Диссертация (1137280), страница 11
Текст из файла (страница 11)
3.52 приведено сравнение измеренных и смоделированных выходных характеристик 2Т378 с использованием SPICE-макромодели, дополнительный набор радиационно-зависимых параметров которой был определен из входной ВАХ при напряжении коллектор-эмиттер Uкэ = 5 В после воздействия гамма-квантов с суммарной поглощенной дозой 1·105 рад с учетом влияния «горячих» носителей. Для моделирования было получено значение параметра Krad = 2·10–6 1/рад.Основной особенностью разработанной макромодели биполярного транзистораявляется универсальный подход, позволяющий учитывать деградацию характеристикбиполярных транзисторов при воздействии различных видов радиации с приемлемойточностью.78Рис.
3.52. Сравнение измеренных (точки) и смоделированных (линии) выходныххарактеристик БТ 2Т378 после гамма-излучения с суммарной поглощеннойдозой 1·105 рад для разработанных ранее SPICE-моделейСравнение разработанной макромодели и других известных моделей [27],[31],[28] [33]-[37], [39]-[41] показало, что разработанная макромодель обладает большейгибкостью при описании изменения тока базы, что позволяет описывать с большей точностью изменение тока базы после облучения в разных режимах работы транзистора.Также в отличие от аналогичных работ, где влияние радиации на выходные характеристики либо учитывается частично, либо не учитывается совсем, разработанная макромодель учитывает эффекты усиления радиационной деградации параметров от влияния«горячих» носителей и эффекты сдвига выходных коллекторных характеристик в области насыщения и лавинного пробоя.Другой важной составляющей SPICE-модели Si БТ/ SiGe ГБТ является определение набора дополнительных параметров SPICE-макромодели, учитывающих радиацию.Поэтому была разработана методика, позволяющая определять коэффициенты модели(3.21) – (3.23), (3.25) – (3.27) из набора входных и выходных ВАХ и частотных характеристик облученного биполярного транзистора.
В аналогичных работах для экстракциипараметров SPICE-модели требуются дополнительные, сложные и зачастую трудоемкиеизмерения, что в конечном итоге приводит к увеличению затрат времени на подготовкумодели Si БТ/SiGe ГБТ к схемотехническому моделированию ИС и БИС.Примеры использования разработанной автором универсальной SPICE-RADмакромодели рассматриваются в Главе 4 настоящей диссертации.793.2 Экстракция дополнительного набора радиационно-зависимыхпараметров унифицированной SPICE-макромодели Si/SiGe биполярныхтранзисторов3.2.1 Экспериментальные исследования электрических характеристикбиполярных транзисторов до и после воздействия радиацииИзмерение характеристик и определение параметров компонентов является обязательным этапом, сопровождающим процесс проектирования и разработки БИС, микросхем и радиоэлектронной аппаратуры.
Методы измерения характеристик [80] и определения параметров SPICE-моделей [81] биполярных транзисторов, работающих в нормальных условиях эксплуатации, в достаточной степени разработаны и унифицированы.К сожалению этого нельзя сказать о приборах, которые работают в аппаратуре,подверженной воздействию радиации. Поэтому в данном разделе представлена методика проведения радиационных исследования для всех типов Si БТ используемых в диссертационной работе. Стоит также отметить, что экспериментальные результаты былиполучены автором лично или при непосредственном участии.Для радиационных исследований в данной работе биполярные транзисторы, которые применяются в различной специальной аппаратуре, подвергались воздействию различных видов радиационного излучения: гамма-квантов, нейтронов, электронов.Для определения радиационной стойкости микросхем, БИС и т.п., работающих вусловиях воздействия радиации, проводились специальные испытания в наземных условиях, в процессе которых после каждого вида радиационного воздействия измеряетсянеобходимый набор электрических характеристик и параметров прибора.Для каждого вида радиации устанавливается набор значений дозы или интегрального потока излучения, для которых необходимо определить реакцию прибора.Очевидно, что по сравнению с нормальными условиями, процесс измерений существенно усложняется.
Во-первых, добавляется испытательное и измерительное оборудование, реализующее процедуру радиационного облучения; причем, методики проведения эксперимента и измерений сложны, специфичны, а в ряде случаев уникальны.Во-вторых, резко увеличивается объем измерений электрических характеристик, так какизмерения необходимо проводить многократно – для каждой дозы, энергии или интенсивности конкретного вида воздействия.
Причем видов воздействия радиации можетбыть несколько, так как в процессе эксплуатации в космических условиях они, как пра-80вило, действуют одновременно. В-третьих, существенно усложняются как SPICEмодели, описывающие приборы с учетом радиационных эффектов, так и процедуры экстракции их параметров из результатов измерений.
В-четвертых, усложняются процедуры обработки результатов измерений. В-пятых, усложняется процесс принятия решенияо функциональной пригодности прибора в реальных условиях эксплуатации, так каквводится дополнительный критерий оценки – степень деградации параметров прибора вусловиях действия радиационных факторов.В настоящее время при проведении измерений электрических характеристик биполярных транзисторов, применяемых в аппаратуре, подверженной воздействию различных радиационных факторов, не существует единых, типовых, в достаточной степени отработанных методик.
Такая же ситуация наблюдается в вопросе экстракции SPICEпараметров схемотехнических моделей транзисторов для цепей САПР.В существующих публикациях для каждого типа приборов и условий их практического применения в аппаратуре задачи измерения характеристик и определения параметров SPICE-моделей решаются самостоятельно [82]-[87]. Используемые при этом измерительные средства и методики измерений детально не раскрываются, а в ряде случаев являются тщательно охраняемыми фирменными секретами. Приводимые в различныхработах результаты аналогичных экспериментов существенно различаются.Поэтому в данной главе представлена методика радиационных исследований сопределенной степенью формализованной и унифицированной процедурой измеренийэлектрических характеристик биполярных транзисторов, подверженных воздействиюразличных видов радиации.
Выделено общее для всех типов транзисторов и видов радиации единое измерительное ядро, в структуру которого входят комплекс измерительныхприборов, набор тестовых транзисторов, методик измерений их характеристик и обработки результатов измерений. Разработана автоматизированная подсистема измеренияхарактеристик и параметров биполярных транзисторов, подвергнутых воздействию различных видов радиации. В процессе работы подсистемы осуществляется автоматическое многократное обращение к единому ядру, в результате чего упрощается процедураи резко сокращается время измерений, а также исключается возникновение ошибок, вызванных человеческим фактором.
Работа подсистемы проиллюстрирована на примерахизмерений электрических характеристик биполярных транзисторов, подвергнутых воздействию нейтронов, электронов и гамма-квантов.81Описание эксперимента. Для проведения экспериментальных исследований влияния гамма-, электронного и нейтронного излучений на БТ используется общий подход,блок-схема которого представлена на рис. 3.53.Рис. 3.53. Блок-схема автоматизированных измерений электрическиххарактеристик БТ до, в процессе и после радиационного воздействияИзмерения характеристик БТ обычно проводятся на партии из нескольких транзисторов, которые подвергаются радиационному воздействию, при этом транзисторы могут быть расположены на полупроводниковых пластинах или собраны в корпуса. Измерение характеристик транзисторов проходит непосредственно перед облучением, в процессе и в течение одного часа после облучения. При этом для измерения характеристикпредпочтительно используется четырёхпроводный метод, при котором подача и измерение напряжения производятся по отдельным парам проводов [88].82Для измерений характеристик БТ, определения радиационной стойкости и экстракции параметров SPICE-моделей биполярных транзисторов с целью последующегоприборно-технологическогоисхемотехническогомоделированияиспользовалосьнейтронное, электронное и гамма-излучение.а.
Облучение нейтронами. Облучение БТ нейтронами проводилось на импульсном ядерном реакторе БАРС-4 с энергией 1,25 МэВ в Научно-исследовательском институте приборов (ФГУП «НИИП»). Импульсный ядерный реактор имеет металлическуюактивную зону, которая используется как интенсивный источник гамма- и нейтронногоизлучения для исследований радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры.Средняя мощность реактора 1 кВт, пиковая мощность в импульсе 1,4·108 кВт.
Облучение биполярных транзисторов проводилось для дискретного набора потоков нейтроновФni в диапазоне от 1011 до 1015 см–2. Погрешность измерения потока нейтронов составляет не более 15%. В связи с тем, что после облучения остается наведенная активность наобразцах и в помещении, где установлен реактор, после очередного цикла облучения уисследователя нет возможности провести измерения непосредственно на месте. Следовательно, приходится проводить измерения дистанционными методами (с расстояниемот средств измерений до образцов около 20 метров) или располагать измерительную аппаратуру рядом с образцами (что требует дистанционного управления).С учётом известного значения потока нейтронов заранее определяются моментывремени, соответствующие заданному набору контрольных уровней излучения {Фni}.После каждого i-го облучения приборов нейтронами с конкретным значением потока Фniприборы поступают в так называемое «измерительное ядро», в котором для них производится измерение необходимого набора электрических характеристик.
Для биполярныхтранзисторов измеряются прямые и обратные входные и выходные характеристики, сопротивления эмиттера и коллектора методом flyback, ёмкостные характеристики, дляСВЧ транзисторов кроме того измеряются максимальная и граничная частоты, а такжеS-параметры. На последующем (i+1)-м шаге облучения с характеристическим параметром потока Фn,i+1 приборы опять поступают на электрические измерения в «измерительное ядро». Процедура повторяется k- раз (k – количество дискретных значений потока Фni, для которых производилось облучение).б.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
