Горячие носители в СВЧ транзисторах локальный перегрев канала без нагрева корпуса

СВЧ транзисторы работают на переднем крае мощной радиоэлектроники, где каждое ватт и каждый герц на счету. Под высоким напряжением и плотным током электроны в канале разгоняются до огромных энергий, превращаясь в горячих носителей. Они выделяют тепло не по всему объему кристалла, а в крошечной зоне под затвором или у его края со стороны стока. Корпус при этом может оставаться едва теплым, а внутри канала температура взлетает на сотни градусов. Такой локальный перегрев меняет характеристики усилителя, снижает мощность и ускоряет старение прибора. Разберём, как рождается этот эффект, почему он особенно опасен именно в СВЧ приборах и что с ним делать.

Рождение горячих носителей в мощных электрических полях

В канале полевого транзистора под большим напряжением между стоком и истоком возникает электрическое поле напряжённостью до миллиона вольт на сантиметр. Электроны, двигаясь по этому полю, набирают кинетическую энергию быстрее, чем успевают отдать её решётке через столкновения. Их эффективная температура поднимается до двух тысяч, а иногда и до пяти тысяч кельвин, в то время как решётка остаётся относительно холодной.

Такие горячие носители уже не подчиняются обычной статистике. Они способны преодолевать барьеры, которых обычные электроны не замечают. В GaN HEMT или GaAs pHEMT поле особенно сильно у края затвора со стороны стока, где расстояние минимально. Здесь электроны разгоняются до энергий больше трёх электрон вольт. Часть из них испускает оптические фононы, нагревая решётку локально. Другая часть инжектируется в барьерный слой или пассивацию, создавая ловушки. Этот процесс идёт непрерывно под нагрузкой и становится заметнее при росте мощности.

Почему СВЧ транзисторы особенно подвержены этому эффекту

В приборах, работающих на частотах гигагерц, размеры затвора измеряются десятыми долями микрометра. Маленькая длина канала позволяет получить высокую крутизну и усиление, но одновременно создаёт огромные поля даже при скромных напряжениях в десятки вольт. Плотность мощности достигает десяти двадцати ватт на миллиметр ширины затвора. В таком тесном пространстве тепло выделяется в объёме всего половины квадратного микрометра под затвором.

В отличие от низкочастотных силовых транзисторов, где канал длиннее и тепло распределяется шире, здесь вся энергия сконцентрирована в одной горячей точке. Горячие носители в GaN HEMT сталкиваются ещё с одним явлением горячим фононным bottleneck. Оптические фононы, испускаемые электронами, не успевают распасться на акустические и уйти в подложку. Они накапливаются, дополнительно поднимая локальную температуру решётки. В результате даже при средней мощности рассеяния в несколько ватт канал может нагреться на двести триста градусов выше температуры корпуса.

Механизм локального саморазогрева в узкой зоне канала

Саморазогрев начинается с джоулева тепла от тока через сопротивление канала. Но главную роль играют именно горячие носители. Каждый электрон, потерявший энергию на испускание фонона, нагревает решётку в том же месте, где сам разогрелся. В GaN это приводит к отрицательному дифференциальному сопротивлению на вольт амперной характеристике: ток падает при росте напряжения, потому что подвижность носителей снижается с температурой как один на T в степени 2,3.

В режиме непрерывной волны корпус рассеивает среднюю мощность, но в импульсном режиме СВЧ сигналов длительность импульса микросекунды, а период охлаждения миллисекунды. Тепловая постоянная времени канала составляет наносекунды, поэтому температура в нём пульсирует резко, а корпус почти не чувствует этих скачков. Тепловое сопротивление от канала до корпуса лежит в пределах от ста до восьмисот градусов на ватт в зависимости от подложки карбид кремния даёт лучшие показатели, сапфир худшие.

Разница между температурой канала и корпуса

Корпус транзистора имеет большую массу и хорошую теплопроводность к радиатору. Его температура меняется медленно, за миллисекунды и секунды. Канал же представляет собой тонкий слой толщиной в несколько нанометров и длиной в доли микрометра. Тепло из него уходит через барьер, пассивацию и подложку, но путь узкий. В результате при мощности десять ватт на миллиметр температура канала может достигать ста пятидесяти двухсот градусов Цельсия, в то время как термопара на корпусе покажет всего тридцать сорок градусов.

Эту разницу легко увидеть в импульсных измерениях. Если снимать характеристики в постоянном токе, ток стока падает из за нагрева. При коротких импульсах в сотни наносекунд падения почти нет канал ещё не успел нагреться. Горячие носители усиливают контраст: они генерируют тепло именно там, где поле максимально, создавая локальные горячие точки размером меньше микрометра.

Влияние на усиление мощности и долговечность приборов

Локальный перегрев сразу бьёт по ключевым параметрам. Подвижность падает, скорость насыщения снижается, выходная мощность и коэффициент полезного действия уменьшаются. В GaN HEMT появляется эффект коллапса тока после импульса высокого напряжения ловушки, заполненные горячими носителями, обедняют двумерный электронный газ. Усилитель, который в начале теста выдавал полную мощность, через часы работы теряет несколько децибел.

Долговечность тоже страдает. Горячие носители создают интерфейсные состояния и заряженные ловушки в барьере. Пороговое напряжение дрейфует, крутизна падает, сопротивление во включённом состоянии растёт. В худшем случае через тысячи часов прибор выходит за пределы допуска. Особенно заметно это в базовых станциях и радарах, где транзисторы работают годами при высокой средней мощности.

Вот типичные проявления эффекта, которые инженеры регулярно наблюдают:

• снижение выходной мощности на десять пятнадцать процентов при росте температуры канала на сто градусов
• увеличение теплового сопротивления после длительной работы
• появление гистерезиса на характеристиках после RF стресса
• ускоренная деградация под импульсной нагрузкой по сравнению с постоянным режимом
• рост шума и ухудшение линейности в усилителях мощности

Инструменты измерения и способы смягчения эффекта

Измеряют эффект несколькими методами. Самый простой термочувствительный параметр ток стока при фиксированном напряжении затвора. Более точный Raman спектроскопия, которая видит температуру решётки прямо в канале. Ещё применяют электролюминесценцию горячие носители излучают свет, интенсивность которого пропорциональна их температуре. Для импульсных режимов используют короткие зондирующие импульсы, чтобы разделить мгновенный и средний нагрев.

Смягчают проблему на уровне конструкции. Field plates растягивают поле у края затвора и снижают максимальную напряжённость. Оптимальная пассивация нитридом кремния уменьшает поверхностные ловушки. Подложка из карбида кремния с высокой теплопроводностью в четыреста девяносто ватт на метр кельвин быстро уносит тепло. В GaN на алмазе или с алмазным покрытием тепловое сопротивление падает ещё сильнее.

На схемотехническом уровне помогают импульсные режимы с низкой скважностью, правильное согласование нагрузки, чтобы избежать высоких напряжений холостого хода, и системы охлаждения с низким термическим сопротивлением. Когда все эти меры работают вместе, локальный перегрев удаётся удерживать в разумных пределах, а транзистор служит долго и стабильно даже на предельных мощностях.

В итоге эффект горячих носителей и связанный с ним локальный перегрев остаются неизбежной платой за высокую производительность СВЧ транзисторов. Но понимание физики процесса позволяет инженерам превращать эту слабость в управляемый фактор. Правильный выбор материала, геометрии и режима работы делает приборы надёжными даже там, где раньше они быстро теряли характеристики. Так рождаются усилители, которые держат мощность часами, не перегреваясь снаружи и не сдаваясь внутри. Именно такое сочетание знаний и практических решений отличает просто работающий СВЧ тракт от действительно долговечного и мощного решения, готового к самым жёстким условиям эксплуатации.