Горячие носители в СВЧ транзисторах раскаляют канал изнутри а корпус остаётся едва тёплым

СВЧ транзисторы на основе GaN HEMT или GaAs pHEMT выдают десятки ватт мощности на частотах в несколько гигагерц. Но вся эта энергия сконцентрирована в крошечной зоне канала длиной меньше одного микрометра. Электроны разгоняются в сильном поле до огромных энергий и превращаются в горячие носители. Они отдают тепло локально у края затвора со стороны стока, а не по всему кристаллу. Температура канала взлетает на двести триста градусов, хотя корпус остаётся едва тёплым. Такой скрытый локальный перегрев снижает выходную мощность, ухудшает линейность и постепенно разрушает прибор. Многие разработчики замечали загадочное падение характеристик после часа работы, хотя радиатор холодный. Давайте разберёмся, как рождается этот эффект и как инженеры его укрощают.

Как электроны превращаются в горячие носители

В канале при напряжении сток-исток 25-50 вольт электрическое поле достигает 1-2 миллиона вольт на сантиметр. Обычные тепловые электроны имеют энергию всего около двадцати пяти миллиэлектрон-вольт. Здесь они ускоряются полем быстрее, чем успевают потерять энергию на столкновениях с решёткой. Их эффективная температура T_e легко поднимается до двух тысяч пяти тысяч кельвин, хотя решётка остаётся относительно холодной.

Энергия, которую электрон набирает между столкновениями, примерно равна ΔE ≈ q E λ, где q заряд электрона, E напряжённость поля, а λ средняя длина свободного пробега около 10-20 нанометров в GaN. При поле один миллион вольт на сантиметр электрон за 15 нанометров набирает больше одного электрон-вольта. Как только энергия превышает энергию оптического фонона примерно 92 миллиэлектрон-вольта в нитриде галлия, начинается интенсивное испускание фононов. Именно они и становятся главным источником локального тепла в канале.

Где именно возникает самая горячая точка

Максимальное поле и тепло сосредоточены у края затвора со стороны стока в зоне шириной всего 0,1-0,3 микрометра. Длина самого затвора в современных приборах составляет десятые доли микрометра. Плотность мощности в этой крошечной области достигает 10-20 ватт на миллиметр ширины затвора.

Горячие носители отдают энергию решётке главным образом через оптические фононы. В GaN возникает эффект bottleneck: фононы рождаются быстрее, чем распадаются на акустические и уходят в подложку. Тепло накапливается в объёме меньше квадратного микрометра, создавая настоящую горячую точку. Джоулево тепло J · E добавляется к энергии, которую горячие носители передают решётке напрямую.

Почему канал раскаляется а корпус почти не греется

Тепловое сопротивление от канала до корпуса R_th обычно лежит в пределах 10-30 кельвин-миллиметр на ватт для GaN на карбиде кремния. Температура канала рассчитывается по формуле T_ch = T_case + P_diss × R_th, где P_diss средняя рассеиваемая мощность на миллиметр ширины. При пяти ваттах на миллиметр и R_th = 15 кельвин-миллиметр на ватт средний нагрев даёт 75 градусов. Но из-за локализации горячих носителей добавляется ещё 150-250 градусов сверх того.

Теплопроводность самого GaN падает с температурой по закону κ(T) ≈ κ0 (T/300)^(-1.5), где κ0 около 160-200 ватт на метр-кельвин. Это создаёт положительную обратную связь: чем горячее канал, тем хуже отвод тепла, тем сильнее разогрев. Тепловая постоянная времени канала всего 0,1-1 микросекунда, а корпуса сотни миллисекунд. Поэтому в импульсном режиме канал успевает раскалиться, а корпус остаётся холодным.

Как перегрев бьёт по мощности и сроку службы

Рост температуры сразу снижает подвижность носителей. Эффективная подвижность падает примерно как μ_eff ≈ μ0 (T_ch / 300)^(-2.3). Скорость насыщения тоже уменьшается: v_sat(T) = v_sat0 (T / 300)^(-0.5). В итоге выходная мощность усилителя теряет 1-2 децибела, а коэффициент полезного действия падает на 10-15 процентов при росте температуры канала на 150 градусов.

Горячие электроны с энергией выше 1,5-2 электрон-вольт инжектируются в барьерный слой AlGaN и пассивацию. Они заполняют поверхностные ловушки, вызывают коллапс тока и сдвиг порогового напряжения на 0,5-1 вольт после тысяч часов работы. В базовых станциях или радарах это означает постепенную потерю сигнала, хотя снаружи прибор выглядит совершенно нормально.

Как инженеры измеряют реальный перегрев

Самый простой способ сравнить вольт-амперные характеристики в постоянном режиме и в коротких импульсах длительностью 200-500 наносекунд. За такое короткое время канал не успевает разогреться, и разница в токе стока сразу показывает эффект саморазогрева.

Более точный метод Raman-спектроскопия, которая измеряет сдвиг фононных пиков и определяет температуру решётки прямо в работающем канале с точностью 1-2 градуса. Ещё помогает электролюминесценция: по спектру свечения горячих носителей оценивают их эффективную температуру. В расчётах решают совместно уравнения переноса носителей и теплопроводности, учитывая отдельные температуры электронов и фононов.

Как уменьшить эффект на практике

Самое эффективное решение field-plate конструкция. Дополнительная пластина над затвором растягивает электрическое поле и снижает его максимальную напряжённость на 30-50 процентов. Это уменьшает пиковую температуру на 80-120 градусов.

Качественная многослойная пассивация нитридом кремния блокирует инжекцию горячих электронов и снижает поверхностные ловушки. Подложка из карбида кремния с теплопроводностью почти 500 ватт на метр-кельвин отводит тепло в три-четыре раза лучше сапфира.

На уровне схемы помогают работа в классе AB, правильное согласование нагрузки без высоких напряжений холостого хода и импульсные режимы с низкой скважностью. Когда все эти меры собраны вместе, температуру канала удаётся удерживать ниже 180-200 градусов даже при плотности мощности 10 ватт на миллиметр. Прибор сохраняет мощность и линейность часами, а срок службы превышает миллион часов.

Эффект горячих носителей остаётся неизбежной платой за высокую плотность мощности в СВЧ транзисторах. Но когда инженеры точно знают, где рождается скрытое тепло, владеют формулами расчёта и применяют проверенные конструктивные приёмы, этот эффект перестаёт быть проблемой. Приборы продолжают выдавать заявленную мощность годами и не сдаются в самых жёстких условиях. Именно такое глубокое понимание физики превращает потенциально капризные СВЧ усилители в надёжные и мощные компоненты современных систем.