基于BTE的场效应管产热传热机理研究
关键词 场效应管 产热 BTE 声子 传热毕业设计说明书（论文）外文摘要
Title BTE Based Modeling Approaches For Heat Generation and Conduction in FETs
Abstract With the development of LSI and VLSI technology, the integration level of the chips comes to a large scale. When the scale of the chip comes to nanoscale,wo face a lot of challenges in thermal management.Under normal working conditions,the heat flux density is very large,which could reaches 100 ,and even more.This paper starts with the physical mechanism of heat generation in FETs.We combine the BTE of electrons and phonons.With the lattice boltzmann method,wo simulate the temperature distribution of the FET under the condition of constant thermal power consumption and wo get the character of the hot spot.
Keywords FET heat generation BTE phonon heat conduction
目 次
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究进展 2
1.3 本文研究的内容 4
1.4 本课题研究的意义 4
2 理论方法简介 4
2.1 晶格结构 4
2.2 声子 5
2.3产热传热物理机制 6
2.4 模型 7
2.4.1连续性模型 7
2.4.2 BTE 8
2.4.3 分子动力学方法 9
3 格子波尔兹曼法 10
3.1 离散化 11
3.2边界条件 12
4.数值模拟结果与分析 13
结 论 16
致 谢 17
参 考 文 献 18
附录：边界条件的处理 20
1 绪论
1.1 引言
集成电路持续的小型化以及当前朝着纳米电子工业发展的趋势已经使得芯片集成度达到了很大的地步，在一个不足1 的芯片上可以有1亿个晶体管。随着最小的器件特征尺寸达到10nm，电流密度可以达到千兆集成度。在这种趋势 下，一个经常提到的技术问题就是功率问题，也就是能量密度，产热，以及芯片温度达到一定程度会影响集成电路工作的稳定性。当前芯片水平的能量密度已经达到了100W/cm 左右。假如集成度和小型化继续按照ITRS规划的路线发展，芯片的能量密度就可能进一步增加，如图1所示。增大的能量密度会很快用完便携设备中的电池并且会使得电子系统不可用，如果没有有效的冷却技术或在设计上有效的改变。这种情况由芯片中毫米尺度的热点组成，也就是，局域单位面积上过高的产热导致了过高的温度。
图1 ：过去十年芯片功率的发展趋势。注意，纵轴是对数的，横轴（年）是线性的。实线表示了一个指数的趋势。通过比较，一个电热板的功率大约为 ，一个核反应堆大约 ，太阳表面大约 。
当芯片热点困扰着电路设计者的同时，器件设计者也开始在单个晶体管中纳
米尺度上遇到热管理的问题。新的、复杂的器件使得传热更加困难，并且大多数在器件加工中引进的新材料，他们的热导率比体硅要小。自加热现象，通过电子（电流载流子，被电场驱动）和晶格振动（声子，被密度梯度驱动）的相互作用在器件工作时出现。当前技术的器件工作在可以和电子、声子平均自由程相比的尺寸规模下（体硅，室温下，电子5-10nm,声子200-300nm），并且将来的技术会深入研究这个准连续regime。在该长度尺寸下的弹道条件决定了电子和声子的输运，从而导致能量载流子间的非平衡情况。电子和声子的相互作用在空间和能量上都不均一，并且产生的声子对于热传递具有各种不同的作用：光学声子由于群速度很小因而对热导率贡献很小，热导率主要由声学声子的输运决定。另外，对于厚度比声子平均自由程还要小的半导体薄膜，它们的热导率由于声子受限以及边界散射而显著减小。这使得设备的热阻增加，从而导致薄膜、新型、几何形状受限的晶体管比工作在同样输入功率下体晶体管具有更高的工作温度。