高功率电子器件产热传热特性的理论研究

摘要

晶体管是大规模集成电路的核心器件，在雷达、通信卫星中继器及各种无线装置中广泛使用，近年来其发展趋势呈现出特征尺寸逐步减小与功率大幅提高的特点，导致其局部热流密度极具上升（达到200W/cm2以上）.如果未采取有效的冷却措施，将导致器件内部温度迅速增高，温度梯度增大，甚至达到或超过其正常工作温度，高温下降加速电极的劣化，大大降低电子元器件的使用寿命。因此，器件热管理技术对于保障晶体管等高功率电子器件的正常工作至关重要。研究电子器件的产热与传热特性，掌握其不同工作状态的温度分布特征，是建立高功率电子器件热管理技术的前提。本文的主要工作包括:
　　1高热流密度微/纳尺度电子器件热电模型建立
　　随着半导体器件特征尺寸的减小以及功率的增加，器件内部热流密度急剧增加，此时器件的特征尺寸与器件内部热载子的平均自由程相当，运用传统的方法研究时，将产生较大的误差，此时应该从器件的产热机理出发，从微观或介观尺度描述电子、声子的迁移过程和电子、声子间的散射作用，研究器件内部的产热与传热过程。
　　本文首先运用格子-Boltzmann方法，建立了微/纳尺度的场效应晶体管的产热与传热模型，该模型中考虑了电子与声子的耦合过程，在声子方程中加入了由外加电场产生源项，分析不同工作状况下器件内部的温度分布，此外改变热管理方式时，例如增加上、下边界对流换热系数，计算不同热管理方式时，器件内部的温度分布，为热设计提供一定的理论依据。
　　其次，本文建立了非能量平衡微/纳尺晶体管产热传热模型。在运用格子-Boltzmann建立的传热模型中，忽略了声子的分类。声子根据频率的不同分为光学声子和声学声子，光学声子的群速度较小趋近于0，声学声子的群速度较大，因此声学声子是器件中传热的主要载子，因此为了提高计算的准确度，运用非能量平衡方法，考虑晶体管中电子、光学声子、声学声子的相互作用，计算晶体管内部的热电特性，包括电场强度、电势、温度以及焦耳热分布等。
　　2双指器件热电特性的模拟
　　对于电子器件而言，其结构呈现出周期性的特征。在之前的文献中大多是以单指器件为一个结构单元，而在实际的结构中，其最小结构单元多是双指器件。二者最大的差别在于源极、栅极以及漏极的位置分布不同。而在器件中，电极分布的位置对电场强度分布有着至关重要的影响，而电场强度的分布又决定了器件内部的温度分布以及焦耳热分布。因此以双指器件为最小结构单元更符合实际情况，计算更准确
　　3器件温度影响因素分析
　　在微/纳尺度半导体器件中，其产热机理可以简单描述为:在外加的高电场作用下，电子获得了极高的能量，随后高能电子将能量传递给声子，在通过声子的运动将能量传播开来。在实际的过程中，其温度分布受到了多种因素的影响。以双指器件为例，首先，外加电压的不同，会引起器件内部温度分布的差异。其次，掺杂浓度对于半导体器件而言，也是一个重要的影响因素，最高温度随着掺杂浓度的增加而升高。第三，热管理方式的不同，对内部温度分布以及焦耳热分布产生的影响有所不同。因此，本文研究了上、下对流换热系数、衬底温度、漏极电压以及掺杂浓度对器件的热电特性的影响，分析不同参数对器件的影响，找到维持器件正常工作条件下的参数，对热设计工作者提供一定理论依据。

目录

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摘要

图表目录

主要符号说明

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 电子器件发展概况

1．2．2 高热流密度微／纳尺度电子器件特征

1．2．3 微／纳尺度电子器件数值模拟方法发展概况

1．3 本文研究内容

1．3．1 高热流密度微/纳尺度电子器件热电模型建立

1．3．2 双指器件热电特性的模拟

1．3．3 器件温度影响因素分析

2 微／纳尺度电子器件产热机理

2．1 器件中电子的运动

2．2 器件中声子的运动

2．3 器件产热与传热过程

2．4 本章小结

3 格子-Boltzmann方法微／纳尺度电子器件传热模型建立

3．1 格子-Boltzmann方法的发展

3．2 Boltzmann方程

3．3 格子-Boltzmann方法

3．4 格子-Boltzmann方法在微纳尺度晶体管中的应用

3．4．1 边界条件

3．4．1 模型验证

3．5 本章小结

4．基于格子-Boltzmann方法场效应晶体管模拟

4．1 FET的结构及工作特征

4．2 工作条件对FET热特性的影响

4．3 热管理方式对温度对热特性影响

4．3．1 改变上边界对流换热系数

4．3．2 改变下边界对流换热系数

4．4 本章小结

5 非能量平衡微／纳尺度电子器件热电耦合模型的建立

5．1 电子方程

5．2 声子方程

5．3 边界条件

5．3．1 电学边界条件

5．3．2 热学边界条件

5．4 本章小结

6 高电子迁移率场效应晶体管热电特性模拟

6．1 HEMT简介

6．2 单指HEMT与双指HEMT器件

6．3 单指与双指热电特性差异

6．3 不同工作条件对工作效率的影响

6．4 工作条件对热电特性的影响

6．5 掺杂浓度对热电特性的影响

6．6 散热条件对热电特性的影响

6．6．1 衬底温度对热电特性的影响

6．6．2 对流换热系数对特性的影响

6．7 模拟结果与实验结果对比验证

6．7．1 实验步骤

6．7．2 模拟结果对比验证

6．8 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的相关论文

参考文献