Диссертация (1137280), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Оптимизация топологии БТ заключалась в уменьшенииразмеров, как общей площади эмиттера, так и площади базы. Общая площадь эмиттерауменьшалась за счет изменения количества ячеек, что соответственно приводило к95уменьшению площади базы. При этом выдерживалось расстояние между шаблономEMITTER и шаблоном BAZA1, характерное для топологии исходного транзистора.Для выявления наиболее оптимальной структуры БТ были проведены расчеты нескольких топологий с разным количеством ячеек (одной, двух, трех и десяти). В качестве примера, топология для случая трех ячеек изображена на рис. 4.59.
Проверка разных топологий показала, что уменьшение площади базы до 3-х ячеек не приводит к качественным изменениям токов базы и коллектора БТ, но приводит к количественнымизменениям (см. рис. 4.60). Это связано с изменением общей площади эмиттера, что хорошо видно на графиках, приведенных на рис. 4.60.Рис. 4.59. Топология части биполярного транзистора 2Т378Причем процесс моделирования в случае десяти ячеек занимает около 3,5 часов, ав случае трех ячеек около 30 минут.
Поэтому принято решение на стадии подбора параметров структуры прибора использовать топологию, состоящую из трех ячеек. Это позволяет сократить время создания и расчета структуры почти без изменения точностирасчета токов базы и коллектора.График зависимости плотности тока базы Iб от напряжения база-эмиттер Uбэ для3-х ячеечной структуры изображен на рис. 4.61. Точками на рисунке показана зависимость Iб(Uбэ) для исходной площади базы, а сплошной линией показана зависимостьIб(Uбэ) для оптимизированной топологии.
Для сравнения экспериментальных и смоделированных ВАХ нужно токи базы и коллектора БТ перевести в плотности токов. Для чегоэкспериментальные значения токов были поделены на площадь эмиттера, которая равна32000 мкм2.96а) Токи коллектораб) Токи базыРис. 4.60. Характеристики 2Т378 с разной топологией:а) токи коллектора; б) токи базыРис. 4.61. График зависимости Iб(Uбэ) для 2Т37897Результатами первого этапа моделирования TCAD является 3-х ячеечная структура БТ, разрез которой по сечению А-А (см. рис. 4.59) изображен на рис.
4.62.Рис. 4.62. Структура БТ по сечению А-АРаспределение легирующей примеси по глубине по сечению в плоскостих = 75 мкм представлено на рис. 4.63.Рис. 4.63. 1D распределение легирующей примеси по глубинеВ дальнейшем на рисунках точками указаны экспериментальные данные, асплошными линиями результаты моделирования в среде TCAD.98На рис. 4.64 – 4.65 представлены сравнения характеристик транзистора 2Т378 дооблучения. Как видно из представленных графиков, измеренные и смоделированныеданные достаточно хорошо согласуются.Рис. 4.64.
Входных характеристик до облучения нейтронами транзистора 2Т378Рис. 4.65. Коэффициента усиления по токудо облучения нейтронами транзистора 2Т378Пробивные напряжения:Экспериментальные данныеUэб, В5,8Uкб, В80Значения, получившиеся примоделировании в САПР68599а)б)Рис. 4.66. Граничная частота и максимальная частота усиления 2Т378fmax, ГГцДанные, взятые из ТУ наприбор5,0Значения, получившиеся примоделировании в САПР4,8fT, ГГц2,01,7Важным параметром БТ является время пролета носителей заряда через активную базу tA. Величина tA определяют по известной методике, основанной на измерениизависимости дифференциального коэффициента передачи тока базы БТ на высокой частоте от тока коллектора.tA 12 fT h21e ,(4.32)где: fT – граничная частота, h21e – статический коэффициент усиления.При условии, что расчет fT проводился при h21e = 1, то выражение имеет простойвид.tA 12 fT ,(4.33)По построенной зависимости fT от обратной величины тока коллектора определяем время пролета через активную базу носителей заряда.
Для этого нужно получившую-100ся зависимость продлить до нуля по оси абсцисс. На рис. 4.67 изображена данная зависимость.Рис. 4.67. Зависимость 1/(2π fT) от обратной величины тока коллектораПолучившаяся, зависимость является прямой линией, а ее пересечение с осью ординат при нулевом значении обратной величины тока коллектора, соответствует значению времени пролета через активную базу носителей заряда. Получаем значение времени пролета 2·10–10 с, что совпадает с экспериментальными данными.
После того какприборно-технологическая модель БТ была сделана и верифицирована, путем сравненияс экспериментальными данными, проводилось моделирование характеристик БТ вTCAD с учетом нейтронного излучения.Следующий этап сквозного моделирования, заключается в исследованиях транзисторной структуры 2Т378 при воздействии нейтронного излучения. Для этого была проведена калибровка модели учета радиационных эффектов. На рис. 4.68 представленысравнения экспериментального и смоделированного коэффициента усиления по току, сиспользованием уточненных выражений (2.15) и (2.16), до и после облучения нейтронами с потоком Φ = 4·1013 см–2.101Рис.
4.68. Зависимость коэффициента усиления по току β от напряжения базаэмиттер до и после облучения потоком Φ = 4·1013 см–2Как видно из рис. 4.68, расхождение экспериментальных и смоделированных результатов не превышает 15%.После чего в рамках работ с ОАО «НПП «Пульсар» было проведено моделирование транзистора 2Т378 для двух типов выражений для Kτ: для модели Грегори и улучшенной модели.
На рис. 4.69 показано сравнение экспериментальных и смоделированных результатов с использованием уточненных выражений (2.15) и (2.16) и модели Грегори (2.13) – (2.14).Рис. 4.69. Сравнение экспериментальных [точки] и смоделированных результатовс использованием уточненных выражений (2.15) и (2.16) [сплошная линия] имодели Грегори (2.13) – (2.14) [пунктирная линия]102Из рис. 4.69 видно, что использование уточненных выражений (2.15) и (2.16) прирасчете дает лучшее совпадение с экспериментальными данными в области рабочих токов БТ, чем использование при расчете выражений (2.13) – (2.14).
Для SiGe ГБТ учетстепени легирования еще более важный фактор, так как концентрация в базовой областидостигает значений 5·1018 см–3, однако, стоит учитывать, что в настоящее время, нет исследований Kτ для приборов с уровнем легирования более 1·1017 см–3. Поэтому дляуточнения выражения требуется проведение дополнительных исследований.
Таким образом, можно говорить, что для прогнозирования деградации параметров нужно использовать модель с уточненными выражениями (2.15) и (2.16). Это дает более точную оценку изменения характеристик кремниевого и кремний-германиевого биполярного транзистора при воздействии нейтронного облучения.После того, как модель для использования в TCAD была откалибрована, нами было проведено моделирование характеристик транзистора для набора значений интегрального потока нейтронов.
На рис. 4.70 представлена смоделированная зависимостькоэффициента усиления по току транзистора 2Т378 от интегрального потока, что позволило оценить влияние нейтронного излучения на Si БТ 2Т378.Результатывиртуальногоэксперимента,полученныевходеприборно-технологического моделирования с использованием модели радиационных эффектов,использовались в дальнейшем специалистами ОАО «НПП «Пульсар» для анализа изменения времени жизни в зависимости от интегрального потока.Рис.
4.70. Смоделированная зависимость коэффициента усиления по токутранзистора 2Т378 от интегрального потока103В результате сквозного TCAD-SPICE моделирования по данным виртуальногоэксперимента были определены параметры базовой модели БТ и дополнительный наборрадиационно-зависимых параметров унифицированной SPICE-RAD-модели.При моделировании характеристик биполярного транзистора при воздействиинейтронного излучения необходимо учитывать только объемную составляющую радиационно-индуцированного тока, так как при воздействии нейтронов деградация характеристик БТ в основном происходит из-за структурных эффектов. В связи с этим, в разработанной макромодели при учете нейтронного излучения поверхностной составляющейрадиационно-индуцированного тока можно пренебречь, что в свою очередь упрощаетSPICE-RAD-модель и уменьшает количество ее параметров.Результатом сквозного TCAD-SPICE моделирования является параметры базовоймодели Гуммеля-Пуна Si БТ 2Т378: IS= 3·10–17 А, NF = 1,01, BF = 55, ISE = 7·10–14 А,NE = 2,00, VAF = 10 В, VAR = 15 В, IKF = 1·10–3, NKF = 0,2, re = 1 Ом, RB = 5 Ом,RC = 35 Ом, а также набор дополнительных параметров SPICE-RAD-макромодели дляобъемного радиационно-индуцированного тока и сдвига напряжения насыщения:Kd=1,7·10–12 1/рад, Isd=1,0·10–15 А, ned=1,82, V=0,15 В, g=-0,13 В, h=1,2·10–12 1/рад.На рис.
4.71 - 4.73 приведены сравнения результатов виртуального экспериментав TCAD и результатов SPICE моделирования для Si БТ 2Т378 при потоке нейтронов1·1013, 4·1013, 1·1014 н/см2.а)б)Рис. 4.71. Характеристика Гуммеля (а) и коэффициент усиления по току (б) Si БТ2Т378 до и после облучения потоками нейтронов 1·1013, 4·1013, 1·1013 н/см2104На рис. 4.72 – 4.73 представлены результаты моделирования выходных характеристик Si БТ до и после облучения потоком нейтронов 4·1013 н/см2.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
