Разработка и исследование схемотехнических SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КМОП БИС со структурой КНИ / КНС

• Автор: Самбурский, Лев Михайлович
• Шифр специальности: 05.13.12
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 134 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

Глава 1 Анализ современного состояния в области разработки

схемотехнических SPICE-моделей элементов КНИ / КНС КМОП БИС

1.1 Анализ современного состояния исследований в области компактного

моделирования радиационных эффектов в структуре КНИ / КНС МОПТ

1.2 Обзор современного состояния в области компактного моделирования

фоточувствительных элементов КНИ / КНС КМОП БИС

1.3 Выводы по главе

Глава 2 Схемотехнические SPICE-модели МОП-транзисторов

со структурой КНИ/КНС с учётом радиационных эффектов
2.1 Общая характеристика разработанных макромоделей
2.2 Макромодель SOI /SOS-МІЕМ для длинноканальных МОП-транзисторов
со структурой КНИ / КНС
2.3 Макромодели BSIMSOI-RAD и EKV-RAD для субмикронных МОП-транзисторов
со структурой КНИ / КНС
2.4 Процедуры экстракции параметров разработанных макромоделей
2.5 Сравнение разработанных моделей
2.6 Выводы по главе
Глава 3 Модели элементов фоточувствительных КНИ/КНС КМОП

3.1 КМОП ФД БИС со структурой КНС
3.2 Схемотехническая модель фотодиода с управляющим затвором (ФДУЗ)
3.3 Схемотехническая модель фототранзистора
3.4 Выводы по главе
Глава 4 Использование разработанных макромоделей в практике
проектирования
4.1 Введение
4.2 Использование разработанных моделей для расчёта узлов радиационно-стойких

4.3 Использование разработанных моделей для расчёта узлов фотоприёмных БИС..
Заключение
Список использованной литературы

Введение
Актуальность темы. Важнейшим видом электронной компонентной базы для аэрокосмической и военной техники, устройств управления ядерной энергетикой, систем космической связи и телекоммуникаций и других специальных применений являются КМОП БИС и системы на кристалле со структурой «кремний на изоляторе» (КНИ) и «кремний на сапфире» (КНС), которые помимо высокой степени интеграции на п/п кристалле, высокого быстродействия, малого потребления мощности, обладают повышенной радиационной стойкостью.
Самостоятельным направлением КМОП-технологии являются фоточувствитель-ные КМОП СБИС, изготовленные в ультратонком слое кремния на сапфировой подложке по технологии UTSi (фирмы Peregrine), которые используются в космических системах мониторинга и зондирования Земли, устройствах аналоговой и цифровой оптической обработки информации, специальных фотоприёмных устройствах и др.
По оценкам специалистов NASA, радиационно-стойкие КМОП БИС и фоточувствительные КМОП-ФД СБИС, изготовленные на КНИ/КНС подложках, являются перспективной электронной элементной базой современных и будущих космических систем.
Очевидно, что успешное решение задач проектирования и разработки КМОП СБИС со структурой КНИ/КНС, а также построения систем на их основе невозможно без широкого применения САПР как на элементном, так и на схсмо- и системотехнических уровнях. Причём для радиационно-стойких и фоточувствительных БИС задачи существенно усложняются, т. к. в рамках традиционных этапов проектирования необходимо дополнительно учитывать воздействие радиационных и фотоэлектрических факторов, соответственно, а в ряде случаев (например, в условиях космического пространства) их совместное влияние.
Эти обстоятельства в последние годы стимулировали у нас в стране и за рубежом разработку проблемно-ориентированных подсистем САПР для радиационно-стойких

схем (Radiation-Hardened CAD - RHCAD)* и оптоэлсктронных схем (ОЭС)**. Эти подсистемы, как правило, встраиваются в существующие промышленные САПР БИС.
Ключевая роль в таких САПР принадлежит моделям КМОП-элементов, поскольку от степени учёта влияющих факторов и их точности в первую очередь зависит достоверность результатов схемотехнического и топологического проектирования.
Таким образом, разработка новых и улучшение существующих SPICE-моделей элементов радиационно-стойких и фоточувствительных КНИ/ КНС KMOII БИС является актуальной задачей.
Состояние исследований по проблеме.
1. Модели КНИ/КНС КМОП-элементов для радиационно-стойких ВИС. Физические модели влияния радиационного облучения на электрические параметры элементов КНИ / КНС КМОП БИС приведены в работах отечественных авторов: Зебрева Г. И., Никифорова А. Ю., Першенкова В. С., Скоробогатова П. К., Тельца В. А., Чумакова А. И., Улимова В. Н. и др., а также зарубежных авторов: Т. P. Ма, P. V. Dressendorfer, Т. R. Oldham, J. R. Schwank, V. Ferlet-Cavrois, М. R. Shaneyfelt, P. E. Dodd и др.
Существенный вклад в разработку схемотехнических моделей с учётом радиационного воздействия и их использование для расчёта радиационно-стойких КМОП БИС внесли Волков И. С., Зебрев Г. И., Кокин С. А., Петросянц К. О., Стенин В. Я., Харитонов И. А., Ятманов А. П. и др.
Для формирования компактных моделей, учитывающих факторы радиационного влияния в промышленных схемотехнических САПР, отечественные и зарубежные специалисты используют два основных подхода.
Первый - создание набора программных функций на языке С, Verilog-AMS и др., описывающих радиационное воздействие и подключаемых к стандартным моделям. Встраиваемый модуль рассчитан на конкретную версию симулятора, что требует взаимодействия с фирмой-производителем САПР и высокой квалификации программиста.
Второй путь — формирование макромодели на основе схемотехнической модели, уже включённой в библиотеку моделей данной САПР. В этом случае модель работает быстрее, чем при подключении достаточно сложных выражений, вычисляемых с иомо-
Hierarchical CAD Tools for Radiation Hardened Mixed Signal Electronic Circuits, DTIC Report No. ADA429971,2005;
Оптоэлектронные приборы, системы и сети. - М. : Наука, 2007;

Используемые в модели напряжения вводятся относительно потенциала подложки, что обеспечивает симметричность выходных параметров по отношению к стоку / истоку, а также их непрерывность при УСц = 0.
Модель ЕКУ является масштабируемой для размеров IV, Ь, 1ох. В ней на основе управления зарядом согласованно моделируются статические характеристики в режиме большого сигнала и динамические в режиме малого сигнала, включая квазистатические, неквазистатические и шумовые.
Модель учитывает все основные эффекты, свойственные транзисторам с субми-кронными размерами.
2.3.3 Структура макромоделей с учётом эффектов радиационного
воздействия
Для построения обеих моделей был использован макромодельный подход.
Эквивалентная электрическая схема для обеих макромоделей приведена на рисунке 2.3. Её основная часть - верхний МОП-транзистор Млс[,х ~ описывается стандартной моделью В81М5()13 у3.2 или ЕЮ/ '2.64, соответственно, с радиационнозависимыми параметрами (см. рисунок 23,а и б). Для проектирования радиационностойких схем базовая модель дополняется простыми схемотехническими элементами и математическими выражениями, позволяющими учесть статические и динамические токи утечки, возникающие в различных частях рабочей области транзистора при различных видах радиационного воздействия (стационарном, импульсном, ОЯЧ) [106], [107], а также эффекты плавающей подложки для модели ЕКУ-ЮШ (отсутствующие в базовой модели ЕКУ) [108]:
• транзисторы Мвок и М„ижн воспроизводят токи утечки по нижней и боковым граням рабочей области при воздействии стационарного облучения;
• источники тока /фии(0, /фси(0 воспроизводят фототоки при воздействии импульсного облучения;
• источник тока /ион(0 воспроизводит ток утечки при рассасывании заряда из трека отдельной ядерной частицы (ОЯЧ);
• цепочка Т11—В1—Е1 позволяет учесть кинк-эффект.