Диссертация (1137280), страница 16
Текст из файла (страница 16)
4.89 представлено сравнение экспериментальных (показаны пределы 20%отклонения от экспериментальных данных) и смоделированных результатов коэффициента радиационных повреждений, который определяется как отношение коэффициентаусиления ОУ после облучения () к значению до облучения (0): β=KU(D)/KU(0).Коэффициентповреждения β, отн. ед1161,40E+001,20E+001,00E+008,00E-016,00E-014,00E-012,00E-010,00E+00экспериментальныеданныеслабаястепеньмоделированиедегродации010000002000000D, рад30000004000000Рис 4.89. Сравнение экспериментального и смоделированного радиационногокоэффициента повреждения β ОУ 140УД7 от дозыКак видно из рис. 4.89 наблюдается хорошее совпадение с экспериментальнымиданными.
На рис. 4.90 приведена амплитудно-частотная характеристика 140УД7 послевоздействия электронного излучения.120экспериментУсиление, дБ100моделированиемоделированеслабаядеградация80604020001000000D, рад20000003000000Рис 4.90. Сравнение экспериментальной и смоделированной амплитудночастотной характеристики 140УД7 после электронного излученияДля определения реальной радиационной стойкости 140УД7 проводилось схемотехническое моделирование без компенсации смещения нуля при увеличении поглощённой дозы. Уровень радиационной стойкости 140УД7 определялся по максимальномууровню дозы электронного излучения, когда не происходит нелинейных искажений вы-117ходного сигнала. При этом амплитуда входного сигнала устанавливалась на уровне 17,2мкВ. Результаты моделирования представлены на рис.
4.91.НаблюдаетсяискажениявыходногосигналаРис 4.91. Выходной сигнал ОУ 140УД7 до ипосле облучения с дозами D= 0 рад, 30 крад, 60 крад, 90 крад .Реальная радиационная стойкость 140УД7 составила 86 крад, что соответствуетзаявленным значениям ТУ для этого ОУ и подтверждается результатами моделирования. Расхождение между смоделированными и экспериментальными данными не превысило 25% при суммарной поглощенной дозе до уровней 86 крад.1184.3.2 Использование разработанной модели для схемотехническогорасчёта операционных усилителей, изготовленных по комплементарнойбиполярной технологииВ рамках НИОКР, которая проводилась в ОАО “НПП “Пульсар”, были исследованы статические параметры операционных усилителей, изготовленных по комплементарной биполярной технологии с шириной эмиттерной промывки 0,6 мкм, граничныечастоты n-p-n/p-n-p составляют 8,5/8 ГГц. Схема сборки операционного усилителя приведена на рис.
4.92.Рис. 4.92. Схема сборки операционного усилителяДля исследования операционного усилителя были изготовлены тестовые кристаллы, содержащие наборы n-p-n и p-n-p биполярных транзисторов (см. рис. 4.93). Площадиэмиттеров транзисторных сборок n-p-n составили Sэ = 1382,4 мкм2 (для трех транзисторов) и для p-n-p Sэ = 1036,8 мкм2 (для трех транзисторов).Характеристики тестовых транзисторов измерялись на специализированном стенде на базе измерительной системы Agilent. Исследования влияния радиационного воздействия проводились на линейном ускорителе электронов в ИФХиЭ РАН.
Для исследований измерялись входные и выходные ВАХ тестовых транзисторов.Автором были разработаны SPICE-RAD-макромодели для Si транзисторных кристаллов n-p-n-типа 455 и вертикальных p-n-p-типа 456 с учетом влияния электронногоизлучения. Структура полупроводникового кристалла тестовых транзисторных сбороктранзисторов n-p-n-типа 455 и вертикальные p-n-p-типа 456 приведен на рис.
4.93.Для моделирования исходных транзисторных сборок 455 и 456 использоваласьмодель Гуммеля-Пуна.119Рис. 4.93. Расположение n-p-n/p-n-p транзисторов на кристаллеДля моделирования транзисторных сборок 455 и 456 с учетом электронного излучения использовались иерархическая структура, в которой каждый тип транзистора описывался собственной макромоделью:– Для n-p-n: .SUBCKT subNPN V1 B1 E1+param D=0 Issmax='1.755e-10' Ks='3.1e-7' Kd='2.5e-4' Nes='2.519 kT=0.025 Isd='6e-16'ned=1.7 V0=0.083 g=0.0819 h=1e-7Q1npn C1 B1 E1 GPG1 B1 E1 Cur='3e-10'G2 B1 E1 Cur='(Issmax * ( 1 - exp (- ks * D ) ) )*( exp ( (V(B1)-V(E1)) / ( Nes * kT )) - 1 )'G4 B1 E1 Cur='Isd * (1 + Kd * D)* ( exp ( (V(B1)-V(E1)) / ( Ned * kT ) ) - 1 )'E5 C1 V1 Vol='V0+g* exp(- h*D)* ( 1 - exp ( (-V(С1)-V(E1)) / ( Nes * kT ) ) ) '.ends– Для p-n-p: .SUBCKT subPNP V1 B1 E1+paramIssmax='2.0e-12' ks='7.5e-07 ' Kd='4.5e-4' Nes='2.15' kT=0.025 Isd='2e-19'Ned=1.2 V=0.01 g=0.001 h='1.1e-6' D='0'Q1npn C1 B1 E1 0 GPG1 E1 B1 Cur='3.5e-11'G2 B1 E1 Cur='-(Issmax*( 1 - exp (- ks * D ) ) )*( exp ((V(E1) - V(B1))/ ( Nes * kT )) - 1 )'G4 B1 E1 Cur='-Isd * (1 + Kd * D)* ( exp ((V(E1) - V(B1))/ ( Ned * kT ) ) - 1 )'E5 C1 V1 Vol='V+g* exp(- h*D)* ( 1 - exp ( (-V(С1)-V(E1)) / ( Nes * kT ) ) ) '.ends120Для моделирования в HSpice была собрана электрическая схема включения транзисторов, которая приведена на рис.
4.94 для транзисторов n-p-n типа, а для p-n-p типаиспользовалась аналогичная схема, а также схема с шестью параллельными транзисторами. На рис. 4.95 – 4.97 представлены сравнение измеренных и смоделированных результатов до и после воздействия электронного излучения с дозами 2·10 5 рад, 5·105 рад,7·105 рад, 1·106 рад.
Точками на графиках отмечены экспериментальные данные, а линиями результаты моделирования. Для моделирования использовались следующие параметры:1) для транзисторов n-p-n типа Issmax=1,755·10–10, Ks=3,1·10–7, Kd=2,5·10–4,Nes=2,519, kT=0,025, Isd=6·10–16 ned=1,7 V0=0,083 g=0,0819 h=1·10–7; 2) для транзисторовp-n-p типа Issmax=2·10–12, Ks=7,5·10–7, Kd=4,5·10–4, Nes=2,15, kT=0,025, Isd=2·10–19, ned=1,2,V0=0,01, g=0,001, h=1,1·10–6Рис. 4.94.
Схема включения трех транзисторов n-p-n типа для экспериментального исследования их характеристикб)а)Рис. 4.95. Характеристика Гуммеля для транзисторных сборов из трехтранзисторов n-p-n (а) и p-n-p (б) типа121б)а)Рис. 4.96. Коэффициент усиления по токутрех транзисторов n-p-n (а) и p-n-p (б) типаа)122б)Рис. 4.97.
Выходная характеристикатрех транзисторов n-p-n (а) и p-n-p (б) типаИз анализа характеристик на рис. 4.95 – 4.97 было определено, что разработаннаямодель позволяет описывать деградацию характеристик Si БТ с ошибкой не более 5-10%до уровней поглощенной дозы 5·106 рад.Разработанная модель Si БТ использовалась для математического моделированияразличных аналоговых компонентов (операционные усилители, компараторы и т.п.),выполненных на основе транзисторов из транзисторных сборок 455 и 456, с учетом воздействия электронного излучения до уровней поглощенной дозы 5·106 рад.Далее исследовались характеристики стойкости биполярного операционного усилителя, для этого были проведены измерения смещения нуля, коэффициента усиления ивходного тока при тех же уровнях поглощенной дозы, что и для тестовых образцов.Приборы были собраны в специальную оснастку (см.
рис. 4.98).Разработанная модель и база данных по SPICE-параметрам n-p-n и p-n-p транзисторов были переданы специалистам ОАО «НПП «Пульсар» для проведения работ помоделированию аналогичных операционных усилителей [93] при дозах от 0 до 1200крад.123Рис. 4.98. Оснастка операционного усилителя4.3.3 Пример SPICE-RAD-модели Si БТ и SiGe ГБТ,учитывающей гамма-излучениеПри моделировании характеристик биполярного транзистора при воздействиигамма-излучения необходимо учитывать вклад в радиационно-индуцированный ток нетолько поверхностной составляющей, но при дозах более 5·105 рад, также необходимоучитывать объемную составляющую.Пример использования разработанной макромодели для расчета ВАХ Si БТ иSiGe ГБТ с учетом влияния гамма-излучения.
Для моделирования были выбраны транзисторы:– Si БТ 2Т378 с параметрами: коэффициент усиления по току β = 70, граничнаячастота fT = 1,9 ГГц и максимальная частота fmax = 5,1 ГГц;– SiGe ГБТ компании IBM, изготовленный по технологии 8HP с проектной нормой 130 нм с параметрами: β =450, fT = 100 ГГц, fmax = 200 ГГц.Для данных транзисторов были использованы экспериментальные входные и выходные характеристики до и после облучения гамма-квантами, которые сравнивались срезультатами SPICE-моделирования с помощью разработанной модели.
Для 2Т378 былипроведены экспериментальные исследования по облучению гамма-квантами на установке ГОИС-5 в АО «НПП «Пульсар». Измерения характеристик проводилось на автоматизированной подсистеме, в которую входят стандартные измерительные приборы.Для моделирования входных и выходных характеристик БТ с учетом воздействиягамма-излучения были определены следующие параметры SPICE модели:1241) для SiGe ГБТ: Isd = 1·10-15 А, ned = 1,69, Issmax= 1,34·10-13 А, ks = 2,2·10-5 1/рад,Kd = 8·10-11 1/рад, nes = 2,5, V = 0,23 В, g = 0,229 В , h = 1,95·10–6 1/рад,КAVC1 = –6,0 ·10-9 1/рад, КAVC2 = –5 ·10-9 1/рад;2) для Si БТ: Isd = 2·10-16 А, ned = 1,73, Issmax= 2,5·10-14 А, ks = 5,5·10-8 1/рад,Kd = 1,6·10-6 1/рад, nes = 2,01, v=2,05·10-1 В, g = 1,99·10-1 В, h = 1,2·10-6 1/рад.На рис.
4.99 – 4.100 приведены коэффициент усиления по току и выходная характеристика для SiGe ГБТ до и после воздействия гамма-излучения с суммарной поглощенной дозой 6·105 рад, 1·106 рад, 3·106 рад, 6·106 рад.Рис. 4.99. Характеристика Гуммеля для SiGe ГБТ до (1) и после воздействия гаммаизлучения с суммарной поглощенной дозой 6·105 рад (2), 1·106 рад (3),3·106 рад (4) и 6·106 рад (5)Рис. 4.100. Выходные характеристики SiGe ГБТ до (1) и после облучения ссуммарной поглощенной дозой 6·106(2) и 30·106 (3)рад125На рис. 4.101 – 4.104 приведены результаты сравнения экспериментальных данных и результатов SPICE моделирования для Si БТ до облучения и после воздействиягамма-излучения с суммарной поглощенной дозой 1·104 и 1·105 рад.Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
