Математическое моделирование теплоэлектрических процессов в структурах полупроводниковых изделий с дефектами

• Автор: Ходаков, Александр Михайлович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Ульяновск
• Количество страниц: 134 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Современные средства описания и моделирования тепловых свойств полупроводниковых изделий
1.1. Конструкционно-топологические и функциональные особенности мощных полупроводниковых изделий
1.2. Тепловые модели полупроводниковых изделий
1.2.1. Математическое описание тепловых процессов в структурах полупроводниковых изделий
1.2.2. Обзор математических тепловых моделей полупроводниковых приборов
1.3. Обобщённая математическая тепловая модель структуры биполярного полупроводникового изделия с дефектом
1.4. Выводы
Глава 2. Математическое моделирование теплоэлектрических процессов в структурах биполярных полупроводниковых приборов с дефектами в активной области
2.1. Моделирование теплоэлектрических процессов в структуре мощного биполярного транзистора с дефектами в активной области
2.1.1. Математическая постановка задачи
2.1.2. Аналитическое решение задачи распространения тепла в структуре транзистора
2.1.3. Алгоритм моделирования и численного решения задачи
2.1.4. Численное решение задачи и анализ полученных результатов
2.1.5. Оценка погрешности результатов вычислений
2.2. Моделирование теплоэлектрических процессов в структуре мощных светоизлучающих диодов
2.2.1. Математическая постановка задачи
2.2.2. Решение задачи теплопереноса в светодиодной структуре
2.2.3. Численное решение задачи и анализ полученных результатов
2.2.4. Тепловая модель СИД с тепловыделением в подложке
2.3. Оценка адекватности МТМ мощного биполярного транзистора и СИД
2.4. Выводы
Глава 3. Моделирование теплоэлектрических процессов в структурах биполярных полупроводниковых изделий с дефектами в области контакта с теплоотводом
3.1. Моделирование температурных полей в осесимметричной 'транзисторной структуре с дефектом в области контакта с теплоотводом

3.1.1 Математическая постановка задачи
3.1.2 Метод решения тепловой задачи и расчётный алгоритм с использованием пакета «СОМБОЬ МиШрИуэкз»
3.1.3. результаты расчётов и анализ полученных зависимостей
3.2. Моделирование температурных полей в прямоугольных структурах биполярных полупроводниковых приборов с дефектом теплофизического вида
3.2.1. Описание моделей структур ППИ и математическая постановка задачи
3.2.2. Численное решение задачи и анализ полученных результатов
3.3. Выводы
Глава 4. Термоактивационная модель разрушения контактных соединений в мощных полупроводниковых приборах
4.1. Влияние неоднородного распределения тока и температуры в приборных структурах на механизмы отказов полупроводниковых изделий
4.2. Термомеханические напряжения в структуре ППИ и разрушение контактных соединений прибора
4.3. Модель разрушения металлических связей контактного соединения
в структуре полупроводникового прибора
4.4. Численное решение задачи разрушения контактного соединения кристалла с теплоотводом
4.5. Выводы

Заключение
Список литературы
Приложение
Приложение

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
Базовой основой средств автоматизированного проектирования полупроводниковых изделий (ПЛИ) является математическое моделирование структурно-конструкционных элементов ПЛИ и физических процессов в них. Наиболее важными и вместе с тем наиболее сложными процессами, определяющими функциональные свойства, предельные режимы работы и надежность ПЛИ, являются теплоэлектрические процессы в приборных полупроводниковых структурах. Выделение электрической мощности в активной области структуры ПЛИ приводит к ее разогреву. Особенностью ПЛИ, усложняющей их тепловое моделирование, является действие различных механизмов тепловой обратной связи в структурах прибора, которые приводят к изменению исходного распределения источников тепла в структуре. В результате распределения температуры, плотности тока и мощности становятся неоднородными. Наиболее сильно и опасно эти эффекты проявляется в биполярных структурах, в которых действует положительная теплоэлектрическая обратная связь, приводящая к увеличению локальных перегревов структуры. В результате действия обратной связи распределение плотности тока в структурах биполярных приборов может потерять устойчивость, что приводит к эффекту «шнурованию» тока.
Тепловые модели ПЛИ представлены в работах как отечественных (Петро-сянц К.О., Бубенников А.Н., Н.М. Ройзин и др.), так и зарубежных (D.J. В1ас-bum, J.R. Hauser, N. Rinaldi) авторов. Существуют пакеты прикладных программ для проектирования тепловых режимов ПЛИ (SPICE, TERM3, ANSYS, COMSOL и т.д.). Большинство этих моделей и пакетов программ позволяют рассчитывать температурные поля при заданном распределении источников тепла и граничных условиях, но не учитывают наличие различных механизмов теплоэлектрической обратной связи в структурах ПЛИ, то есть отсутствует зависимость плотности электрической мощности от температуры (температуронезависимое приближение).

Рис. 2.1. Геометрия структуры мощного биполярного транзистора: а) общий вид (1 - кристалл, 2 - теплоотвод), б) верхняя поверхность кристалла с активной областью, площадью й«г=Р '1/х -!у>(й Ч 0),
(&, УаФ - координаты геометрических центров активной области структуры и дефекта