Диссертация (1137280), страница 13
Текст из файла (страница 13)
Для определения параметров Isd, Kd иned нужно измерить ток базы до и после воздействия радиации.88Первыми определяются параметры Isd и ned. Для этого необходимо решить систему выражений при D=0 и двух напряжений база-эмиттер в пределах Uбэ= 0,6 0,8 В: Un БЭ_1 I s _ bulk _1 ( D 0) I sd e ed t 1 ;(3.28) Un БЭ_ 2 I s _ bulk _ 2 ( D 0) I sd e ed t 1 ,(3.29)Для n-p-n Si БТ интегральной схемы (см. пункт 4.3.2) получаем значение параметров Isd = 2·10–19 А и ned = 1,2. Далее определяется параметр Kd.
Для этого нужно решить уравнение при напряжении база-эмиттер в пределах Uбэ= 0,6 0,8 В и поглощеннойдозе D1 или интегральном потоке Ф1 с использованием ранее найденных параметров Isd иned: nU БЭI s _ bulk _1 ( D D1 ) I sd 1 K d D1 e ed t 1 ,(3.30)Значение поглощенной дозы D1 или интегрального потока Ф1 выбирается для значений с уровнем минимальной поглощенной дозой.Для этого Si БТ получаем значения радиационного-зависимого параметраKd = 2,5·10–4 1/рад.Следует отметить, что параметры Isd, Kd и ned определяются при моделированиивсех типов излучения; исключение может быть сделано для гамма-излучения с поглощённой дозой до 1·105 рад.3.2.2.4 Процедура экстракции параметров макромодели для учета эффектовсмещения тока коллектора в области насыщения и лавинного пробояНеобходимо определить параметры для учета эффектов смещения тока коллектора в режиме насыщения (параметры V0, g, h) и в области лавинного пробоя (параметрыKavc1, Kavc2 для базовой модели VBIC).Для определения радиационно-зависимых параметров V0, g, h макромодели напервом этапе нужно померить напряжение насыщения Vнас для различных уровней поглощенной дозы или интегрального потока по стандартным методикам [80] или определить из коллекторных характеристик.
После чего определить приращение напряжения89насыщения ∆Vнас(D) = Vнас(D) - Vнас(0), где Vнас(D) и Vнас(0) напряжение насыщения до ипосле облучения поглощенной дозой или интегральным потоком, соответственно, и построить зависимость приращения напряжения насыщения ∆Vнас от поглощенной дозы/интегрального потока. На последнем шаге необходимо аппроксимировать получившуюся зависимость выражением типа a1 b1 exp a2 D , для n-p-n Si БТ интегральной схемы (см. пункт 4.3.2) были получены следующие параметры: а1 = V0 = 0,0856 В,b1 = g = 0,0856 В, a2 = h = 4·10–6 1/рад (см.
рис. 3.55).Рис. 3.55. Экстракция параметров V0, g, hОпределение радиационно-зависимых параметров Kavc1 и Kavc2, которые учитывают сдвиг пробивного напряжения на выходных характеристиках биполярного транзистора при воздействии проникающей радиации рассмотрим для базовой модели VBIC;для остальных базовых моделей (MEXTRAM, HiCUM) учет производится аналогичнымметодом. В базовой модели VBIC лавинное умножение описывается следующим выражением:IGC ( ITXF ITZR I BCJ ) AVC1 vl exp( AVC 2 vl MC 1 ) ,(3.31)где: параметры AVC1 и AVC2 отвечают за лавинное умножение (см.
рис. 3.44).Далее для определения параметров KAVC1 и KAVC2 необходимо на выходных характеристиках определить значения напряжения лавинного пробоя AVC1 и изменение крутизны наклона AVC2 при всех уровнях дозы. На следующем шаге необходимо построить зависимость этих параметров от поглощенной дозы и аппроксимировать линейнойфункцией a1[1+b1·D] (см. рис 3.56). Для SiGe ГБТ 8HP при Iб=3,5·10–6 А были получены90следующие параметры: 1) для AVC1: а1= AVC1 = 1,26 , b1=КAVC1= 3,0∙10–9 1/рад; 2) дляAVC2: а1 = AVC2 = 36, b1 = КAVC2 = 5,0∙10–9 1/рад.Знаки коэффициентов KAVC1 и KAVC2 определяют увеличение (+) или уменьшение (–) начального напряжения лавинного пробоя и крутизны возрастания тока при лавинном умножении.Рис.
3.56. Экстракция параметров KAVC1 и KAVC23.2.2.5 Процедура экстракции параметров макромодели для учета эффектавлияния «горячих» носителей заряда на ток коллектораДля учета эффекта влияния «горячих» носителей заряда на ток коллектора биполярных транзисторов необходимо определить радиационно-зависимый параметр Кrad.Для этого сначала нужно определить степень влияния горячих носителей, для этогонеобходимо померить характеристики Гуммеля с разным напряжением коллекторэмиттер.
В случае нахождения влияния «горячих» носителей заряда на ток коллекторанеобходимо определить разницу между экспериментальными и смоделированных значениями тока коллектора при постоянном токе базы в активном режиме после облученияразличнымиуровнямипоглощеннойдозы/интегральногопотока∆I(D)= Iизм(D1) – Iмодел(D1). После чего необходимо построить зависимость ∆I от дозы/интегрального потока и аппроксимировать функцией типа: a1 [1 – b1 · D] (см. рис.913.57). Для Si БТ 2Т378, были получены следующие параметры: а1 = Iб=5·10–5А,b1 = Кrad=6,5·10–5 1/рад.Рис.
3.57. Экстракция параметра Кrad для учета эффекта влияния «горячих»носителей на ток коллектораПосле проделанной процедуры экстракции известен полный набор дополнительных радиационно-зависимых параметров SPICE-RAD-макромодели. Данная процедурареализована в программе математических расчетов MathCAD, что позволяет сократитьвремя экстракции параметров.923.3 Выводы по главе 3Результатами исследований, приведенных в главе 3, являются:1) разработана и развита унифицированная SPICE-макромодель Si БТ иSiGe ГБТ, которая имеет единую эквивалентную схему и систему уравнений для разныхвидов радиационного воздействия (электронного, протонного, нейтронного и гаммаизлучений).
По сравнению с существующим набором разнородных версий SPICE-RADмоделей, значительно сокращается количество параметров, описывающих радиационнозависимые элементы модели, упрощается методика их определения;2) по сравнению с ранее известными SPICE-моделями, в предложенной макромодели дополнительно учтены эффект усиления радиационной деградации параметровот влияния «горячих» носителей и эффект сдвига выходных коллекторных характеристик в области насыщения и лавинного пробоя, что существенно повышает точностьмоделирования аналоговых и аналого-цифровых схем;3) унифицированная SPICE-модель может быть использована в промышленныхсхемотехнических САПР Eldo (Mentor Graphics), Spectre, UltraSim (Cadence), HSpice(Synopsys) для проектирования радиационно-стойких ИС, позволяя рассчитывать электрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ БИС при воздействии различных видов радиации в широком диапазоне действующего фактора.
По сравнению с используемым всуществующих симуляторах набором отдельных SPICE-моделей для каждого вида воздействия, унифицированная модель, общая для всех видов воздействий, описываетсязначительно меньшим количеством параметров, имеет более простую методику ихопределения, что позволяет сократить трудоемкость и время подготовки и обработкиданных до и после расчета;4) для пользователей разработаны полуавтоматические процедуры определенияпараметров биполярных транзисторов с учётом воздействия стационарного радиационного излучения на основе результатов измерений тестовых образцов или результатовприборного-технологического моделирования в системе TCAD;5) погрешность моделирования электрических характеристик Si БТ и SiGe ГБТБИС, подвергнутых воздействию электронов, нейтронов, протонов и гамма-квантов составляет: 10–15% для статических ВАХ и 15–20% для динамических характеристик вшироком диапазоне доз и потоков радиации.93Глава 4 Применение разработанных TCAD и SPICE моделей в практикепроектирования Si БТ и SiGe ГБТ и фрагментов ИС и БИС, подвергнутыхвоздействию радиацииВ данной главе приведены примеры сквозного TCAD-SPICE моделирования Si БТи SiGe ГБТ и результаты использования разработанных автором моделей для приборнотехнологического и схемотехнического моделирования Si БТ и SiGe ГБТ и фрагментоврадиационно-стойких БИС на их основе, полученные при выполнении ряда НИОКР спредприятиями Росэлектроники и Роскосмоса, а также проектов по ФЦП и грантамРФФИ и НИУ ВШЭ.4.1 Примеры сквозного TCAD-SPICE моделирования Si БТ и SiGe ГБТ привоздействии нейтронного излученияВ настоящее время все большее распространение получает сквозное TCAD-SPICEмоделирование с учетом влияния радиационных эффектов.
Поэтому в диссертационнойработе рассмотрена возможность сквозного TCAD-SPICE моделирования Si БТ иSiGe ГБТ с использованием разработанных моделей радиационных эффектов. В даннойглаве представлены результаты сквозного TCAD-SPICE моделирования на примерахSi БТ 2Т378 и SiGe ГБТ, изготовленного по технологии 8WL, с учетом влияниянейтронного излучения. При этом TCAD моделирования используется для определенияпараметров базовой SPICE-модели и дополнительного набора параметров SPICE-RADмодели, учитывающих воздействие нейтронов, для получения характеристик биполярной структуры после облучения.4.1.1 Пример сквозного TCAD-SPICE моделирования Si БТ 2Т378 привоздействии нейтронного излученияСквозное TCAD-SPICE моделирования представлено на примере эпитаксиальнопланарных n-p-n Si БТ 2Т378, которые исследовались совместно со специалистамиОАО “НПП “Пульсар” и предназначен для телеметрических систем.
В этой работе автором проводились исследования влияния нейтронного излучения на характеристики94транзистора 2Т378 и его параметры, измерения электрических характеристик, а такженепосредственное участие в радиационных испытаниях и сравнение математическихмоделей, которые включают в себя два разных типа выражений для Кτ.На начальном этапе были проведены измерения входных и выходных характеристик до и после испытания на физической установке при воздействии нейтронного излучения с интегральным потоком Фn = 4·10–13 см–2. После проведения испытаний, напервом этапе сквозного моделирования воссоздана модель БТ 2Т378 в среде SynopsysSentaurus с использованием технологической карты и топологии (см.
рис. 4.58).Рис. 4.58. Топология биполярного транзистора 2Т378В связи с большими размерами структуры транзистора 2Т378 (площадь эмиттера– 32000 мкм2) при моделировании прибора возникла проблема, связанная с большимизатратами времени на проведение виртуального эксперимента. Поэтому было приняторешение, что для более быстрого расчета нужно упростить структуру БТ и моделировать только часть прибора. Однако при условии, что сохранится высокая точность моделирования и будут учтены важные эффекты в структуре транзистора. Компромисс между временем и точностью расчетов был найден путем оптимизации топологии прибора.Так как данный биполярный транзистор имеет гребенчатую структуру, то его легко поделить на отдельные части.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
