Диссертация (1137280), страница 9
Текст из файла (страница 9)
2.40. Зависимость сечения взаимодействия от энергии протонаТочками показаны экспериментальные данные, а линией обозначаются результаты моделирования.а)б)Рис. 2.41. Зависимость коэффициента усиления от тока коллекторадля разных значений потока протонов: а) высокоэнергичные с энергией 198 МэВ;б) низкоэнергичные с энергией 1,78 МэВ62На рис. 2.42 приведены зависимости граничной частоты от тока коллектора. Нарис.
2.42 (а) приведена зависимость для результатов моделирования до и после воздействия протонов с высокой энергией, а на рис. 2.42 (б) с низкоэнергичными протонами.Поток протонов для обоих случаев 1∙1014 пр./см2.а)б)Рис. 2.42. Зависимости граничной частоты от тока коллектора до и послевоздействия протонов с энергией 198 МэВ (а) 1,78 МэВ (б)Из рис. 2.42 также видно, что изменения частоты ft происходят только при облучении низкоэнергичными протонами.Из анализа результатов расчетов и экспериментов, приведенных на 2.38, 2.39,2.41, 2.42 для одного и того же SiGe ГБТ, наглядно видно, что при воздействии одних итех же потоков протонов, малоэнергичные протоны с энергией менее 2,0 МэВ вызываютгораздо большую деградацию статических и частотных параметров транзистора, чемвысокоэнергичные протоны с энергией 198 МэВ.
Что полностью согласуется с результатами отечественных и зарубежных работ [69].В целом, оценивая результаты, полученные с помощью модели, учитывающейсовместное действие структурных и ионизационных эффектов в структурах Si БТ иSiGe ГБТ при воздействии протонов с низким (не более 2,0 МэВ), средним (63,3 МэВ) ивысоким (198 МэВ) уровнем энергии, можно заключить, что она обеспечивает необходимую для практических применений точность (погрешность не выше 10-20%) для Si иSiGe транзисторов, изготовленных по современным субмикронным технологиям, в диапазоне доз до 5·106 рад и интегральных потоков до 1·1016 см–2.63Разработанная в диссертации модель, учитывающая совместное действие структурных и ионизационных эффектов при воздействии протонного излучения, предложенаи реализована в TCAD впервые и отечественных и зарубежных аналогов не имеет.2.4 Выводы по главе 2Результатами исследований, приведенных в главе 2, являются:1) разработана модель, в физическом виде учитывающая генерацию ловушек Nitна границах Si/SiO2 и увеличение скорости поверхностной рекомбинации S в структуреSi БТ и SiGe ГБТ при воздействии гамма-излучения, что существенно повышает точность моделирования;2) разработана модель, в физическом виде учитывающая влияние структурныхдефектов, уровня инжекции неосновных носителей заряда и уровня легирования активных областей на основной электрический параметр биполярной структуры – время жизни (τn, τp) при воздействии интегрального потока нейтронов, что впервые позволило сдостаточной точностью расчетным путем оценить воздействие нейтронов на электрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ;3) разработана модель, учитывающая совместное влияние структурных и ионизационных эффектов, обусловленных действием протонов, на электрофизические и электрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ.
Модель включает в себя частные моделидля нейтронного (п. 1) и гамма-излучений (п. 2) в сочетании с методикой определениядля них флюенса и дозы, эквивалентных воздействию протонов с определенной энергией. Предложенная модель впервые позволяет с достаточной точностью оценить воздействие протонов на электрические характеристики Si БТ и SiGe ГБТ;4) разработанные радиационные модели электрофизических эффектов встроены впромышленный вариант TCAD Sentaurus Synopsys и могут быть использованы для проектирования радиационно-стойких Si БТ и SiGe ГБТ, позволяя прогнозировать их электрические характеристики при воздействии нейтронного, протонного и гаммаизлучений;5) разработанные автором модели были использованы для исследования деградации характеристик и параметров современных Si БТ и SiGe ГБТпри воздействиинейтронного, протонного и гамма-излучения.
По опыту использования моделей учетарадиационных эффектов, погрешность описания статических ВАХ субмикронных Si БТи SiGe ГБТ не превышает 10–15% в широком диапазоне доз до 5∙106 рад и интегрально-64го потока до 1∙1016 см–2, динамических характеристик фрагментов – 15-20% в том жедиапазоне доз и потоков;6) увеличение времени моделирования с использованием разработанных моделейпо сравнению со стандартными моделями TCAD составляет не более 20%, что практическиневноситдополнительныхтехнологических расчетов.ограниченийна выполнениеприборно-65Глава 3 Унифицированная SPICE-макромодель Si/SiGe биполярноготранзистора, учитывающая влияние радиационных эффектов3.1 Общий подход к разработке радиационных SPICE-моделей Si/SiGe БТОдним из важных сегментов рынка радиационно-стойких ИС и БИС являютсяцифровые и аналоговые ИС и БИС, которые содержат на полупроводниковом кристаллесубмикронные Si БТ и SiGe ГБТ.Как следствие, схемотехник ИС и БИС должен иметь в своём распоряжении библиотеку SPICE-моделей БТ, которая включает в себя модели субмикронных Si БТ и SiGe ГБТ, учитывающие радиационные эффекты.Метод учёта дополнительных эффектов.
SPICE-модели БТ, учитывающие радиационные эффекты, большинством авторов создавались и дорабатывались с использованием комбинации двух методов: макромоделирования (включения в эквивалентнуюсхему дополнительных элементов), а также введения в модель аппроксимирующих выражений для параметров базовой SPICE-модели, зависящих от внешних воздействующих факторов.
Эффективность описанного подхода для учёта радиационных эффектовпри воздействии различных видов радиации подтверждена примерами его использования при проектировании радиационно-стойких схем [71]-[79] и др.Методика создания SPICE-RAD-макромодели заключается в следующем:1) за основу макромодели берется любая стандартная схемотехническая модель(называемая далее базовой моделью макромодели), которая входит в составе библиотекSPICE-моделей систем схемотехнического проектирования, которая описывает все необходимые эффекты в структуре транзистора до облучения;2) ряд параметров базовой модели задаются в виде выражений, зависящих от величины радиационного воздействия (поглощенная доза для электронного, протонного игамма-излучений и интегральный поток для нейтронного излучения);3) в эквивалентную схему биполярного транзистора подключается дополнительная подсхема, состоящая из стандартных схемотехнических элементов (источников тока, напряжения, диодов и т.п.), для учета радиационных эффектов, которые не могутбыть учтены с использованием выражений для параметров базовой модели.66Макромодельный подход позволяет достаточно просто включать в SPICE-модельряд дополнительных эффектов, которые ранее не учитывались, а именно, эффект усиления радиационной деградации параметров от влияния «горячих» носителей и эффектсдвига выходных коллекторных характеристик в области насыщения и лавинного пробоя [78].Базовые схемотехнические модели.
В основе макромодели биполярных транзисторов может использоваться любая стандартная схемотехническая SPICE-модель (GP,VBIC, MEXTRAM и т.д.). Выбор базовой схемотехнической модели для моделированияосуществляется путем определения эффектов, которые необходимо учитывать при схемотехническом моделировании фрагментов или БИС в целом до облучения. Во всехSPICE-моделях биполярных транзисторов может быть реализован учет основных дозовых эффектов при статическом воздействии проникающей радиации от различных видов радиации.
Исключение составляют только некоторые версии модели Гуммеля-Пуна,для которых нет возможности учитывать эффект сдвига коллекторных характеристик вобласти пробоя, так как в них изначально отсутствует данный эффект.В известных работах для каждого вида радиации разрабатываются своя схемотехническая SPICE-RAD-модель транзистора, со своей эквивалентной схемой, системойпараметров и методикой их определения из результатов эксперимента. Для построенияSPICE-модели широко используется макромодельный подход [27], [31], [28], [33]-[37],[39]-[41].Предлагаемая автором унифицированная SPICE-RAD-макромодель основана намодели, разработанной в МИЭМ [28], и доработана для современных Si БТ и SiGe ГБТ.Предлагаемая SPICE-макромодель расширяет возможности использования ранее разработанной модели [28] с учетом всех видов радиационного излучения и позволяет ее использовать для разных базовых моделей (VBIC, MEXTRAM, HiCUM и т.п.), такжепредложена единая методика экстракции радиационно-зависимых параметров для всехтипов излучения.Аналогичный подход описан в работе [34], где для учета радиационных эффектовдобавляются дополнительные источники тока и напряжения, позволяя моделироватьбиполярные транзисторы с учетом влияния некоторых радиационных эффектов.
Однако, предложенные выражения с большой погрешностью описывают изменения токаколлектора в режиме насыщения на выходных характеристиках, а именно наблюдаются67отрицательные значения токов при малых напряжениях коллектор-эмиттер при учетепоглощённой дозы гамма-излучения. Кроме того, не учитывается эффект сдвига коллекторных характеристик в области лавинного пробоя. Учитывается только влияние гаммаизлучения на характеристики БТ и не рассматриваются другие виды излучения.В структурах биполярных транзисторов, подвергнутых нейтронному, протонному, электронному и гамма-излучению, в результате ионизационных и структурных эффектов возникает дополнительный радиационно-индуцированный поверхностный иобъемный ток, что приводит к увеличению тока базы, уменьшению коэффициента усиления по току, изменению напряжения при котором начинается лавинный пробой, чтоособенно важно для SiGe ГБТ с малыми пробивными напряжениями около единицвольт.
Кроме того, происходит изменение дифференциального сопротивления коллектора, что влияет на ток коллектора в режиме насыщения.Поэтому для унификации SPICE-макромодели автором было предложено добавить дополнительные схемные элементы, параметры которых должны зависеть от дозыили потока. А сами дополнительные схемные элементы должны учитывать следующиерадиационные эффекты: 1) поверхностный и объемный радиационно-индуцированныйток; 2) эффекты сдвига коллекторных характеристик в области насыщения и лавинногопробоя; 3) изменения тока коллектора в активном режиме из-за влияния «горячих» носителей при воздействии различных видов радиационного излучения. Для устраненияошибок и выбросов моделирования источники тока и напряжения описываются типовыми выражениями для всех учтенных эффектов, кроме учета изменения напряженияпробоя. Для этой цели в базовую SPICE-модель вводятся зависимости для параметровлавинного пробоя биполярного транзистора от поглощенной дозы или потока.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
