UN NUOVO MODELLO ELETTROTERMICO DI FET IN GaAs PER IL ...

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Agostino Giorgio, Anna Gina Perri NOTE sotto del FET, vengono selettivamente attaccate ed il GaAs viene sostituito con oro, metallo ad alta conducibilità termica. Tale tecnica, nota con il nome di bathtub prevede un aumento dei passi del processo di fabbricazione con un conseguente aggravio dei costi. Si può dunque considerare ottimizzato il substrato avente lo spessore minimo consentito dalla tecnologia disponibile. La spaziatura tra i gate, nel caso di struttura multifinger, che è il più interessante visto che i MESFET di potenza, quelli cioè per i quali i problemi termici sono più gravi, hanno questo tipo di layout, non è un parametro significativo nel progetto elettrico e può pertanto essere considerata una delle grandezze chiave del progetto termico. La lunghezza di gate L ha una importanza decisiva sia nel progetto elettrico, sia in quello termico anche se l’importanza di tale parametro per la determinazione del guadagno e della banda passante consiglia di scegliere la L in base solo a specifiche di tipo elettrico. Infine, il numero n, di gate in cui suddividiamo una data larghezza totale Z tot , è un altro parametro di importanza fondamentale nel caso termico, mentre bisogna ricordare solo che alle frequenze delle microonde non è opportuno progettare gate troppo larghi perché il segnale subisce una attenuazione ed una rotazione di fase indesiderate quando deve propagarsi da una parte all’altra della striscia metallica di gate. Ciò pone un limite superiore alla larghezza unitaria del gate Z u , per cui anche il numero n di striscie di gate è un parametro chiave del progetto termico. Per studiare l’importanza di tali parametri nelle prestazioni termiche del dispositivo, la resistenza termica R TH del FET e la sua temperatura di picco di canale T p del dispositivo, avente le caratteristiche indicate nella tabella I, sono state calcolate al variare di S, L ed n per potenza dissipata di P = 1 W e totale larghezza di gate Z tot = 1 mm. La fig. 7 mostra che la R TH è monotonicamente decrescente per valori crescenti di S e di L. Ciò suggerisce una regola di approccio al dimensionamento per la quale è opportuno scegliere la massima spaziatura tra gate possibile compatibilmente con i requisiti di integrazione e la massima lunghezza di gate possibile compatibilmente con le specifiche elettriche. I grafici sono stati derivati per n = 14. Nella fig. 8 viene mostrato l’andamento di R TH al variare di n ed S, con L = 1 mm. Si può osservare che, mentre l’andamento rispetto a S è in accordo con il grafico precedente e con il modello fisico, in quanto una spaziatura maggiore implica un minore accoppiamento mutuo delle sorgenti elementari con conseguente riduzione della temperatura media del dispositivo e, pertanto, della resistenza termica, l’andamento della R TH al variare del numero dei gate presenta un picco. Per esempio per S =20 mm, si ha il massimo della resistenza termica, pari a 64.58 °C/W per n = 7, mentre per S =50 mm il massimo di 47.37 °C/W si ha per n = 4. L’influenza della n sulla R TH si giustifica considerando che la temperatura complessiva è somma dei vari contributi elementari con legge inversamente proporzionale alla distanza radiale. Se i gate sono molto corti le sorgenti sono meno accoppiate perche sono situate a maggiore distanza. In altre parole, considerato che il peso del contributo all’aumento della temperatura indotto da una sorgente elementare in un dato punto è inversamente proporzionale alla distanza tra il punto e la sorgente, allora un numero maggiore di gate più corti provoca un allontanemento delle sorgenti elementari con conseguente diminuzione del numero di sorgenti che hanno influenza non trascurabile sul punto stesso. In tal modo la temperatura media si riduce e con essa la resistenza termica. Valori bassi di n con Z tot fissata implicano gate molto lunghi; in tale situazione vi è un effetto di allontanamento mutuo delle sorgenti relative agli estremi dei gate, meno efficace di quello precedentemente descritto, ma in grado tuttavia di far decrescere la temperatura media. In questo modo si giustifica il picco della resistenza termica. La fig. 8 suggerisce pertanto di scegliere valori di n alti, ossia che sono preferibili numerosi gate corti a pochi gate lunghi, in quanto valori bassi di n portano i problemi di attenuazione e rotazione di fase del segnale alle frequenze delle microonde ai quali si è accennato. 98 La Comunicazione - numero unico 2000
UN NUOVO MODELLO ELETTROTERMICO DI FET IN GaAs PER IL PROGETTO TERMICAMENTE OTTIMIZZATO DEI PARAMETRI DEL LAYOUT (A NEW ELECTROTHERMAL MODEL OF GAAS FETS FOR THE THERMALLY OPTIMIZED LAYOUT DESIGN) Fig. 7. Resistenza termica R TH del FET al variare della lunghezza di gate L e della spaziatura tra i gate S per n = 14 e P = 1 W. R TH R TH NOTE Fig. 8. Resistenza termica del FET R TH al variare del numero delle dita di gate n e della spaziatura tra i gate S per L = 1 mm e P = 1 W. La Comunicazione - numero unico 2000 99
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