Диссертация (1137280), страница 17
Текст из файла (страница 17)
4.101. Коэффициент усиления по току Si БТ до и после облученияРис. 4.102. Выходные характеристики Si БТ до облучения126Рис. 4.103. Выходные характеристики Si БТ после облучения с суммарнойпоглощенной дозой 1·104 радРис. 4.104. Выходные характеристики Si БТ после облучения с суммарнойпоглощенной дозой 1·105 радКак видно из представленных на рис. 4.99 – 4.104 данных, расхождения междуизмеренными и смоделированными характеристиками Si БТ и SiGe ГБТ не превышают10-15%, что является удовлетворительным для прогнозирования параметров и характеристик БТ при воздействии гама-излучения.1274.3.4 Пример SPICE-RAD-модели Si БТ и SiGe ГБТ,учитывающей протонное излучениеВ связи с ограничениями в проведении экспериментальных исследований воздействия протонного излучения на биполярные транзисторы, в настоящей работе для оценки адекватности моделирования использовались экспериментальные данные, полученные из литературных источников [41], [48], [58]-[63].В рассмотренных выше примерах применения разработанной унифицированнойSPICE-RAD-модели для расчета приборов и схем, облученных электронами, нейтронамии гамма-квантами, в качестве результатов моделирования были рассмотрены в основномстатические ВАХ и предельные частоты усиления.Поэтому, представляет интерес оценить степень радиационной деградации нетолько коэффициента усиления по току , но и других параметров SiGe ГБТ, влияющихна схемотехнику, в частности, напряжения Эрли VA и пробивного напряжения BVCEО.На рис.
4.105 приведены выходные коллекторные ВАХ для транзисторов с низким и высоким значением BVCEО. Характеристики ведут себя по-разному: у прибора с низкимпробивным напряжением с увеличением флюенса протонов при облучении заметно деградируют (уменьшаются) все три параметра , VA и BVCEO; у прибора с высоким пробивным напряжением - деградирует, VA практически не изменяется, BVCEO даже возрастает.Рис. 4.105 Выходные коллекторные характеристики для транзисторов с низким ивысоким значением BVCEO (4-ое поколение) [58]128Для моделирования 4-ого поколения SiGe ГБТ использовались следующие радиационно-зависимыепараметры:Isd=3·10-15 А,ned=1,59,Issmax= 7,5·10-13 А, ks = 2,2·10-16 1/рад, Kd = 8·10-11 1/рад, nes = 1,95, V = 0,13 В, g = 0,119 В,h = 5,5·10–17 1/рад, КAVC1 = –1,99 ·10-14 1/рад, КAVC2 = –1,921·10-14 1/рад.
Стоит отметить,что в данном моделировании в качестве характеристики уровня воздействия протонногоизлучения выступает не поглощенная доза, а интегральный поток. При этом дополнительных изменений в макромодели проводить не требуется, а меняются лишь значенияеё радиационно-зависимых параметров.На рис. 4.106 представлены результаты сравнения экспериментальных характеристик для коэффициента усиления по току[58] и результатов моделирования для 4-огопоколения SiGe ГБТ до и после воздействия протонного излучения.Рис.
4.106. Коэффициент усиления по току для 4-ого поколения SiGe ГБТ до и послевоздействия протонного излученияНа рис. 4.107 представлены результаты сравнения экспериментальных выходныххарактеристик [58] и результатов моделирования для 4-ого поколения SiGe ГБТ до и после воздействия протонного излучения.129Рис.
4.107 Выходная характеристика 4-ого поколения SiGe ГБТ с высокимпробивным напряжениемИз графиков рис. 4.106 - 4.107 видно, что максимальное расхождение между экспериментальными и расчетными характеристиками в области рабочих токов не превышает 10%.4.4 Выводы по Главе 4В главе представлены результаты использования сквозного TCAD и SPICE моделирования для Si БТ и SiGe ГБТ, а также примеры применения TCAD и SPICE моделей,полученные при выполнении ряда НИОКР с предприятиями Росэлектроники и Роскосмоса, а также проектов по ФЦП и грантам РФФИ и НИУ ВШЭ:1.
Совокупность разработанных в диссертации TCAD и SPICE моделей, учитывающихвлияниеразличныхрадиационныхвоздействий,использованавФГБНУ “НИИ МПТ” в процессе выполнения прикладной НИР гос. рез. № 0120.0713.098в частности:- TCAD-RAD модели использовались для оценки радиационной деградации основных электрофизических параметров (τn, τp, S и др.) и электрических характеристикструктур Si БТ и SiGe ГБТ с учетом разброса параметров технологии изготовления;- SPICE-RAD модели Si БТ, входящих в состав Би-КМОП-ДМОП ИС силовойэлектроники и модели SiGe ГБТ 0,35 0,13 мкм БиКМОП БИС для радио- и телекомму-130никационной аппаратуры для оценки радиационной стойкости цифровых и аналоговыхузлов Si силовой электроники и SiGe в диапазоне воздействия протонов, электронов(гамма) и нейтронов, характерных для космических условий.2. С помощью системы TCAD со встроенной моделью учета гамма-излучения получены прогнозные оценки влияния радиационно-индуцированных поверхностных эффектов в структуре эпитаксиально-планарного n-p-n Si БТ 2Т391 транзистора разрабатываемого и изготавливаемого ОАО “НПП “Пульсар” и предназначенного для применения во входных и последующих каскадах усилителей сверхвысоких частот в составе гибридных интегральных микросхем, которые входят в аппаратуру специального назначения.
Результаты были использованы для выработки рекомендаций оптимизации технологического процесса и повышения радиационной стойкости.3.Совместно со специалистами ОАО “НПП “Пульсар” исследовались, пред-назначенные для ГИС телеметрических систем эпитаксиально-планарные структурыn-p-n Si БТ 2Т378. С помощью системы TCAD со встроенной моделью (3)-(5) рассчитаны изменения времени жизни основных и неосновных носителей заряда в базе при воздействии нейтронов и даны оценки деградации статических и частотных параметровтранзистора, а также проведено сравнение математических моделей для двух типов выражений Кτ.4.
Разработанная универсальная SPICE-модель Si БТ, использовалась в рамкахНИОКР «Создание системы управления поворотами БС КА» на предприятииАО “Корпорация “ВНИИЭМ” для оптимизации аналоговой схемы управления модуляэлектроники и оценки его радиационной стойкости при воздействии электронного ипротонного излучений. Были выявлены критические узлы и элементы этого модуля.5. С помощью унифицированной SPICE-модели исследовались статические параметрыоперационныхусилителей,изготовленныхнапредприятииОАО “НПП “Пульсар”, выполненных по комплементарной биполярной технологии сшириной эмиттерной промывки 0,6 мкм.
Были изготовлены тестовые кристаллы, содержащие наборы n-p-n и p-n-p биполярных транзисторов с граничными частотами 8,5/8ГГц, соответственно. Для тестовых приборов были определены параметры унифицированной SPICE-модели, которая использовалась для проектирования ряда радиационностойких операционных усилителей, изготавливаемых на предприятии.Все перечисленные выше в п.п. 1-5 результаты подтверждены актами внедрениясоответствующих предприятий.131ЗаключениеРазработаны и встроены в промышленные версии приборно-технологических исхемотехнических САПР модели для расчета электрофизических и электрических характеристик Si БТ и SiGe ГБТ биполярных транзисторов с учетом влияния нейтронного,протонного, электронного и гамма-излучений.
Применение разработанных моделей позволяет значительно расширить возможности существующих приборно-технологическихи схемотехнических САПР, распространив их на расчёт радиационно-стойких БИС.Основные научные результаты:для систем приборно-технологического моделирования:1) Предложена модель, учитывающая воздействия нейтронов на основной электрофизический параметр структуры БТ – время жизни неосновных носителей заряда,для которого введены зависимости от величины флюенса и уровня инжекции и легирования активной области прибора, что впервые позволило с достаточной точностью расчетным путем оценить воздействие нейтронов на электрические характеристики Si БТ иSiGe ГБТ.2) Предложена модель для учета воздействия гамма-излучения на характеристики Si БТ и SiGe ГБТ, которая помимо ранее известной зависимости скорости генерацииэлектронно-дырочных пар в SiO2 от поглощённой дозы, дополнительно учитывает изменение скорости поверхностной рекомбинации и накопление ловушек на границе раздела Si/SiO2 от поглощённой дозы, что существенно повышает точность моделирования.3) Предложена модель, учитывающая совместное влияние структурных и ионизационных эффектов, обусловленных действием протонов, на электрофизические иэлектрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ.
Модель включает в себя частные модели для нейтронного (п. 1) и гамма-излучений (п. 2) в сочетании с методикой определения для них флюенса и дозы, эквивалентных воздействию протонов с определеннойэнергией. Модель предложена впервые и позволяет с достаточной точностью оценитьвлияние протонов на электрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ.Погрешность моделирования ВАХ и частотных характеристик для всех трех моделей, учитывающих действие нейтронов, гамма-квантов и протонов в диапазонах воздействий, представляющих практический интерес, составляет 15-20%.132для систем схемотехнического проектирования на базе платформы SPICE:4) Предложена и развита унифицированная SPICE-RAD-макромодель Si БТ иSiGe ГБТ, которая имеет одну и ту же эквивалентную схему и систему выражений длявсех видов воздействия (электронного, протонного, нейтронного и гамма-излучений).По сравнению с существующим набором разнородных версий SPICE-RAD-моделей значительно сокращается количество параметров, описывающих радиационные эффекты,упрощается методика их определения.5) По сравнению с ранее известными SPICE-моделями в унифицированной модели дополнительно учтены эффект усиления радиационной деградации параметров отвлияния «горячих» носителей и эффекты сдвига выходных коллекторных характеристикв области насыщения и лавинного пробоя, что существенно повышает точность моделирования аналоговых и аналого-цифровых схем.Погрешность моделирования электрических характеристик фрагментов биполярных ИС и БИС, состоящих из Si БТ и/или SiGe ГБТ, подвергнутых воздействию электронного, нейтронного, протонного и гамма-излучения, составляет: 10–15% для статических ВАХ и 15–20% для динамических характеристик в широком диапазоне доз и потоков радиации.Основные практические результаты диссертации:Разработанные радиационные модели электрофизических эффектов встроены впромышленную САПР Sentaurus Synopsys и могут быть использованы для проектирования радиационно-стойких Si БТ и SiGe ГБТ, позволяя прогнозировать их электрическиехарактеристики при воздействии нейтронного, протонного и гамма-излучений.Унифицированная SPICE-RAD-макромодель встроена в промышленные схемотехнические САПР Eldo (Mentor Graphics), Spectre, UltraSim (Cadence), HSpice(Synopsys) и может быть использована 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
