Автореферат (Разработка и исследование моделей радиационных воздействий для расчета характеристик кремниевых и кремний-германиевых биполярных транзисторов с помощью системы TCAD), страница 4

Граничная частота ft для различных значений флюенса нейтроновTCAD модель, учитывающая влияние протонного излучения.Для учета влияния протонного излучения на характеристики Si БТ и SiGe ГБТ вTCAD используется подход, суть которого заключается в том, что изменение электрических характеристик биполярных транзисторов определяется совместным воздействием структурных дефектов (аналогично нейтронному излучению) и ионизационных (аналогично гамма-излучению) эффектов.В связи с тем, что для моделирования протонного излучения используется комбинация моделей для нейтронного и гамма-излучений, необходимо определить такиезначения потока нейтронов и поглощенной дозы гамма-излучения, которые эквивалентны по своему воздействию протонному излучению. Для этого использовалисьследующие выражения:–для определения эквивалентного потока нейтронов:  n  K ср   p , K   ( E ) /  ( E ) ;– для определения эквивалентной поглощенной дозы гамма-излучения: D p   ip ( E )   p ,где: δcn(E), δcp(E) – удельная поглощенная доза для нейтронного и протонного излучения в зависимости от энергии, δip (Е) – удельная поглощенная доза в расчете на одинпротон.Сравнение экспериментальных и смоделированных ВАХ представлено нарис.

6 для SiGe ГБТ, выполненного по 0,18 мкм БиКМОП технологии 7HP с β = 250,fT = 120 ГГц, fmax = 100 ГГц.cpа)cncpб)Рисунок 6. Сравнение смоделированных (линии) и экспериментальных (точки) характеристик Гуммеля (а) и коэффициента усиления по току (б) SiGe ГБТ до и после воздействия протонов с потоками 1·1012 см–2, 7·1012 см–2, 2·1013 см–2, 5·1013 см–214Для исследования влияния протонного излучения на характеристики SiGe ГБТбыла определена разница ΔJб = Jб(Dp) – Jб(0) между плотностями тока базы принапряжении Uбе = 0,7 В до Jб(0) и после Jб(Dp) облучения протонами. На рис.

7 показано сравнение экспериментального и смоделированного параметра ΔJб, а также егоионизационная и структурная составляющие.Описанные выше модели были использованы для исследования с помощью системы TCAD деградации характеристик современных Si БТ и SiGe ГБТ при воздействии нейтронного, протонного и гамма-излучений. По опыту использования моделей, погрешность описания статических ВАХ субмикронных Si БТ и SiGe ГБТ непревышает 10–15% в широком диапазоне доз до 1∙107 рад и интегральных потоков до1∙1016 см–2, частотных характеристик – 15-20% в том же диапазоне доз и потоков.Рисунок 7. Радиационно-индуцированная плотность тока базы SiGe ГБТ после воздействия протонного излученияВ главе 3 приведено описание разработанной автором универсальнойSPICE-макромодели Si БТ и SiGe ГБТ, изготовленных по различным технологиям сразмерами вплоть до субмикронных (до 0,1 мкм), учитывающей стационарные радиационные эффекты, а также представлена методика экстракции параметров макромодели из результатов измерения электрических характеристик необлучённых и облучённых тестовых транзисторов или результатов приборно-технологического моделирования.Универсальная макромодель разрабатывалась с использованием комбинациидвух методов: макромоделирования (включения в эквивалентную схему дополнительных элементов), а также введения в модель аппроксимирующих выражений для параметров, зависящих от внешних факторов и электрического режима.Универсальная макромодель (см.

рис. 8) состоит из 2-х частей: базового ядра, вкачестве которого может использоваться любая стандартная модель БТ (ГуммеляПуна, VBIC, HICUM, MEXTRAM – по выбору пользователя), включенная в библиотеку моделей SPICE-подобных программ анализа электрических схем, и дополнительной подсхемы, состоящей из стандартных элементов теории цепей – источниковтока и напряжения, учитывающих радиационно-индуцированные токи при воздействии различных видов радиации.Эквивалентная схема модели (см.

рис. 8), системы уравнений и параметров дляядра и элементов дополнительной подсхемы являются одними и теми же при воздей-15ствии электронов, протонов, нейтронов и гамма-квантов. Разница заключается в том,что для каждого из воздействий используются свои численные значения коэффициентов в выражениях для радиационно-зависимых параметров.Для учета влияния радиационных эффектов к базовой модели транзистора подключены следующие схемные элементы (см.

рис. 8): 1) источник тока Iб(D), описывающий деградацию тока базы; 2) источник тока Icor(D), корректирующий ток насыщения транзистора после облучения; 3) источник напряжения Vcor(D), учитывающийсдвиг коллекторных ВАХ в режиме насыщения. Также в базовую модель добавленыаппроксимирующие выражения для параметров лавинного пробоя.Рисунок 8. SPICE макромодель Si БТ/SiGe ГБТ, учитывающая влияние разных видоврадиационных излученийДля учета радиационно-индуцированного тока базы в состав макромоделиSi БТ/SiGe ГБТ включен источник тока Iб(D), который является суммой объемной иповерхностной составляющих:(6)I (D )  I(D )  I(D )бs _ b u lks _ surfОбъемная составляющая обусловлена действием структурных дефектов в объеме базы и описывается следующим выражением:БЭn I б _ b u lk ( D )  I s d  1  K d  D   e e d t  1 U,(7)Поверхностная составляющая обусловлена действием ионизационных эффектов и описывается следующим выражением:БЭn , e es t  1 UI б _ surf ( D )  I ss m ax 1  e K s D(8)где: Isd, Issmax, Кd, Кs, ned, nes, – числовые коэффициенты; D – поглощенная доза излучения или поток частиц; Uбэ – напряжение база-эмиттер, φt – температурный потенциал.На рис.

9 представлен пример расчета ВАХ и коэффициента усиления по токуSi БТ 2Т378 при воздействии электронного излучения.16а)б)Рисунок 9. Пример влияния электронного излучения на входные ВАХ (а) и коэффициент усиления по току (б) Si БТ 2Т378Для учета изменения напряжения насыщения к базовой модели БТ в цепьколлектора подключен источник напряжения Vcor(D), который описывается следующим выражением:,U(9)V  D   V  g  e x p   h  D    1  e x p cor0кэn e s   t  где: nes, V0, g, h – подгоночные коэффициенты; D – поглощённая доза излучения илипоток частиц; Uкэ – напряжение коллектор-эмиттер.Учет эффекта сдвига пробивного напряжения на выходных характеристикахбиполярного транзистора при воздействии радиации рассмотрен для базовой моделиVBIC; для остальных базовых моделей (MEXTRAM, HiCUM) учет производится аналогичным способом.

В базовой модели VBIC лавинное умножение описывается выражением:(10)I (I I I)  A V C 1  vl  exp( A V C 2  vl),Для учета эффекта сдвига напряжения лавинного пробоя параметры базовоймодели VBIC, отвечающие за лавинный пробой AVC1 и AVC2, были аппроксимированы следующими выражениями:(11)A V C 1  D   A V C 1( 0 )  (1  KD);(12)A V C 2  D   A V C 2 ( 0 )  (1  KD) ,где: A V C 1 (0), A V C 2 (0) – параметр базовой модели VBIC для лавинного пробоя,КAVC1, КAVC2 – подгоночные коэффициенты; D – поглощённая доза излучения или поток частиц.На рис. 10 приведен пример выходной ВАХ для SiGe ГБТ 8HP приIб=3,5·10–6 А до и после воздействия гамма-излучения со следующими параметрамимодели: V0 = 0,23 В, g = 0,229 В, h = 1,95·10–6 1/рад, nes = 2,5, КAVC1 = 3,0·10-9 1/рад,КAVC2 = 5,0·10-9 1/рад.M C 1GCTXFTZRBCJAVC 1AVC 217Рисунок 10.

Сравнение экспериментальной и смоделированной выходной ВАХ дляSiGe ГБТ 8HP при Iб=3,5·10–6 А до и после воздействия гамма-излучения с поглощенными дозами 6·106 рад, 30·106 радНа выходных ВАХ рис. 10 видно, что в предложенной автором модели, вопервых, устранен дефект модели M. Van Uffelen и др. [29], связанный с возникновением отрицательных значений Uкэ в режиме насыщения, и, во-вторых, учтен эффектрадиационного сдвига пробивного напряжения, который ранее в моделях не учитывался. Отметим, что второй эффект очень важен для SiGe ГБТ, для которых значенияUкэ_проб могут быть достаточно малыми (≈1,5 – 2,0 В), и поэтому даже небольшой егосдвиг необходимо учитывать при расчетах схем.Учет эффекта влияния «горячих» носителей заряда на ток коллектора.При исследованиях характеристик облученных биполярных транзисторов было замечено, что деградация тока базы и, как следствие, коэффициента усиления по токупроисходит из-за двух эффектов: 1) влияния радиации; 2) влияния «горячих» носителей.

Ранее эффект усиления радиационной деградации параметров БТ от влияния«горячих» носителей в SPICE-моделях не учитывался, что приводило к большой погрешности моделирования коллекторных ВАХ.Например, при исследовании 2Т378 было выявлено, что при моделированииколлекторных характеристик с дополнительным набором радиационно-зависимыхпараметров, определенных по входным ВАХ при напряжениях коллектор-эмиттерUкэ = 0 В, Uкэ = 2 В и Uкэ = 5 В, наблюдалось заметное расхождение между значениями измеренных и смоделированных по существующим SPICE-моделям токов транзистора (см.

рис. 11, (а)). Причем с ростом дозы эта разница увеличивается.Поэтому для коррекции тока коллектора в эквивалентную схему модели(см. рис. 8) был введен источник тока Icor (D), который описывается следующим выражением:(13)I D   I  (1  K  D ) ,где: Krad – числовой коэффициент.На рис. 11 приведено сравнение смоделированных и измеренных выходных характеристик Si БТ 2Т378 после воздействия гамма-излучения с суммарной поглощенной дозой 1·105 рад, полученное: а) для разработанных ранее SPICE-моделей; б) длямодели с учетом влияния «горячих» носителей со значением параметраKrad =2·10–6 1/рад.corбrad18а)б)Рисунок 11. Сравнение измеренных (точки) и смоделированных (линии) выходныххарактеристик БТ 2Т378 после гамма-излучения с суммарной поглощенной дозой 1·105 рад для разработанных ранее SPICE-моделей (а) и для модели с учетом влияния «горячих» носителей со значением параметра Krad =2·10–6 1/рад (б)Методика экстракции дополнительного набора параметров унифицированнойSPICE-макромодели, учитывающих влияние дозовых эффектов, создана и отработанадля элементов Si БТ и SiGe ГБТ БИС, изготовленных по различным технологиям сразмерами вплоть до субмикронных (до 0,1 мкм).Она является модификацией стандартной методики и основана на результатахизмерения электрических характеристик тестовых облучённых и необлучённых приборов, или результатах приборно-технологического моделирования.Однако, при ее реализации необходимо было учитывать, что: 1) значительновозрастает массив результатов измерения; 2) увеличивается количество тестовыхприборов; 3) заметно увеличивается количество параметров схемотехнической модели; 4) в процедуру экстракции добавляется этап аппроксимации зависимостей параметров от уровня радиационного воздействия.Набор параметров ядра модели (базовой модели, выбираемой пользователем)определяется для необлучённого биполярного транзистора с использованием стандартных процедур, в том числе, с использованием автоматизированного комплексаIC-CAP.Из полного набора параметров, описывающих элементы эквивалентной схемымакромодели биполярного транзистора, выбирается перечень основных радиационнозависимых параметров при воздействии различных видов радиационного излучения.Исходными данными для экстракции параметров, учитывающих радиационныевоздействия, являются стандартные наборы входных и выходных ВАХ и частотныехарактеристики Si БТ и SiGe ГБТ, полученные путем измерений на тестовых прибо-19рах или путем расчета по программе TCAD при разных дозах или потоках проникающей радиации.Экспериментальные результаты исследований биполярных транзисторов до ипосле облучения, а также испытания по облучению БТ нейтронами, электронами игамма-квантами были проведены лично автором или при непосредственном его участии.Облучение БТ нейтронами проводилось на импульсном ядерном реактореБАРС-4 с энергией 1,25 МэВ в Научно-исследовательском институте приборов(ФГУП «НИИП»).