Диссертация (1137280), страница 15
Текст из файла (страница 15)
4.72. Выходные характеристики Si БТ 2Т378 до облученияРис. 4.73. Выходные характеристики Si БТ 2Т378 после облученияпотоком нейтронов 4·1013 н/см2Как видно из представленных рис. 4.71-4.73 расхождение между смоделированными характеристиками Si БТ 2Т378 в TCAD и SPICE не превышает 10%, что являетсяудовлетворительным для прогнозирования параметров и характеристик БТ.105Таким образом, результатами сквозного TCAD-SPICE моделирования являетсяSPICE-RAD-макромодель Si БТ 2Т378, с использованием которой можно проводитьсхемотехническое проектирование аппаратуры с учетомрадиационных эффектов, атакже TCAD модель Si БТ 2Т378, которую можно использовать для повышения радиационной стойкости биполярного транзистора с использованием модели радиационныхэффектов, с последующим уточнением параметров его SPICE-модели и использованияее при схемотехническом проектировании.4.1.2 Пример сквозного TCAD-SPICE моделирования SiGe ГБТ технологии8WL при воздействии нейтронного излученияРаботы по сквозному TCAD-SPICE моделированию были проведены на примереSiGe ГБТ компании IBM, изготовленного по технологии 8WL с проектной нормой130 нм с параметрами: β=250, fT = 100 ГГц, fmax = 200 ГГц.В рамках сквозного TCAD-SPICE моделирования была создана структураSiGe ГБТ 8WL, представленная на рис.
4.74 (б). Структура SiGe ГБТ 8WL отличается отдругих технологий IBM более короткой глубокой щелевой изоляцией STI (~3 мкм) и более слабым легированием коллектора. Подробное описание структуры и ее отличие отдругих технологий описано в работе [94].а)б)Рис. 4.74. Схематичное изображение (а) и структура SiGe ГБТ 8WL,полученная в TCAD (б)Далее проводилось моделирование (для получения результатов виртуального эксперимента) электрических характеристик SiGe ГБТ 8WL до облучения и сравнение их с106экспериментальными данными. Для калибровки модели радиационных эффектов былиполучены экспериментальные характеристики Гуммеля до и после облучения из зарубежной работы [57].
После калибровки модели SiGe ГБТ было проведено приборнотехнологическое моделирование его структуры с учетом влияния нейтронного излучения. Результаты сравнения, а также анализ влияния нейтронного излучения представлены в Главе 2.Основной целью сквозного TCAD-SPICE моделирования является определениепараметров базовой модели и набор дополнительных параметров SPIC-модели. Поэтомуиз результатов TCAD моделирования, а именно, из входных и выходных ВАХ, былиопределеныследующиеосновныепараметрыбазовоймоделиVBIC:IS = 5·10–18 А, NEI = 0,97, IBEI=3·10–21, IBEN=3,39·10–16 А, NEN=1,735, VEF= 103 В,VER= 17 В, IKF=0,0004 А, RE=8,6 Ом, RBX=9 Ом, RCX=60 Ом и набор дополнительныхпараметровSPICE-RAD-модели:Isd=1·10-17 А,ned=1,62,Kd = 5·10-13 1/рад, nes = 1,95, V = 0,09 В, g = 0,019 В, h = 1,5·10–15 1/рад.На рис.
4.75 - 4.77 показаны входные и выходные характеристики, а также коэффициент усиления по току SiGe ГБТ до и после облучения для потоков нейтроновФn=2·1013 н/см2 и Фn =1·1014 н/см2.а)б)Рис. 4.75. Характеристика Гуммеля (а) и коэффициент усиления (б) по токуSiGe ГБТ 8WL до и после облучения с потоке нейтронов 2·1013 н/см2 и 1·1014 н/см2107Рис. 4.76. Выходная характеристика SiGe ГБТ при потоке нейтронов 2·1013 н/см2.Рис. 4.77.
Выходная характеристика SiGe ГБТ при потоке нейтронов 1·1014 н/см2.Из графиков рис. 4.75 - 4.77 видно, что максимальное расхождение между моделирования по TCAD и SPICE моделям характеристик в области рабочих токов не превышает 10%.Результатами сквозного TCAD-SPICE моделирования SiGe ГБТ является TCADмодель SiGe ГБТ 8WL с учетом радиационных эффектов, а также SPICE-RADмакромодель SiGe ГБТ 8WL для схемотехнических расчетов ИС и БИС, которая включает основные параметры базовой модели VBIC и набор дополнительных параметровдля учета радиационных эффектов.1084.2 Оценка влияния поверхностных эффектов на радиационнуюстойкость СВЧ эпитаксиально-планарного n-p-n Si БТ 2Т391 привоздействии гамма-излученияЭпитаксиально-планарные структуры n-p-n Si БТ 2Т391 разрабатываютсяОАО “НПП “Пульсар” и предназначены для применения во входных и последующихкаскадах усилителей сверхвысоких частот в составе гибридных интегральных микросхем, которые входят в аппаратуру специального назначения.
Для усовершенствованиятехнологии и увеличения радиационной стойкости Si БТ 2Т391 были проведены исследования влияния гамма-излучения в рамках НИОКР.Для исследования в TCAD была воссоздана технологическая карта и топологиятранзистора 2Т391 (см. рис.
4.78).А АРис. 4.78. Топология транзистора 2Т391После воссоздания технологической карты транзистора 2Т391 с помощью расчетов в TCAD была получена структура, разрез которой по сечению А-А (см. рис. 4.78),изображен на рис. 4.79. На рис. 4.80 показано распределение легирующей примеси поцентру эмиттера БТ 2Т391, профиль легирования совпадает с реальным распределениемпримеси.109Рис. 4.79. Структура БТ по сечению А-АРис. 4.80. 1D распределение легирующей примеси по центру эмиттера X = 20 мкмНа следующем этапе было проведено моделирование электрических характеристик БТ до облучения, но с подключенной моделью, учитывающее гамма-излучение ссуммарной поглощенной дозой Dγ = 0.
На рис. 4.81 представлены результаты сравненияхарактеристик исходного транзистора 2Т391, полученных в результате TCAD моделирования и данных эксперимента.110а)б)Рис. 4.81. Сравнение рассчитанных входных характеристик (а) и коэффициентаусиления (б) по току исходного транзистора 2Т391Граничная имаксимальная частотаусиления, ГГц43Граничная частотаМаксимальная…2101,E-071,E-051,E-03Ток коллектора, АРис. 4.82. Граничная и максимальная частота усиленияисходного транзистора 2Т391В таблице 4.6 приведены сравнения параметров исходного транзистора 2Т391,полученных из технических условий и с помощью TCAD моделирования транзистора.111Таблица 4.6.
Сравнение параметров исходного транзистора 2Т391, полученных изтехнических условий и с помощью TCAD моделировании транзистораПараметрПробивное напряжение база-эмиттер Uкэ, ВПробивное напряжение база-эмиттер Uкб, ВГраничная частотаусиления, ГГцМаксимальная частотаусиления, ГГцДанные из ТУЗначения, получившиесяпри моделировании вСАПР10,008,9015,0014,501,001,313,603,69После того, как исходный транзистор подобран, проводится моделирование с учетом гамма-излучения.На рис. 4.83 – 4.84 представлены результаты сравнение характеристики Гуммеляи коэффициента усиления по току 2Т391 до и после воздействия гамма-излучения.Рис. 4.83. Характеристики Гуммеля БТ 2Т391 до и после воздействия гаммаизлучения с суммарной поглощенной дозой 1·106, 1·107 рад112Рис. 4.84.
Коэффициент усиления по току 2Т391 до и после воздействия гаммаизлучения с суммарной поглощенной дозой 1·106, 1·107 радИз представленных рис. 4.83 – 4.84 характеристик видно, что экспериментальныеи смоделированные результаты достаточно хорошо согласуется, а расхождение междуними составляет не более 20%.Далее для оценки влияния поверхностных эффектов были определены значениязаряда поверхностных состояний для структуры Si БТ 2Т391.
Концентрация поверхностных состояний варьируется при изготовлении полупроводниковых приборов и может быть подобрана для определенных значений. Поэтому зная эту зависимостью (см.рис. 4.85) можно обеспечить требуемые уровни радиационной стойкости.Рис. 4.85.
Зависимость заряда поверхностных состояний от поглощенной дозы1134.3 Применение SPICE-RAD-модели для схемотехническогомоделирования фрагментов ИС, подвергнутых воздействиюразличных видов радиации4.3.1 Пример применения разработанной SPICE-RAD-макромодели длярасчета аналоговых схем специального назначения с учетом электронногоизлученияРазработанные математические модели для схемотехнического моделированияиспользовались в научно-техническом отчете ТАИК.226001.377 в рамках НИР «Создание системы управления поворотами БС КА» на предприятии АО “Корпорация“ВНИИЭМ”.С использованием данных моделей была проведена оценка радиационной стойкости схем модуля электроники (1401УД2А, 140УД601А, 140УД7, 1НТ251, 2ТС622А,198НТ1БТ1ВК и др.) управляющего приводами для ориентации солнечных батарей.Оценка радиационной стойкости схем модуля электроники проводилась по отношениюк воздействию электронного и протонного излучения.
Были выявлены критичные узлыи элементы.Модуль электроники состоит из дискретных элементов или микросхем со среднейстепенью интеграции, поэтому для каждого типа элементов были созданы компактныемодели. Для определения параметров отдельных транзисторов и микросхем были использованы транзисторы и микросхемы из летной партии. Схемотехническое моделирование схем проводилось в HSpice фирмы Synopsys.Для проведения исследования использовался измерительный стенд. Испытанияпри воздействии электронного излучения проводились в ИФХиЭ РАН на линейномускорителе.
Оценка влияния протонного излучения проводилась с использованием гамма-нейтронных установок. При этом уровни воздействующих факторов по ионизационной и структурной составляющей были пересчитаны в эквивалентные повреждения, вызванные протонным излучением.Для моделирования характеристик транзисторов и микросхем использовалась базовая модель Гуммеля-Пуна. Для определения параметров автором были проведены измерения характеристик элементов до и после воздействия электронов с дозами от10 крад до 100 крад. Для каждого промежуточного значения дозы измерялся стандартный набор характеристик.114Экстракции параметров транзисторов до и после воздействия электронного излучения проводилась согласно процедуре, описанной в 3.2.
Для учета влияния электронного излучения на микросхемы были определены параметры транзисторов, входящих в состав этих микросхем, после чего путем подгонки под эксперимент были определены ирадиационно-зависимые параметры.Ниже представлен пример схемотехнического моделирования ОУ 140УД7 с учетом влияния электронного излучения. Этот ОУ является классическим примером инаиболее сбалансированного ОУ, часто используемого в практических разработках.Для схемотехнического моделирования в HSpice была собрана электрическаясхема 140УД7, приведённая на рис. 4.86.Рис 4.86. Электрическая схема 140УД7Далее представлены сравнения результатов схемотехнического моделирования иэкспериментальных данных для 140УД7.
Результаты моделирования смещения нуля –690,497 мкВ, а по экспериментальным данным оно составило 851,326 мкВ. На рис. 4.87и 4.88 приведенысравнения экспериментальных и смоделированных амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик, соответственно.115120промоделированнмоделированиеоеэкспериментэкспериментУсиление, дБ1008060402001E+01E+11E+21E+31E+4Частота, Гц1E+51E+61E+7Рис 4.87. Сравнение смоделированной и экспериментальной амплитудночастотной характеристики 140УД7 до облучения200экспериментэксперимент150моделированиепромоделированноеФаза +1801005001E+0-50-1001E+11E+21E+31E+41E+51E+61E+7Частота, ГцРис 4.88. Сравнение смоделированной и экспериментальной фазо-частотнойхарактеристики 140УД7 до облученияКак видно из представленных выше рисунков, расхождение между экспериментальными данными и результатами моделирования не превышает 20%.На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
