BN, I0Э и, как следствие, UДнас

ТЕПЛОВЫЕ ЭФФЕКТЫ В ИС

Лекция 15.

Температурная зависимость параметров в АИС.

Температурная зависимость ширины запрещенной зоны полупроводников ведет к изменению собственной концентрации носителей и, следовательно, концентрации неосновных носителей. Используя классическую аппроксимацию ВАХ интегрального диода, можно получить следующие количественные оценки влияния температуры на поведение биполярных приборов.

Увеличение температуры и изменение концентраций, подвижностей, диффузионных длин и др. параметров активных приборов обуславливает изменения следующих параметров:

Тепловой ток насыщения диода I_0ЭД изменяется в 2 раза при изменении температуры на 8⁰:

что соответствует изменению падения напряжения на диоде с ростом температуры (ТКН):

Возможны следующие диапазоны изменения коэффициентов инжекции соответствующих параметров усиления:

при изменении температуры от +125⁰ до -60⁰С. Поскольку в процессе изготовления b_N может измениться еще в 2-4 раза по технологическим причинам, общее изменение данного параметра может быть до 8-10 раз (технология плохая!).

Наиболее иллюстративные изменения характеристик элементов АИС, связанные с температурой, следующие:

- смещение передаточной характеристики ДК. Из-за изменения падения напряжения на диодах формируется основная составляющая напряжения смещения нуля.

U_вых

U_см0 1,5 мВ U _вх

- на ВАХ МДП-транзисторов может появиться «гистерезис», температурный сдвиг рабочей точки из-за температурной зависимости подвижности носителей в канале (сначала рост, затем снижение из-за фононного рассеяния). Как следствие, с ростом температуры падает усиление в схемах, причем раньшее по частотному диапазону по сравнению с расчетами при одинаковых локальных перегревах.

I_C

U_C

A/A₀

T

Ω

- в ИС на арсениде галлия тепловое сопротивление полупроводника в 3 раза ниже, чем в кремнии:

R_TGaAs /R_Si = 1/3,

поэтому напряжение локального перегрева может увеличиться в 15 раз по сравнению с кремниевыми приборами. Транзисторы на арсениде галлия просто выгорают.

Тепловое сопротивление.

Если Р – мощность, рассеиваемая в схеме, то тепловое сопротивление определяется следующим образом:

температуру корпуса измеряют термопарой, температуру кристалла (место локального перегрева) – при помощи термозависимого элемента, чаще всего – это р-п-переход, чья ВАХ легко градуируется для каждого технологического процесса. Современный диапазон изменения рабочих температур: -60⁰ … +150⁰С.

Температура корпуса и атмосферы обязательно должны быть ниже температуры кристалла!

Рекомендуемая процедура учета тепловых процессов в ИС.

1) необходимо определить Т⁰ в местах локального перегрева с учетом полной мощности компонентов и отдельно каждого компонента, желательно, чтобы Т_max£ 150⁰C,

2) определить общий температурный фон. Всегда существует значительный температурный фон в ИС, примерно одинаковый по всему кристаллу. Если пренебречь локальным перегревом, все компоненты в кристалле работают в более-менее одинаковых условиях,

3) определить температурный градиент. Хотя фон постоянный, по кристаллу всегда есть температурный градиент. Всегда стараются усреднить температурное влияние, особенно влияние выхода на вход в мощных схемах,

4) необходимо учесть, что имеет место инерционность на высоких частотах, тепловые связи уменьшаются.

Распределение тепла по кристаллу.

Тепловые явления описываются следующим уравнением:

, (1)

где

l - коэффициент теплопроводности, [Вт/град.м];

,

Т – температура, [град];

W – удельная мощность источников энергии, [Вт/м³];

C – удельная теплоемкость, [Втсек/град.кг];

g - плотность вещества, [кг/м³];

t - время, сек.

Реальная структура ИС в корпусе выглядит примерно так:

Дата добавления: 2014-01-04