исследование тепловых режимов работы птш при воздействии

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ПТШ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ
КОРОТКОГО ИМПУЛЬСА НАПРЯЖЕНИЯ БОЛЬШОЙ АМПЛИТУДЫ
Наряду с номинальным режимом работы ПТШ возможны ситуации, когда на
электродах ПТШ возникает импульс, амплитуда которого в несколько раз превышает
предполагаемые значения рабочих напряжений. Под воздействием такого импульса в ППС
протекают сложные физические процессы, такие как локальный разогрев областей
транзистора, лавинный пробой и т.п.
Тепловые процессы, происходящие в ППС можно учесть, решив уравнение
теплопроводности в активной области прибора. В качестве источников тепла в уравнении
теплопроводности выступают обменные явления между кристаллической решеткой
полупроводника и газом свободных носителей заряда. Обмен энергией происходит
посредством поглощения или излучения фононов носителями заряда. Поскольку скорость
движения фононов, равная скорости распространения звука в кристалле полупроводника, что
3
составляет в среднем vac  4.03 10 м с , на два порядка ниже скорости движения
свободных электронов в кристалле, можно считать, что за временной шаг фононы,
выделившиеся в ячейке пространственной сетки, не выйдут из нее. Таким образом, разность
количества поглощенных и излученных фононов определяет мощность тепловых источников
в данной ячейке сетки.
Уравнение теплопроводности в активной области прибора записывается в следующем
виде [108, 109]:
T 
  
  y K T   y   q x , y,t 


(2.44),
где c - удельная теплоемкость кристалла,  - его плотность, K T  - коэффициент
q x , y, t  - плотность источников тепловыделения. В уравнении (2.44)
теплопроводности,
коэффициент теплопроводности зависит от температуры T , что существенно влияет на
c 
T


t x
T

K T   x
динамику распространения тепла.
Ниже приводятся результаты анализа теплового режима работы транзистора при
воздействии импульса напряжения высокой амплитуды, поданного на сток транзистора.
Исследовалась активная область ПТШ размерами 0,5 мкм на 0,5 мкм с длиной затвора 0,1
мкм, ширина буферного слоя – 0,25 мкм, уровень легирования серой в n
23

областях –
3
5 10 м , их глубина – 1,5 мкм. Граничные условия по температуре соответствуют
условиям, описанным в разделе 2.5.
Высокая напряженность в области затвор-сток вызывает резкий скачек тока стока,

обусловленный уходом на сток электронов из n зоны вблизи стока. В результате
формируется область обедненного заряда и в канале повышается напряженность,
вытягивающая электроны по каналу с истока. В это время ток стока падает и выходит на
стабильное значение, а наведенный ток на затворе возрастает (рис.4.18). Через канал течет
4
ток электронов с плотностью порядка 10 А
см 2
.
0,25
0,2
1
I, А
0,15
0,1
0,05
2
0
0
-0,05
0,05
0,1
t, пс
0,15
0,2
Рис.4.18. Ток стока (1) и истока (2) в зависимости от времени включения импульса высокой
амплитуды на стоке: U ист  0В ; U ст  10 В ; U зт  5 В .
Электроны, обладающие достаточно высокой энергией, особенно вблизи стока,
разогревают кристаллическую решетку активной области прибора. Картина разогрева в
активной области прибора представлена на рис.4.19.
490
470
450
430
410
T, К 390
370
350
0,0E+00
7,8E-08
1,6E-07
2,3E-07
3,1E-07
X, мкм
3,9E-07
4,7E-07
4,7E-07
3,9E-07
3,1E-07
Y, мкм
2,3E-07
1,6E-07
7,8E-08
0,0E+00
330
310
290
Рис.4.19. Разогрев активной области моделируемого транзистора с течением времени
(t=0,7 пс).
Фононный обмен носителей с решеткой становится наиболее вероятным вблизи стока,
соответственно околостоковая область разогревается больше всего. На фоне быстрых
процессов локального разогрева происходит медленное растекание температуры по всей
активной области прибора. С ростом температуры кристалла резко увеличивается
коэффициент шума ПТШ. Это видно на рис.4.18: шум транзистора резко возрастает, начиная
с момента около 0,15пс, когда температура вблизи стока становится порядка 500К и
процессы рассеяния на фононах становятся наиболее вероятными. В это же время стока
достигают те электроны, которые находились около истока и к стоковому шуму добавляются
шумы канала.
Зависимость температуры при разогреве активной области моделируемого ПТШ от
времени воздействия электрического поля представлена на рис.4.20. В начальный момент
времени происходят некоторые нелинейные процессы, связанные с установлением токового
режима и разогревом носителей в активной области, затем процесс стабилизируется и
выходит на прямой участок, соответствующий закону Джоуля-Ленца.
1200
1
2
3
1000
800
T, K
4
5
600
6
400
200
0
0,2
0,4
t, пс
0,6
0,8
1
Рис.4.20. Рост температуры всей моделируемой области ПТШ (4, 5, 6) и локального участка
вблизи стока (1, 2, 3) в зависимости от времени включения импульса высокого напряжения
на стоке: 1) U ст  10 В ; 2) U ст  5 В ;
3) U ст  2 В ; 4) U ст  10 В ; 5) U ст  5 В ; 6) U ст  2 В ,
для всех U ист  0В ; U зт  0,5 В .
Хотя напряженность электрического поля в области затвор-сток достаточно высока,
поскольку расстояние, которое проходят электроны на отрезке высокой напряженности,
мало, электроны не успевают набрать энергию, достаточную для ионизации атомов решетки
и пробоя ППС не наблюдается. Однако, локальный рост температуры при длительности
воздействия – 1пс (для импульса амплитудой 2В) приводит к разогреву околостоковой
области до температуры плавления материала (1238К) и деградации прибора. Если не
учитывать процессы локального разогрева, то в данном режиме средняя температура по всей
активной области достигла бы температуры плавления только через 3,6пс.
Выводы
В результате численных экспериментов, проведенных с помощью программы моделирования
униполярных ППП, выявлено следующее:
Анализ теплового режима работы транзистора при воздействии импульса большой
напряженности, поданного на сток ПТШ, показал, что возможны режимы, когда пробой
транзистора не происходит, но локальный разогрев кристаллической решетки в области
наибольших плотностей тока (вблизи стока транзистора) может приводить к разрушению
кристаллической решетки и деградации прибора.