Диссертация (1137280), страница 7
Текст из файла (страница 7)
2.21.Для определения типа проводимости кремния вводится условие: если параметр p,который определяется как отношение концентрации акцепторной и донорной примеси,≤ 1, то это n-тип проводимости, в противоположном случае p-тип.После определения типа проводимости выбирается выражение для Kτ, по которому далее проводиться расчет по соответствующей формуле в узле сетки. Коэффициентинжекции, определяется как отношение неосновных носителей заряда к основным, ирассчитывается каждый раз при изменении режима работы прибора для каждого узласетки.Время жизни τ0 определяется в зависимости от распределения легирующей примеси и температуры, что особенно важно для моделирования SiGe транзисторов, которые очень чувствительны к температурным эффектам.44Данный алгоритм реализован в программе, написанной на языке С/C++.
Принеобходимости внесения изменений в исходный код программы (к примеру, для уточнения параметров модели рекомбинации) можно использовать параметры для моделирекомбинации Шокли-Рид-Холла в файле параметров, что существенно упрощает работу с радиационной моделью.Рис. 2.21. Алгоритм работы радиационной моделиучета влияния нейтронного излученияС помощью разработанной модели радиационных эффектов при воздействиинейтронного излучения можно исследовать изменение различных электрофизическихпараметров полупроводниковых приборов, например, время жизни, время релаксации,подвижности и т.п.
Это позволяет использовать данную САПР для более широкого круга задач, чем в базовой комплектации.45Для настройки модели был использован транзистор 2T378 с коэффициентом усиления по току β = 70, граничной частотой fT = 1,9 ГГц и максимальной частотойfmax = 5,1 ГГц. После чего проводились исследования разных Si и SiGe структур на радиационную стойкость при воздействии нейтронного излучения.
Далее представленырезультаты исследования Si БТ 2T378 и SiGe ГБТ, изготовленного по 0,13 мкм технологии 8WL БиКМОП с β = 250, fT = 100 ГГц, fmax = 200 ГГц [57].Измерение электрических характеристик и облучение Si БТ 2T378 проводилисьавтором на выборке транзисторов из 5-ти приборов. Характеристики Si БТ 2T378 былиизмерены до облучения, после чего выборка транзисторов подверглась облучениюнейтронами, которое проводилось на импульсном ядерном реакторе БАРС-4 с энергией1,25 МэВ в Научно-исследовательском институте приборов (ФГУП «НИИП»). Импульсный ядерный реактор имеет металлическую активную зону, которая используется какинтенсивный источник гамма- и нейтронного излучения для исследований радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры. Средняя мощность реактора 1 кВт, пиковая мощность в импульсе 1,4·108 кВт.
Облучение биполярных транзисторов проводилось для дискретного набора потоков нейтронов Фn в диапазоне от 1·1012 до 4·1013 см–2.Погрешность измерения потока нейтронов составляет не более 15%. Для исключениясопутствующего гамма-излучения реактора, необходимо проводить дополнительные исследования на реакцию транзисторов на воздействие гамма-излучения.В связи с тем, что после облучения остается наведенная активность на образцах ив помещении, где установлен реактор, после очередного цикла облучения нет возможности провести измерения непосредственно на месте. Поэтому измерения проводилисьпосле снижения наведённой активности.Для исследования влияния нейтронного излучения на электрофизические параметры транзистора Si БТ 2T378 в TCAD была воссоздана его структура.На рис.
2.22 – 2.24 представлены сравнение скорости рекомбинации и подвижности электронов в структуре транзистора 2Т378 без учета и с учетом воздействиянейтронного излучения с уровнем интегрального потока 4·1013 см–2. Видно, что скоростьрекомбинации существенно возрастает в структуре Si БТ при облучении. При этом подвижность электронов при облучении в базовой области возрастает, но уменьшается вколлекторной области Si БТ (см.
рис. 2.24).46а)б)Рис. 2.22. 2D распределение скорости рекомбинации в структуре транзистора 2Т378без учета (а) и с учетом (б) воздействия нейтронного излучения с интегральнымпотоком 4·1013 см–2б)а)Рис. 2.23. 1D распределение темпа рекомбинации в структуре транзистора 2Т378по сечению X-X (a) и Y-Y (б)Рис. 2.24. 1D распределение подвижности в структуре транзистора 2Т378 посечению X-X47Таким образом, для уменьшения рекомбинационных потерь в базе транзистора,которые существенно возрастают при облучении нейтронами, необходимо увеличиватьконцентрацию легирующей примеси в базе и уменьшать толщину активной базы, таккак это приведет к уменьшению темпа рекомбинации.Пример использования модели учета влияния нейтронного излучения на структуру SiGe ГБТ (см. рис.
2.25), изготовленного по 0,13 мкм технологии 8WL БиКМОП сβ = 250, fT = 100 ГГц, fmax = 200 ГГц [57], приведен на рис. 2.25 и 2.26. С помощью двухтипов выражений для коэффициента Kτ: 1) Грегори; 2) улучшенной модели (см.рис. 2.26) Для сравнения экспериментальных и смоделированных результатов был определен фактор повреждения:dn (Фn ) / (0)(2.17)где: β(Фn) и β(0) – коэффициенты усиления после и до облучения, соответственно.Рис. 2.25. Структура SiGe ГБТ IBMРис. 2.26.
Сравнение фактора поврежденияот интегрального потока нейтронов для двух типов моделей48Из рис. 2.26 видно, что выражения Грегори (2.13)-(2.14) дают существенные расхождения (более 40%) между экспериментальными и смоделированными результатами,тогда как улучшенная модель (2.15)-(2.16) дает не более 10%.Для SiGe ГБТ также моделировались частотные характеристики. Во многих работах указывается, что деградация граничной и максимальной частоты SiGe ГБТ незначительно [58].Результаты моделирования граничной и максимальной частоты усиленияSiGe HBT 8WL после воздействия нейтронного излучения с уровнем интегрального потока более 1015 см-2, приведенные на рис. 2.27, подтверждают данное утверждение.Исследования радиационной стойкости SiGe HBT 8WL с использованием разработанной модели показали, (см.
рис. 2.26), что данный транзистор является радиационно-стойким к нейтронному излучению. При уровне интегрального потока 1015 см-2 деградация максимума коэффициента усиления потока составляет менее 40%. А приуровне интегрального потока не более 5·1015 см-2 пик коэффициента усиление по токунаходится в диапазоне от 80 до 100.а)49б)Рис. 2.27. Граничная (а) и максимальная (б) частота усиления SiGe HBT 8WLдо и после воздействия нейтронного излучения с уровнямиинтегрального потока не более 5·1015 см-2Таким образом, подводя итог результатам, полученным в данном разделе диссертации, посвященном разработке TCAD модели для учета нейтронного облучения на характеристики Si БТ и SiGe ГБТ структур, можно сделать следующие выводы:1. разработана модель, в физическом виде учитывающая влияние структурныхдефектов, уровня инжекции неосновных носителей заряда и уровня легирования активных областей на основной электрический параметр БТ – время жизни (τn, τp) при воздействии интегрального потока нейтронов;2.
погрешность моделирования статических ВАХ и частотных характеристикSi БТ и SiGe ГБТ не превышает 10-20% в практически важном диапазоне флюенсовнейтронов;3. модель встроена в современную систему приборно-технологического моделирования Sentaurus Synopsys, что позволяет использовать ее для расчета и проектирования Si БТ и SiGe ГБТ, подвергнутых воздействию нейтронов;4. модель использовалась в составе TCAD для исследования радиационной стойкости Si БТ и SiGe ГБТ, изготовленных по современным технологиям.Приведенные выше результаты получены впервые и отечественных и зарубежныханалогов не имеют.502.3 TCAD модель, учитывающая влияние структурных и ионизационныхэффектов в структурах Si БТ и SiGe ГБТ при воздействии протоновПри воздействии протонного излучения на полупроводниковые материалы с широким диапазоном энергий от единиц МэВ до 103 МэВ взаимодействие протонов с атомами вещества происходит посредством: электромагнитного взаимодействия с электронами среды; электромагнитного взаимодействия с ядрами среды; упругого рассеяния наядрах среды; неупругого взаимодействия с ядрами среды.
В результате совместногодействия перечисленных четырех механизмов влияние протонного излучения можетбыть разложено на две составляющие: ионизационную и структурную.Поэтому в структуре Si БТ и SiGe ГБТ при воздействии протонного излученияпроисходит изменение основных электрофизических параметров в результате влиянияионизационных и структурных эффектов [59]. Таким образом, прогнозирование деградации электрофизических параметров и электрических характеристик Si БТ и SiGe ГБТпри воздействии протонного излучения может быть выполнено путем совместного использования частных моделей, учитывающих структурные и ионизационные эффекты [60].На практике при проведении физических экспериментов воздействие протонногоизлучения заменяется совокупным воздействием нейтронного и гамма-излучения. Приэтом нейтронное излучение используется для образования эффектов смещения [61], агамма-излучение используется для создания ионизационных эффектов [62], [63].При разработке математической модели, учитывающей влияние протонного излучения, был использован аналогичный подход.
Для учета деградации характеристикSi БТ и SiGe ГБТ, вызванных дефектами смещения, использовалась ранее разработаннаямодель для учета влияния нейтронного излучения [64]. Для учета деградации характеристик Si БТ и SiGe ГБТ, вызванных ионизационными эффектами использовалась модельдля гамма-излучения [65]. Эти модели используются в совокупности с методикой определения доз гамма-излучения и потоков нейтронов, эквивалентных воздействию протонного излучения.Для проведения приборно-технологического моделирования Si БТ и SiGe ГБТ сучетом влияния протонного излучения необходимо: 1) подключить радиационную модель учета структурных дефектов (частная модель для нейтронного излучения) и определить эквивалентный поток нейтронов Фn, который создает такое же количество де-51фектов смещения, как и протонного излучение Фp; 2) подключить радиационную модельучета ионизационных эффектов (частная модель для гамма-излучения) и определить поглощенную дозу Dγ после гамма-облучения, эквивалентную поглощенной дозе Dp послевоздействия протонного излучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
