Автореферат (1137283), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Набор параметров макромодели складываетсяиз параметров базовой модели, моделей паразитных элементов и радиационных коэффициентов зависимости параметров от величины радиационного воздействия.В модели BSIMSOI 180 параметров, в модели EKV их 35 с учётом добавленного диссертантом блока учёта кинк-эффекта (см. таблицу 5). В макромодели BSIMSOI-RADсуммарно 18 радиационно-зависимых параметров, в макромодели EKV-RAD – 12; длякаждого из них требуется 2 коэффициента аналитической функции зависимостиот дозы.

Таким образом, в макромодели BSIMSOI-RAD 36 радиационных коэффициентов, которые определяются путём экстракции из экспериментальных данных,а в макромодели EKV-RAD их 24.17Процедуры экстракции параметров с учётом стационарного радиационного воздействия с использованием данных измерений тестовых структур в обеих макромоделях одинаковы по составу. В таблице 6 показаны результаты сравнения длительностиразличных этапов этих процедур на примере 16 тестовых транзисторов различныхразмеров и 6 промежуточных доз облучения при использовании полуавтоматизированного метода с IC-CAP.

Итоговые показатели длительности процедуры даны внижней секции таблицы: для BSIMSOI-RAD с использованием полуавтоматизированого метода требуется около 166 минут, для макромодели EKV-RAD около 123 минут. Увеличение времени для случая, когда используется ручной обмен данными и неиспользуется полуавтоматическая процедура, вызвано необходимостью вручную формировать проекты в IC-CAP, переформатировать данные измерений, передавать результаты экстракции между этапами и задавать исходные данные для аппроксимации.Для полностью ручного метода экстракции по методикам, предложенным разработчиками моделей, требуется, по нашим оценкам, десятки-сотни часов [29].Таблица 5.

Сравнение количества параметров двух макромоделейГруппа параметровКоличество параметров базовой модели (без рад. эфф.)Дополнительные параметры: для биннинга для учёта эффекта плавающей подложки для паразитных элементов макромоделиРадиационно-зависимые параметры: базовой модели моделей паразитных элементов коэф. зависимостей параметров от дозыBSIMSOIRAD180EKVRAD27264—32—832108364824Таблица 6. Сравнение длительности процедур экстракции параметров (в мин.)Этап процедуры (полуавтоматизированный метод)1.

Параметризация моделей необлучённых МОПТ: моделей двух паразитных транзисторов базовой модели2. Экстракция радиационно-зависимых параметров: моделей двух паразитных транзисторов базовой модели3. Аппроксимация зависимостей параметров от дозы:ИТОГО: полуавтоматизированный метод с ручным обменом даннымиBSIMSOI-RADEKV-RAD1640(6 доз)10 * 6 = 608 * 6 = 4821664481615(6 доз)10 * 6 = 605 * 6 = 302123393Глава 3 посвящена разработке моделей элементов фоточувствительных КМОПБИС, пригодных для использования в SPICE.Особенностями КНС КМОП фоточувствительных элементов по сравнениюс элементами КМОП на объёмном кремнии являются: а) высокая прозрачность сапфировой подложки, что позволяет изготавливать фоточувствительные элементыс освещением снизу; б) использование горизонтальных структур из-за малой толщины рабочего слоя (<200 нм): p-n-фотодиода, p-i-n-фотодиода, p-n-фотодиода типаp+/p–/n+ с плавающим затвором, биполярного фототранзистора (см.

рисунок 11)18и пикселов на их основе; фотодиода с управляющим затвором (ФДУЗ)и фотовольтаического источника питания на его основе.P–n- и p–i–n-фотодиоды являются наиболее распространёнными фотоприёмниками в силу простоты своей конструкции. Вследствие бо́льшего вклада диффузионного тока p–n-фотодиоды обычно обладают меньшим быстродействием, чем p–i–nфотодиоды, в которых генерируемые светом носители заряда быстро рассасываютсяза счёт дрейфа.

К недостаткам p–i–n-фотодиодов по сравнению с p–n- относят невысокое значение фотоЭДС в вентильном режиме (Uхх = 0,35…0,45 В).По сравнению с фотодиодами фототранзисторы имеют более высокую чувствительность за счёт внутреннего усиления фототока базы. Однако одновременно ониимеют бóльшую ёмкость перехода база – коллектор и меньшее быстродействие.(б)(а)(в)(г)(д)Рисунок 11. Топология (вид сверху) КНИ/КНС структур ФЭ: p-n-фотодиода (а), p-i-nфотодиода (б), p-n-фотодиода с плавающим затвором (в), биполярного фототранзистора с плавающим затвором (г), фотодиода с упр. затвором (д)Преимущество фотодиодов с управляющим МДП-затвором (ФДУЗ) связанос тем, что в них у поверхности полупроводника под затвором создаётся сильное электрическое поле, направленное так, что оно помогает собиранию носителей, генерированных коротковолновым светом; кроме того, в активной области таких элементовнет внутренних дефектов, возникающих при диффузии или ионной имплантациипримесей в структурах с p–n-переходами.

При напряжении на затворе, превышающемпороговое напряжение МОП-структуры на достаточную величину, происходит полное обеднение слоя кремния под затвором на всю глубину, что существенно повышает эффективность фотоэлектрического преобразования.Схемотехническая модель ФДУЗ, разработанная автором, приведена на рисунке 12.Выражение для фототока IФ основного генератора (GPH) имеет вид:I Ф VАК , ,VЗ   I  0  f1 VАК   f 2     f 3 VЗ  ,(4)I  0  AS      S0/    – фототок к. з. при единичном освещении, А; – плотность мощности светового потока, Вт/см2;AS – площадь фоточувствительной поверхности, см2;    – внутренний квантовый выход фотоэффекта; – длина волны света, нм;S0    – фоточувствительность, А/Вт (в случае монохроматического источникаизлучения) или интегральная фоточувствительность S0/ (в случае излучения с широ-где19ким спектром) – в обоих случаях определяется на основе характеристики спектральной фоточувствительности фотодиода:2S0/  S/   S d 1 2  2 (5)f1, f2, f3 – множители для учёта зависимости фототока от напряжений диода изатвора, светового потока.Для учёта влияния напряжения фотодиода на величину фототока, которое возникает из-за изменения толщины обеднённой области, в выражение (4) введён множитель f1(VAC), задаваемый следующим выражением:f1 VAC   c0  c1 c2  VAC ,(6)с0, с1, с2 – подгоночные коэффициенты.Зависимость фототока от световогопотока может быть представлена в виделинейной функции с подгоночным коэффициентом k3:гдеf 2     k3 .(7)Темновой ток p–n-перехода (элементы Df и пара Dr–Vr) при прямоми обратном включении в зависимости отнапряжения VD0 (см.

рисунок 12) определяется выражением(а)(б)Рисунок 12. Эквивалентная схемамодели фотодиода с управляющимМДП-затвором (а); вариантыобозначения ФДУЗ на схемах (б)I D 0 VD 0   I Df VD 0   I Dr VD 0  , (8)где слагаемые IDf(VD0) и IDr(VD0) задаютсяобычными диодными выражениями:I Df VD 0   I Df 0  exp VD 0 m    1 ,fTI Dr VD 0   I Dr 0  exp VD 0  Vr   mrT    1 ,(9)где:IDf0, IDr0, mf, mr – подгоночные коэффициенты;T  kT q – температурный потенциал.Для учёта влияния напряжения затвора на работу прибора, в отсутствие чёткосформулированной физико-математической теории его работы, в выражения для токов IDf\IDr и IФ и сопротивления Rpn введены аппроксимирующие зависимости их параметров от VЗ.

Вектор темновых параметров IDf0, IDr0, mf, mr, Rpn как функция VЗ описывается квадратическим выражением: a1  a2  VЗ  a3  VЗ2 .(10)Аппроксимирующая функция f3(VЗ) имеет вид:f 3 VЗ   b1  VЗ b2  exp  b3  b4  VЗ  .(11)Остальные элементы на рисунке 12 имеют следующий смысл: Rleak – сопротивление утечки, Rcont – сопротивление контактов, Cpn и Cgate – ёмкости p-n-перехода иМОП-затвора.Модели для других типов фотодиодов, не содержащих МДП-затвор, могут бытьлегко получены из рассмотренной модели путём соответствующих упрощений.20Процедура определения параметров модели рассмотрена на конкретном примереФДУЗ, изготовленного по КНС-технологии и имеющего следующие параметры: толщина подзатворного диэлектрика 45 нм, толщина слоя кремния 0,6 мкм, ширина базы20 мкм, длина затвора 800 мкм, концентрация примеси в базе 1015 см-3.Для нахождения параметров a1 , a2 , a3 использовалось экспериментальное семейство темновых ВАХ IД(VД) при VЗ = const с напряжениями затвора 0; 5; 15 В (рисунок 13а).

Для каждой ветви ВАХ (рисунок 13а) значения m, IД0 определялись поточкам в области малых токов IД, где влияние сопротивления Rpn пренебрежимо мало;сопротивление Rpn определялось по точкам в области больших токов. В результатебыли найдены зависимости параметров mf, IDf0, Rpn (10) от напряжения на затворе VЗ(см. таблицу 7).Величину сопротивления утечки Rleak нетрудно найти по наклону обратной ветвиВАХ для темнового тока.

В данном случае Rleak = 2,8 МОм.Для нахождения коэффициентов b1 – b4,входящих в выражение для k (11), испольТаблица 7 Коэффициенты зависимости (10) параметров ФДУЗ от VЗзовалась экспериментальная кривая токакороткого замыкания (т. е. фототока IФ)Коэф.mf,IDf0,Rpn,от напряжения на затворе Iк.з.(VЗ) приед.нАмОмФ= const при освещённости E = 75 клкa12,410,7110(   40 мВт/см2) (рисунок 13,б).

В резульa20,032,74–0,7тате аппроксимации были получены слеa3–0,002–0,070,02дующиезначениякоэффициентов:b1 = 29·10–6; b2 = 0,52; b3 = 0,104; b4 = –0,046.Для оценки точности полученной модели сравнивались измеренные и смоделированные энергетические характеристики (зависимости напряжения холостого ходаи тока короткого замыкания от освещённости) (см. рисунок 13,в).

Точность совпадения расчётных и экспериментальных характеристик составила 5…8 %.(а)(в)(б)Рисунок 13 Характеристики ФДУЗ: а) темновые ВАХ при VЗ=0; 5; 15 В;б) ток короткого замыкания при E=75 000 лк (   40 мВт/см2); в) энергетическиехарактеристики при VЗ=8 В (□ – эксперимент, линии – расчёт по модели)В главе 4 приведены результаты использования разработанных в диссертациимоделей КНИ/КНС КМОП-элементов в практике проектирования радиационностойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ/КНС.21Радиационно-стойкие КНИ/КНС КМОП ИС и БИС.В данном разделе приведены примеры использования разработанных моделейпри выполнении ряда НИР и ОКР с предприятиями Росатома и Роскосмоса в процессепроектирования аналоговых и цифровых КНИ/КНС КМОП БИС с проектными нормами 1–3 мкм для КНС и 0,5–0,35 мкм для КНИ с учётом фактора суммарной поглощённой дозы.

Характеристики

Список файлов диссертации