Диссертация (1137280), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Такойподход к созданию SPICE-макромодели Si БТ и SiGe ГБТ позволяет иметь единое математическое описание, эквивалентную схему и набор дополнительных радиационнозависимых параметров для всех видов радиационного воздействия.На рис. 3.43 приведена эквивалентная схема унифицированной SPICE-RADмакромодели Si БТ и SiGe ГБТ, учитывающей основные радиационные эффекты.
Дляучета радиационных эффектов к базовой модели подключены дополнительные схемныеэлементы, учитывающие специфику влияния радиационных излучений электрическиххарактеристик биполярных транзисторов, а также добавлены зависимости параметровлавинного пробоя базовой SPICE-модели.68В разработанной автором SPICE-макромодели для учета влияния различных эффектов при воздействии различных видов радиации используются следующие дополнительные схемные элементы: 1) источник тока Iб(D), описывающий радиационноиндуцированный ток базы в области малых токов после облучения (см. рис. 3.44 (а));2) источник тока Icor(D), учитывающий эффект влияния «горячих» носителей заряда надеградацию тока коллектора после облучения (см.
рис. 3.44 (б)); 3) источник напряжения Vcor(D), учитывающий сдвиг напряжения насыщения и пробивного напряжения вобласти насыщения и лавинного пробоя (см. рис. 3.44 (б)).Рис. 3.43. SPICE-макромодель Si БТ/SiGe ГБТ учитывающая влияния разныхвидов радиационных излученийа)69б)Рис. 3.44. Изменение входных (а) и выходных (б) характеристик биполярноготранзистора при воздействии различных видов радиации3.1.1 Учет радиационно-индуцированного тока базыДля учета радиационно-индуцированного тока в эквивалентную схему рис.
3.43SPICE-макромодели Si БТ/SiGe ГБТ при воздействии различных видов радиационныхизлучений, включен источник тока Iб(D), который представляет собой суперпозициюдвух составляющих, объемной и поверхностной:I б (D) I s _ bulk ( D) I s _ surf ( D)(3.20)Объемная составляющая обусловлена действием структурных дефектов в объемебазы и описывается следующим выражением: nU БЭI s _ bulk ( D) I sd 1 K d D e ed t 1 ,(3.21)Поверхностная составляющая обусловлена действием ионизационных эффектов иописывается следующим выражением:I s _ surf ( D) I ss max 1 e K s D nU БЭ e es t 1 ,(3.22)где: Isd, Issmax, Кd, Кs, ned, nes, – числовые коэффициенты; D – поглощенная доза излученияили поток частиц; Uбэ – напряжение база-эмиттер, φt – тепловой потенциал.На рис.
3.45 представлен пример влияния только поверхностной, только объемнойсоставляющей и их совместное влияние на входные ВАХ и коэффициент усиления потоку Si БТ 2Т378 при воздействии электронного излучения.70а)в)б)г)д)е)Рис. 3.45. Пример влияния только поверхностной (а, б), только объемной (в, г)составляющей и их аддитивное влияние (д, е) на входные вольт-амперныехарактеристики (ВАХ) (а, в, д) и коэффициент усиления по току (б, г, е) Si БТ 2Т378при воздействии электронного излучения с поглощенными дозами 1·104 и 1·105 рад71При этом на выходных характеристиках биполярного транзистора учитываетсятолько изменение тока коллектора в активном режиме, причем точность моделированияэтого тока напрямую зависит от точности моделирования коэффициента усиления транзистора по току. На рис. 3.46 представлены выходные ВАХ для SiGe ГБТ 8HP приIб=3,5·10–6 А до и после воздействия гамма-излучения с поглощенными дозами 6·106 ради 30·106 рад для разработанной ранее SPICE-модели и разработанной автором макромодели с учётом только радиационно-индуцированного тока.Представленные макромодели с достаточной точностью (расхождение составляетне более 15%) описывают входные ВАХ, зависимость коэффициента усиления отнапряжения база-эмиттер (и/или от тока коллектора) и ток коллектора в активном режиме.
Однако, в области насыщения и лавинного пробоя для макромодели, представленнойв работе [34], наблюдаются существенные отрицательные токи в области насыщения,что неприемлемо для схемотехнического моделирования.Для того чтобы описать ток коллектора в режиме насыщения и лавинного пробояна коллекторных характеристиках Si БТ и SiGe ГБТ, в макро модель были добавленызависимости для параметров лавинного пробоя базовой SPICE-модели, а также источниктока, параметры которого зависят от поглощенной дозы (см. рис.
Рис. 3.43).а)72б)Рис. 3.46. Выходные ВАХ для SiGe ГБТ 8HP при Iб=3,5·10–6 А до и послевоздействия гамма-излучения с поглощенными дозами 6·106 рад, 30·106 рад длямакромодели, представленной в работе [34], (а) и разработанной макромодели сучётом только радиационно-индуцированного тока (б)3.1.2 Учет эффектов смещения тока коллектора в режиме насыщения и вобласти лавинного пробояДля учета изменения напряжения насыщения к базовой модели в цепь коллекторабыл подключен источник напряжения Vcor(D), учитывающий эффект увеличения напряжения Vнас в результате облучения.На рис.
3.47, для примера, приведена зависимость напряжения насыщения Vнас отпоглощенной дозы электронного излучения для n-p-n Si БТ интегральной схемы операционного усилителя [35]. Из рис. 3.47 видно, что напряжения насыщения Vнас сильно зависит от поглощенной дозы. Поэтому для каждого вида облучения разработаннаяSPICE-макромодель должна описывать изменения напряжения насыщения БТ с достаточной точностью. Для этого необходимо описать представленную зависимость напряжения насыщения Vнас от поглощенной дозы или интегрального потока с использованием следующего уравнения: U Vcor D V0 g exp h D 1 exp кэ , nes t (3.23)73Рис. 3.47. Зависимости напряжения насыщения Vнас от поглощенной дозыэлектронного излучения для интегрального биполярного n-p-n транзисторагде: nes, V0, g, h – подгоночные коэффициенты; D – поглощённая доза излучения или поток частиц; Uкэ – напряжение коллектор-эмиттер.В выражении (3.23) первый множитель V0 g exp h D нужен для описаниязависимости напряжения насыщения Vнас от поглощенной дозы или интегрального потока.
Однако это приведет к появлению отрицательных значений тока коллектора при малых напряжениях коллектор-эмиттер, как и в работе [34]. Поэтому в выражение (3.23)был добавлен множитель1 exp Uкэ/ nes t , который зависит от напряженияколлектор-эмиттер и позволяет исключить подобные ситуации.
Для определения параметров уравнения (3.23) требуется определить приращение напряжения насыщения∆Vнас(D) = Vнас(D) - Vнас(0), где Vнас(D) и Vнас(0) напряжение насыщения до и после облучения поглощенной дозой или интегральным потоком, соответственно.На рис. 3.48 приведен пример аппроксимации приращения напряжения насыщения для биполярного n-p-n Si БТ после облучения электронами с суммарной поглощенной дозой до 1,1·107 рад с радиационно-зависимыми параметрами V = 0,23 В,g = 0,229 В , h = 1,95·10–6 1/рад, nes = 2,5.Учет эффекта сдвига пробивного напряжения на выходных характеристиках биполярного транзистора при воздействии проникающей радиации, рассмотрен нами длябазовой модели VBIC; для остальных базовых моделей (MEXTRAM, HiCUM) учет производится аналогичным методом.В базовой модели VBIC лавинное умножение описывается следующим выражением:IGC ( ITXF ITZR I BCJ ) AVC1 vl exp( AVC 2 vl MC 1 ) ,(3.24)74где: параметры AVC1 и AVC2 отвечают за лавинное умножение (см.
рис. 3.44).Для учета эффекта сдвига напряжения лавинного пробоя в параметры базовоймодели VBIC, отвечающие за лавинный пробой были добавлены следующие выражения:AVC1 D AVC1(0) (1 K AVC1 D)(3.25)AVC 2 D AVC 2(0) (1 K AVC 2 D)(3.26)где: AVC1 (0), AVC 2 (0)– параметр базовой модели VBIC для лавинного пробоя, КAVC1,КAVC2 – подгоночные коэффициенты; D – поглощённая доза излучения или поток частиц.Рис. 3.48. Аппроксимация зависимости приращения напряжения насыщения длябиполярного n-p-n транзистора после облучения электронами от суммарнойпоглощенной дозы с уровнями до 1,1·107 рад с радиационно-зависимымипараметрами V0 = 0,23 В, g = 0,229 В , h = 1,95·10–6 1/рад, nes = 2,5На рис.
3.49 приведен пример выходных ВАХ для SiGe ГБТ 8HP при Iб=3,5·10–6 Адо и после воздействия гамма-излучения с поглощенными дозами 6·106 рад, 30·106 раддля разработанной макромодели с радиационно-зависимыми параметрами 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.Из рис. 3.49 видно, что при использовании разработанной автором макромодели вобласти насыщения и лавинного пробоя экспериментальные и смоделированные результаты хорошо согласуются и ошибка составляет не более 15%.
При этом отрицательныхзначений токов при малых напряжениях коллектор-эмиттер не наблюдается.75Рис. 3.49. Выходные ВАХ для SiGe ГБТ 8HP при Iб=3,5·10–6 А до и послевоздействия гамма-излучения с поглощенными дозами 6·106 рад, 30·106 рад, рассчитанных с помощью разработанной макромодели3.1.3 Учет эффекта влияния «горячих» носителей зарядана ток коллектораПри исследованиях характеристик облученных биполярных транзисторов былозамечено, что деградация тока базы и, как следствие, коэффициента усиления по токупроисходит из-за двух эффектов: 1) влияние радиации; 2) влияние «горячих» носителей.Так исследование 2Т378 показало, что при измерении входной характеристики с разными напряжениями коллектор-эмиттер (Uкэ = 0 В, Uкэ = 2 В и Uкэ = 5 В) при суммарныхпоглощенных дозах 1·104 рад и 1·105 рад наблюдается расхождение между значениямитоков коллектора и базы при Uкэ = 0 В, Uкэ = 2 В, Uкэ = 5 В.
При увеличении уровня поглощенной дозы эта разница становится все больше (см. рис. 3.50).а)б)Рис. 3.50. Характеристика Гуммеля 2Т378 с напряжениями Uкэ = 0 В, Uкэ = 2 В иUкэ = 5 В при суммарных поглощенных дозах 1·104 рад (а) и 1·105 рад (б)76При моделировании выходных характеристик БТ из-за большей деградации коэффициента усиления по току, которое обусловлено одновременным учетом влияниягорячих носителей и радиационных эффектов, происходит увеличение ошибки моделирования тока коллектора на выходных характеристиках в активном режиме (см.рис.
3.51).Поэтому для исключения эффекта влияния «горячих» носителей к базовой моделиподключен источник тока между базой и коллектором (см. рис. 3.43).а)б)77в)Рис. 3.51. Сравнение измеренных и смоделированных выходных характеристик2Т378, полученных с параметрами, найденными из входной ВАХ при напряженииколлектор-эмиттер Uкэ = 0 В (а), Uкэ = 2 В (б), Uкэ = 5 В (в), до и после гаммаизлучения с суммарной поглощенной дозой 1·105 радДанный источник тока Icor (D), корректирующий ток коллектора в активном режиме транзистора после полученной дозы, описывается следующим выражением:I cor D I б (1 K rad D ) ,(3.27)где: Krad – числовой коэффициент; Uкэ – напряжение коллектор-эмиттер;На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
