GaN tabanlı transistörlerde nümerik analiz yöntemi ile ısıl direnç karakterizasyonu yapılması

Abstract

Bu çalışmada, ANSYS-Icepak Sayısal Akışkanlar Dinamiği programı kullanılarak GaN (Galyum Nitrit) tabanlı yüksek elektron hareketli transistör için ısıl model oluşturulmuş farklı güç atımlarında, kanal sıcaklığı ve ısıl direnç değerleri belirlenmiş ve gerçekleşen ısı transferi 3 boyutlu olarak incelenmiştir. Analiz, farklı değerlerdeki kanal uzunluğu, kanal genişliği, darbe genişliği ve farklı kalınlıklardaki farklı alt tabaka malzemeleri için tekrarlanarak maksimum ısı atımı için optimum değerler belirlenmiştir. Bulunan sonuçlarda transistör kesitlerindeki sıcaklık dağılımları sunulmuştur. Bahsedilen parametrelere bağlı olarak değişen farklı alt tabakalardaki (Safir, Si, SiC) kanal sıcaklıkları ve ısıl direnç değerleri grafiksel olarak ayrıntılı bir şekilde gösterilmiştir. Bu grafiklerden yola çıkılarak, GaN tabanlı transistörden olan ısı atımını arttıracak faktörler ve uygun çalışma koşulları belirlenmiştir. Çalışmalar sırasında altı parametrenin; güç atımı, darbe genişliği, kanal uzunluğu, kanal genişliği, alt tabaka malzemesi ve alt tabaka kalınlığının ısı transferine etkileri incelenmiştir. Çalışmada, literatürde bulunan deneysel çalışmalarla doğrulanan model üzerinde parametrik çalışma yapılarak optimum transistör boyutları ve alt tabaka malzemesi tespit edilmiştir. Sonuç olarak yapılan analizler incelendiğinde, kanal sıcaklığının tüm parametrelerle doğru orantılı, ısıl direncin ise kanal genişliğiyle ters diğer parametrelerle doğru orantılı olduğu görülmüştür. En iyi ısıl performans ve en düşük ısıl direnç 26,26oC/W ile SiC alt tabakalı transistörde görülmüştür, bu alt tabakadaki kanal sıcaklıkları ise uygulanan güce bağlı olarak 97,3-151,8oC arasındadır.

In this study, thermal model was constructed using ANSYS-Icepak computational fluid dynamic program for GaN (Gallium Nitride)-based high electron mobility transistors. Channel temperature and thermal resistance of the transistor were determined, and heat transfer was analyzed as a three dimensional case at different power densities. Numerical analysis was repeated for different values of channel length, channel width, pulse and different substrate materials for different thicknesses to obtain optimum heat transfer in the transistor. Temperature distribution in the cross sections of the transistor was represented in the study. Varying channel temperatures due to mentioned parameters, and thermal resistance in different substrate materials (Sapphire, Si, SiC) were revealed graphically in detail. As it could be figured out from the graphics, factors that increase heat dissipation from GaN-based transistors and optimum working conditions were determined. During the study, it was examined how heat transfer in the transistor was affected by changing six parameters which are power dissipation, pulse width, channel length, channel width, substrate material and thickness of the substrate material. In this study, numerical results were verified with experimental studies in the literature, and optimum dimensions and materials of transistor were determined. After numerical model was verified with the experimental data, optimum dimensions and materials of the substrate were determined by parametrical studies. Finally, as numerical analysis was examined, channel temperature was proportional to all of the parameters, but thermal resistance was inversely proportional to channel width and proportional to other parameters. As can be seen from the results, SiC-based transistors had the best thermal performance, and the lowest thermal resistance with 26,26oC/W, and the channel temperatures on this substrate were between 97,3-151,8oC according to applied power.