладываемые допустимой плотностью тока истока и стока.

ГЛАВА И

КОНСТРУИЮВАНИЕ МОЩНЫХ GaAs ПТШ С УЧЕТОМ ТЕПЛОВЫХ ПГОЦЕССОВ

С.Х. Уэмпл\Х. Хуан

11.1. ВВЕДЕНИЕ

Тепловые факторы накладывают на работу мощных GaAs ПТШ, как и на любые другие мощные приборы, серьезные ограничения. В настоящей главе будут рассмотрены вопросы теоретического и экспериментального исследования тепловых режимов ПТШ с учетом всех существующих мнений. Результаты исследований тепловых процессов с помощью трехмерной модели будут даны в простой графической форме. Учет температурной зависи-

Фирма Bell Laboratories, Марри-Хилл, шт. Нью-Джерси, США. - Фирма RCA Laboratorюs, Принсюн, шт. Нью-Джерск, США.

5.7



мости коэффициента теплопроводности осуществлен с помощью преобразования Кирхгофа [1]. На основе результатов расчетов появляется возможность выбора щирины полоски затвора (наибольший размер), межзатворного расстояния, толщины подложки, прямого или обратного монтажа кристалла на теплоотводе. В теоретических расчетах используется подгоночный параметр - размер источника тепла d в направлении сток-исток. Хотя тепловое сопротивление слабо зависит от эту величину нельзя отождествлять, как обычно, с металлургической длиной затвора. Предполагаемый подход к выбору величины d состоит в том, что результаты расчетов подгоняют под экспериментальные данные и полученное таким образом значение d используют в дальнейших расчетах. Сравнение с экспериментальными данными осуществляется затем путем сопоставления с опубликованными данными для различных транзисторов, включая данные для прямого и обратного монтажа. Из экспериментальных методов определения теплового сопротивления рассмотрены электрический, инфракрасньп! (ИК) методы и метод жидких кристаллов.

Авторы не ставили перед собой цели представить здесь исчерпывающую информацию о необходимости поддерживать температуру в канале транзистора на минимально возможном уровне, хотя очевидно, что, поступая так, разработчик может добиться рекордных характеристик и уровня надежности. Например, крутизна транзистора S пропорциональна скорости насыщения электронов Унас последняя обратно пропорциональна абсолютной температуре канала [2], т.е. 5~Г". Более важным, вероятно, является то, что любая тепловая деградация может быть уменьшена путем снижения температуры. Например, снижение температуры канала с 120 до 100° С в 4,9 раз увеличивает среднюю наработку прибора до отказа.

Для оценки надежности, включая ускоренные температурные испытания, необходимо знать точное значение температуры канала с тем, чтобы получить реальную аппроксимацию нормальных условий работы. В связи с этим большое значеьше приобретает приведенный метод учета температурной зависимости коэффициента теплопроводности.

Настоящая глава построена следующим образом. В начале дается упрощенная тепловая модель и "точное" решение на ЭВМ. Затем описываются методы измерений с помощью ИК-микроскопа, жидких кристаллов и метод электрических измерений. В конце раздела экспериментальные данные сравниваются с результатами расчетов.

11.2. АНАЛИЗ

11.2.1. АНАЛИТИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ

Рассмотрение тепловых процессов в системе с источником в виде тонкой линии полезно начать с бесконечно длинного плоского источника, имеющего размер 2d, или, что эквивалентно, полуцилиндрического источника диаметром d, расположенного на бесконечной пластине толщиной с (рис. 11.1). Отмечалось, что аналитическое решение этой или любой другой задачи с многи-162



Ппаиарный источник тепла

Полуцилиндрический источник толпа


(11.2)

(11.3) (11.4)

Рис. 11.1. Схема эквивалентного плоского и полуцилиндрического источников тепла на бесконечно длинном диэлектрическом слое толщиной с

ми источниками может быть получено непосредственно из теории микрополоско-вых линий, так как перенос тепла и электрического потенциала описывается одинаковыми дифференциальными уравнениями в частных производных [3,6]. Непосредственное сравнение уравнений дает следующий результат:

9=k-zlzo, (11.1)

где 9 - тепловое сопротивление линии единичной длины, °С мм/Вт; к -коэффициент теплопроводности материала, Вт/°С-мм; г-характеристическое сопротивление электрической линии; zq = 377 Ом - характеристическое сопротивление свободного пространства.

Для бесконечной линии уравнение (11.1) записывается как [4,5]

е={2к)-К, (p)/A-,(s),

где А*! - полный эллиптический интеграл 1-го рода;

p = sh[v2dl(4c)];

S =th [n2dl(4c)].

Отметим, что величина 2d равна меньшему размеру источника тепла. Уравнение (11.2) может быть сведено к простой логарифмической форме [6, 7], если, как это обычно бьшает, d<c:

, 18с

в = (пк)- b--. (11.5)

\Trd\

Погрешность этого выражения не выше 10% даже в экстремальном случае, когда d = 4 мкм и с = 25 мкм. Графики уравнения (11.5) представлены на рис. 11.2, при этом к~ = 26,3°С -мм/Вт, что соответствует теплопроводности GaAs при 60°С [8]. Как видно из рис. И.2, наблюдается слабая логарифмическая зависимость теплового сопротивления от размеров источника тепла и толщины подложки. Величина d в уравнении (11.5) равна половине ширины линии для

Рис. 11.2. Зависимости теплового сопротивления, рассчитанные по уравнению (11.5), от размера источника тепла d для бесконечно длинной линии, представленной на рис.


!.S 2 2,5 3

а, мкм





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 [54] 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165

0.0037