芯片里的"热点"：栅压如何调控纳米晶体管的温度

芯片的散热困局

当你手机发烫时，那是数十亿个晶体管在同时工作——每个都在产生热量。随着芯片制程推进到3纳米以下，晶体管的尺寸已缩小到几十个原子宽度，而每个器件的散热空间却在急剧缩小。全环栅场效应晶体管（Gate-All-Around Field Effect Transistor, GAAFET）被认为是继FinFET之后最具前景的器件架构：它的栅极将导电通道360度包围，能更有效地控制电流开关。

但更好的电流控制也意味着更集中的热量产生。在纳米尺度下，硅的热导率会随尺寸缩小而显著降低——也就是说，热量更难散发出去。目前对GAAFET的电学特性已有不少研究，但栅极电压如何同时影响电流和温度分布，仍缺乏系统的定量分析。

三维电-热耦合模型

本研究基于漂移-扩散方程（Drift-Diffusion Equation，描述载流子在电场驱动下的运动）与傅里叶热传导方程的耦合，建立了GAAFET的三维电-热仿真模型。模型同时求解电子浓度、电势和温度场，捕捉电-热之间的双向相互作用：电流产生热量（焦耳热），温度变化反过来影响载流子迁移率（Carrier Mobility，衡量电子在材料中移动的难易程度），从而改变电流——形成一个闭环反馈。

仿真结果首先验证了模型的电学准确性：转移特性曲线（图1左）与实验数据吻合良好。电子浓度分布（图1右）显示，栅压升高时电子在纳米片中心区域聚集，形成圆柱形导电通道——这正是GAAFET"全包围栅极"结构的优势所在。

栅压：调控热量分布的"旋钮"

核心发现是，栅极电压不仅控制电流大小，还深刻改变了热量的空间分布。图4展示了三种栅压下的热源密度和温度分布对比：

低栅压时（0.5V），热量高度集中在漏极端附近，像一个点状热源；随着栅压升高，热源区域沿通道方向扩展，峰值温度从约350K攀升到超过500K。这意味着同一个器件在不同工作状态下，"热点"的位置和强度都在变化——这对热管理设计提出了更精细的要求。

温度分布的截面分析（图2）进一步揭示，热量从纳米片中心向外围的氧化层和栅极传导，形成了以径向为主的热流路径。这暗示栅极本身既是电流的"开关"，也是热量散出的主要通道之一。

漏压、迁移率与温度的三角关系

除了栅压，漏极电压（Drain Voltage, Vd）同样显著影响器件的热行为。图5显示，随着漏压从0.1V增加到1.0V，漏极电流和峰值温度均非线性增长：

值得注意的是，温度的增速明显快于电流——漏压从0.5V到1.0V时电流增加约2倍，而峰值温度的增幅超过100K。这说明在高驱动电压下，散热问题的严峻程度超出了单纯从电流增幅所能预判的范围。

迁移率模型的选择也显著影响热预测的准确性。研究对比了三种迁移率模型：考虑温度依赖的Caughey-Thomas模型、固定迁移率模型和恒定迁移率模型。结果显示，忽略温度对迁移率的影响会低估峰值温度约20%，因为高温下迁移率下降会重新分配电场，进而改变热源分布。这一发现对芯片设计中的热仿真具有直接意义：电-热解耦的简化分析可能导致显著偏差。

瞬态响应与安全工作区

器件并非始终处于稳态。开关过程中，温度如何在时间尺度上演化？仿真发现，GAAFET的热时间常数约为1微秒量级——这意味着在纳秒级的开关切换中，器件温度来不及瞬间响应，而是经历一个"渐热"过程。

更有意思的是，不同位置的温度达到稳态的速率不同：漏极端最先稳定，而通道中部存在温度过冲（Temperature Overshoot）——即瞬态温度暂时高于稳态值。这对器件的可靠性评估至关重要：如果只看稳态温度，可能低估开关瞬间的热应力风险。

启示：让芯片"冷静"工作

这项研究揭示了GAAFET中电-热行为的几个关键特征：栅压和漏压共同调控热量的空间分布与强度，迁移率的温度依赖性不可忽略，瞬态热响应中存在过冲风险。这些发现为下一代芯片设计提供了具体指引——热管理策略需要考虑工作状态的变化，而非仅针对最恶劣工况做静态设计；栅极作为散热路径的潜力值得关注；瞬态热分析应纳入可靠性评估流程。

当晶体管的尺寸逼近物理极限，每一度温度的变化都影响着器件的性能与寿命。理解这些纳米尺度上的热行为，是让芯片在更高性能下"冷静"工作的基础。

论文引用

Liu Z (刘哲), Sun B H (孙博华), Cui H H (崔海航), Sun K (孙锱). Non-Fourier electrothermal fully coupled analysis of a 5 nm gate-all-around field-effect transistor based on density gradient theory. Physics of Fluids, 2025, 37: 022017.

DOI: 10.1063/5.0253246