Экспериментальное исследование и разработка моделей КМОП транзисторов с учетом влияния ионизирующей радиации космического пространства

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

Факультет МИЭМ

Выпускная квалификационная работа - БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА

по направлению подготовки 11.03.02 Инфокоммуникационные технологии и системы связи

образовательная программа «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

Экспериментальное исследование и разработка моделей КМОП транзисторов с учетом влияния ионизирующей радиации космического пространства

Грибченков Александр Александрович

Abstract

In this paper, obtained graphs of current consumption for KMPO inverters, which are compared with obtained during the experiment.

The inverter built on CMOS transistors was modeled taking into account ionizing radiation at doses of 0, 50, 100, 200, 486 KRad. The graphs were close to the models based on the experimental data.

The CMOS inverter was modeled with ionizing radiation at doses of: 0, 50, 100, 200, 486 KRad was created to obtain the parameters of transistors. Based on the obtained graphs for the consumption currents, the threshold voltage and mobility of PMOS and NMOS transistors were determined.

Using the characteristics obtained for transistors, namely the threshold voltage and mobility, the concentrations of carriers Nit and Not were determined, and the obtained characteristics were analyzed and the models obtained during the operation were compared with obtained during the experiment.

ионизирующий излучение транзистор

Аннотация

В данной работе получены графики токов потребления для КМПО инверторов, которые сравниваются с полученными при проведении эксперимента.

Инвертор, построенный на КМОП транзисторах был промоделирован с учетом ионизирующего излучения при дозах: 0, 50, 100, 200, 486 KRad. Графики были приближены к моделям, построенным на основе данных эксперимента.

КМОП инвертор промоделирован с учетом ионизирующего излучения при дозах: 0, 50, 100, 200, 486 KRad был построен для получения параметров транзисторов. На основе полученных графиков для токов потребления были определены пороговое напряжение и подвижность PMOS и NMOS транзисторов.

С помощью полученных для транзисторов характеристик, а именно порогового напряжения и подвижности были определены концентрации носителей Nit и Not, а также проведен анализ полученных характеристик и сравнение полученных в ходе работы моделей с полученными в ходе эксперимента.

Введение

Во множестве разных микросхем КМОП (CMOS) схемы являются ключевым компонентом многих электронных устройств. В космических системах (и других жестких условиях излучения, например, ускорителях частиц с высокой энергией) воздействие высоких потоков электронов и протонов может значительно сократить срок службы системы из-за общей ионизирующей дозы. Ионизирующее излучение может вызвать значительное накопление заряда в этих оксидах и изоляторах, что приводит к ухудшению параметров устройства и выходу из строя. Для многих КМОП схем, применяемых в промышленности, в том числе, и в условиях воздействия радиации, нет их моделей для проектирования схем.

Целью моей работы являлось получение характеристик КМОП логических схем 564ЛА9 транзисторов при воздействии ионизирующего излучения с низкой мощностью дозы, исследование их характеристик (с помощью программ Mathcad, LTSpice) и получение их SPICE моделей, с помощью которых можно моделировать схемы данной серии.

В первой части работы рассматривается зависимость параметров КМОП транзистора относительно получения разных доз ионизирующего излучения.

Во второй части работы рассматриваются построенные по данным проведенного эксперимента характеристики КМОП транзисторов и схем. Обработанные в Excel данные для МОП транзисторов представлены в виде графиков. Каждый график описывает поведение одного из инверторов при проведении измерений во время эксперимента. Представлено два случая: с максимальной дозой 486 KRad и без нее.

Далее, представлены характеристики КМОП схем с каналами p и n. Эти характеристики также показывают поведение схемы, а также описывают ее поведение во время эксперимента. В данном случае, также представлены характеристики до облучения, во время облучения, а также после получения максимальной дозы.

В последней части работы будут представлены результаты работы в виде параметров моделей КМОП транзисторов, полученных для моделирования схемы с учетом ионизирующего излучения и графики, показывающие поведение и работу инвертора.

Обзор литературы

В основу моей работы легло 2 источника. Оба этих источника близко соприкасаются с моей работой, а также друг с другом. В диссертации «Hierarchical Simulation Method for Total Ionizing Dose Radiation Effects on CMOS Mixed-Signal Circuits» by Esko Mikkola [1] очень важной частью для изучения темы влияния ионизирующего излучения на КМОП транзисторы и схемы является влияние излучения на характеристики транзисторов, которое моделируется в компьютерной среде LTSpice.

Исследуемые мной изменения поведения КМОП транзисторов также являются важной частью и хорошо описаны в статье «SPICE MODELING OF IONIZING RADIATION EFFECTS IN CMOS DEVICES» by Tatjana Peљiж-Brрanin [2]. Также в ней приведены отличные графики для демонстрации изменений поведения транзисторов.

В диссертации «Hierarchical Simulation Method for Total Ionizing Dose Radiation Effects on CMOS Mixed-Signal Circuits» [1] описан метод точного и быстрого моделирования эффекта TID сложных схем со смешанными сигналами, таких как аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Метод использует иерархическую структуру, в которой небольшие подсхемы, такие как компараторы напряжения, эталоны и т. д., моделируются с использованием SPICE. SPICE-моделирование малых контуров для нескольких доз облучения используется в данной работе для настройки поведенческих моделей VMS VHDL для подсхем. Поэтому созданные в диссертации Esko Mikkola поведенческие модели содержат поведение электрической цепи в сочетании с ответной реакцией на излучение. Затем вся комбинированная система моделируется автором с использованием VHDL-AMS. Esko Mikkola использовал новый метод для моделирования, который сократил время моделирования на три порядка, а точность осталась в разумных пределах по сравнению с методом, основанным на SPICE. Результаты его эксперимента, в котором новый метод моделирования эффекта TID использовался в качестве процедуры проверки твердости для интегральных микросхем, предназначенных для эксплуатации в радиационно-жестких условиях, также включены в его диссертацию. Изучение данного исследования и его результатов принесет пользу для написания моей работы.

В статье «SPICE MODELING OF IONIZING RADIATION EFFECTS IN CMOS DEVICES» [2] описано моделирование КМОП устройств с учетом ионизирующего излучения. Электрические характеристики устройств в современных КМОП-технологиях со временем меняются из-за воздействия эффектов ионизирующего излучения. В работе Tatjana Peљiж-Brрanin описано старение устройства обусловлено совокупным вкладом генерации дефектов в оксиде затвора и / или на границе раздела оксид кремния, а также концентрация этих дефектов, которая зависит от времени и значений смещения. Существующие модели включают эти эффекты через постоянное смещение порога напряжения. В данной работе показан и подробно описае метод включения эффектов ионизирующего излучения в модели Spice МОП-транзистора и FinFET, основанный на вспомогательной диодной схеме, использующей для получения значений поверхностного потенциала, который также рассчитывает поправочное время-зависимое напряжение из-за концентрации захваченных зарядов. Данная статья демонстрирует исследование, которое очень тесно сопряжено с моей и является хорошей опорой для написания выпускной работы.

Глава 1. Влияние ионизирующего излучения на МОП-транзисторы

1.1 Генерация электронно-дырочных пар

В результате взаимодействия ионизирующего излучения с твердым телом образуются электронно-дырочные пары (ЭДП), количество которых пропорционально энергии, передаваемой материалу [1]. Падающие частицы в твердом теле теряют энергию в основном за счет кулоновского рассеяния, при котором частица выбрасывает электрон внешней оболочки из «целевого» атома [1]. Частица продолжает создавать ЭДП, когда она проходит через твердое тело.

Фотоны также взаимодействуют с твердыми веществами, образуя ЭДП. Они делают это обычно путем комптоновского рассеяния, сначала сталкиваясь с атомом в твердом теле и производя энергичный электрон и ионизированный атом. Затем энергичные электроны взаимодействуют с твердым телом, как описано выше. Гамма-лучи от источника [1], часто используемого в TID-тестировании, создают эффект ЭДП в этом процессе [1].

Потери энергии на единицу длины (или «эффективность генерации ЭДП») выражаются в терминах линейной передачи энергии (LET). LET является функцией массы и энергии частиц и плотности материала мишени. Единицы LET - MeV-cm²/g.

Общая ионизирующая доза (TID) представляет собой общее количество энергии, выделяемой падающей частицей, которая приводит к образованию ЭПЧ в твердом теле. Единицей СИ для TID является серый (Gy), 1 Gy = 1 J/kg. Более распространенной единицей измерения TID является рад (поглощенная доза излучения, 1 rad = 0.01 Gy). Один рад (материал) равен 100 эрг депонированной энергии ионизации на грамм материала мишени (1 rad = 100 erg/g = 6.24 * 1013 eV/g) [1]. Количество ионизирующей дозы, которое соответствует 1 рад, зависит от материала мишени. Таким образом, следует проводить четкое различие между единицами рад (Si) и рад (SiO2).

Энергия, необходимая для создания электронно-дырочной пары (ЭДП) в кремнии, составляет 17 эВ [1]. Плотность пар электронных дырок (кг) для 1 rad, осажденного в SiO2, определяется по [1]:

(1.1)

Kg иногда называют зависящим от энергии коэффициентом генерации заряда [1].

Сразу после их генерации часть ЭДП рекомбинирует. Временное окно для рекомбинации очень короткое, потому что электроны с высокой подвижностью будут очень быстро транспортироваться к электроду затвора при положительном напряжении затвора. Подвижность электронов в SiO2 варьируется от 20 до 40 cm²V^-1s^-1 в зависимости от температуры [1]. Однако в сильных полях скорость электронов насыщается при 10⁷ cm/s [1]. В оксиде 100 nm, где электроны движутся со своей скоростью насыщения, для удаления всех электронов из оксида и завершения рекомбинации потребуется 1 ps. Даже при отсутствии напряжения на затворе встроенное электрическое поле затвора будет поглощать электроны из оксида максимум за несколько ps[1].

Доля дырок, которые не рекомбинируют, называется выходом дырок, который показан на рис. 1 для разных источников излучения [1]. Выход отверстия зависит от типа и энергии частицы, а также от приложенного электрического поля, как показано на рис. 1.



Рис. 1 Частичный выход дырок в SiO2 для разных типов и энергий падающего излучения [Ol99].

Дыры, которые не рекомбинируют, начинают перемещаться к интерфейсу SiO2-Si либо по механизму, называемому прыжком полярона, либо путем многократного захвата [1]. Когда дыра движется через оксид, это вызывает искажение локального потенциального поля. Поларон описывается как комбинация отверстия и его поля деформации. Прыжок полярона происходит между локализованными мелкими состояниями ловушек, разделенными средним расстоянием около 1 nm. При многократном захвате транспорт опосредуется ловушками, а дырки движутся с помощью нормальной проводимости полосы между событиями захвата. Эти два транспортных механизма показаны на рисунке 2. Процесс переноса был тщательно изучен, и было обнаружено, что он является сильно диспергирующим во времени, происходящим в течение многих десятилетий после импульса излучения [1].



Рисунок 2: Механизм переноса дырок в SiO2: а) множественное улавливание, б) прыжок полярона [1].

Одна возможность состоит в том, что, когда дыра приближается к границе раздела SiO2-Si, она туннелирует к кремнию и добавляет к кремниевой подложке ток. Максимальное расстояние от границы раздела, для которой может происходить туннелирование, составляет приблизительно 5 nm [1].

Кислородные места на границе раздела SiO2-Si могут действовать как ловушки для глубоких дырок, захватывающие дыры, поступающие после транспортного процесса. Сечение захвата отверстия (эффективность захвата отверстия) очень зависит от процесса и электрического поля.

Захваченная дыра в образует дефект место кислорода или Е'-центр. Образование наиболее распространенного типа E'-центра - центра E'1 (простой дефект вакансии кислорода [1]) показано на рисунке 3. Дыра, взаимодействующая с напряженной связью Si - Si в вакансии кислорода, может разорвать связь рекомбинировать с одним из связывающих электронов. Получающаяся в результате положительно заряженная структура (E'1 центр) является асимметричной: положительно заряженный атом кремния релаксирует обратно в плоскость связанных с ним атомов кислорода, тогда как нейтральный атом кремния аномально вытянут из плоскости своих атомов кислорода [1]. Существуют и другие типы Е центров, но утверждается, что «центр Е'1, также известный как « центр Е' », г является единственным типом центра Е'», который связан с радиационным повреждением [1].

Рисунок 3: Формирование E 'центра.

Если E'-центр расположен в пределах 3 nm от интерфейса, он может обмениваться зарядом с соседним кремнием посредством туннелирования электронов на временных масштабах от микросекунд до секунд [1]. Эти типы центров E' называются пограничными ловушками или состояниями переключения. Количество образовавшегося оксида, захваченного в оксиде, можно рассчитать по [1]:

(1.2)

Где D - общая осажденная доза, коэффициент K_g определяется в (1.1), f_y - выход скважины, а f_ot - эффективность захвата отверстия.

1.2 Зависимость параметров транзистора от ионизирующего излучения

Влияние N_ot на пороговое напряжение V_T транзистора NMOS можно определить из (1.2) как:

(1.3)

Где t_ox - толщина оксида, а е_ox - диэлектрическая проницаемость SiO2, а е₀ - диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Влияние N_ot на VT - отрицательный сдвиг в устройствах NMOS и PMOS. Таким образом, для NMOS-транзистора пороговое напряжение уменьшается, что приводит к увеличению отключенного тока и токов возбуждения. Для транзистора PMOS отрицательный сдвиг означает увеличение V_T и, следовательно, снижение токов возбуждения и выключения. Эти эффекты показаны на рисунке 4.

Рисунок 4: Влияние заряда в оксидной ловушке на вольт-амперные характеристики транзисторов NMOS и PМОS.

Соблюдение (1.2) и (1.3) приводит к выводу, что пороговое смещение напряжения пропорционально квадрату толщины оксида. Это приводит к другому выводу, а именно, что при уменьшенных современных оксидах затвора количество ДV_T резко уменьшается. Это было подтверждено многочисленными экспериментами [1]. Оксиды поля изоляции в современных технологиях CMOS все еще относительно толстые (300 - 450 nm) [1]. Таким образом, основной проблемой, связанной с TID с глубокими субмикронными процессами, является инверсия оксида поля и возникающие токи утечки.

Процесс отжига N_ot зависит от времени, температуры и электрического поля. Два механизма отжига были признаны [1]:

1) туннелирование электронов из кремниевой подложки в оксид, где она нейтрализует дыру

2) нейтрализация захваченных дырок тепловым излучением электронов из валентной зоны оксида.

Первый механизм сильно зависит от процесса окисления и условий электрического поля в оксиде и является основным фактором так называемого длительного отжига радиационных повреждений в МОП-устройствах [1]. Второй процесс зависит от температуры и электрического поля и используется для преднамеренного и относительно быстрого отжига радиационных повреждений при повышенных температурах [1].

Третий процесс, помимо туннелирования и генерации N_ot, который может происходить на границе SiO2-Si, - это генерация состояний интерфейса, N_it. Предполагается, что оборванные связи на границе раздела действуют как ловушки для носителей. Процесс генерации состояния интерфейса начинается еще до того, как дыры достигают интерфейса. При транспортировке дырки, генерируемые излучением, взаимодействуют с решеткой оксида и выделяют ионы H + (протоны) [1]. Эти высвобожденные протоны дрейфуют к границе раздела при положительном смещении, где они реагируют и образуют оборванные связи, также известные как Pb-центры. Было показано, что вблизи и выше комнатной температуры большинство центров Pb образованы протонами [1].

Задержки интерфейса увеличивают подпороговые колебания МОП-транзистора. Это связано с эффектом захвата и удаления, который происходит, когда устройство переключается с накопления на инверсию. То, является ли интерфейсная ловушка занятой или вакантной, зависит от природы ловушки (акцептора или донора), ее расположения в запрещенной зоне и поверхностного потенциала кремния. Накопление нитей также вызывает сдвиги V_T и может увеличить токи в выключенном состоянии. На рисунке 5 показано влияние N_it на характеристики IDS - VGS транзисторов NMOS и pМОП.

Рисунок 5: Влияние захваченного заряда интерфейса на вольт -амперные характеристики транзисторов NMOS и PMOS

Изолированные полевые оксиды (Field oxide (FOX)) в современных технологиях обычно в 100-500 раз толще, чем оксид затвора, и в этих оксидах существуют проблемы, связанные с TID. Основная проблема - повышенный ток в нерабочем состоянии, вызванный включением путей утечки в оксидах изоляции. Однако недавно было показано, что даже проблема тока утечки FOX уменьшается с помощью наименьших технологий, то есть технологий CMOS с минимальными размерами элементов менее 130 нм [1]. Проблема все еще существует в больших транзисторах ввода / вывода этих технологий [1].

Двумя типами изолирующих оксидов, обычно используемых в процессах CMOS, являются локальное окисление кремния (LOCOS) и (trench изоляция(STI)), последняя из которых обычно используется в технологиях в узле 0,25 мкм и ниже.

Два возможных пути утечки в STI оксидах показаны на рисунке 6. Путь, помеченный как 1, способствует остаточной утечке в истоке-стоке. Этот путь утечки образован положительным зарядом, захваченным на границе Si-SiO2 вдоль боковых стенок trench. Эффект этой утечки для кривых IDS - VGS минимального размера NMOS транзистора в технологии КMОП 0,25 мкм виден на рисунке 7. Весомая утечка в выключенном состоянии наблюдается при 250 KRad и более высоких значениях TID [1]. Эти эффекты были замечены в устройствах NMOS Устройства PMOS показывают очень слабую реакцию на излучение, как и ожидалось, поскольку их края не включаются при захвате положительного заряда [1].

Рисунок 6: Два пути утечки, которые образуются из-за общей ионизирующей дозы в КМОП-устройствах [1].



Рисунок 7: Данные тестирования TID, полученные для NMOS-транзисторов минимального размера, изготовленных по процессу 0,25 мкм [1]. Единицами для значений TID в поле являются Rad (Si).

inter-device (device-to-device) - это другой тип тока утечки, вызванного захваченным зарядом в STI. Путь утечки, обозначенный 2 на рисунке 2.12, соответствует току утечки от устройства к скважине. Этот путь утечки проходит от области стока или истока транзистора NMOS к соседнему nWELL (n-type Well diffusion (Диффузия скважин n-типа)) и вызван захваченным положительным зарядом в нижней части trench STI. Формирование этого пути утечки показано на рисунке 8а. Рисунок 8б представляет другую форму утечки между устройствами, утечки от устройства к устройству. Этот путь утечки формируется между областью стока или истока устройства nMOП и аналогичной областью в другом соседнем устройстве nMOП. Опять же, TID-индуцированный положительный заряд в нижней части trench STI способствует образованию пути утечки.



Рисунок 8: Пути утечки между устройствами между скважинами и между устройствами показаны на этом рисунке [1].

Результаты эксперимента, в котором полевые транзисторы были созданы путем размещения слоя поликремния поверх оксида STI между двумя диффузионными областями, показаны на рисунке 9. Эта тестовая структура была изготовлена в том же КМОП-процессе, что и транзисторы, использованные для теста, показанного на рисунке 7, и затем облучалась различными количествами TID. Результаты на рисунке 9 показывают большие сдвиги V_T для относительно небольших доз. После эксперимента был сделан вывод, что эти транзисторы FOX имеют суммарную жесткую дозу только до ~ 70 KRad, тогда как фактические nMOП-транзисторы, испытывающие краевую утечку, имеют жесткую мощность до 150-200 Крад [1]. Таким образом, утечка FOX транзистора между устройствами может рассматриваться как ограничивающий случай для радиационной стойкости для этого 0,25 мкм КМОП процесса.



Рисунок 9: Результаты испытаний TID для полевых оксидных транзисторов, изготовленных в 0,25 мкм КМОП процессе [1]. Единицами для значений TID в поле являются Rad (Si).

Однако следует отметить, что для включения пути утечки между устройствами требуется, чтобы смещенный проводник был размещен поверх STI. Эта пластина проводника работает в качестве электрода затвора, обеспечивая положительное смещение в оксиде, необходимое для увеличения частичного выхода дырок и их проталкивания к объемной границе раздела STI-кремний. Таким образом, в значительной степени эту проблему утечки можно избежать с помощью надлежащей практики компоновки [1].

Эти паразитные пути утечки были заключены в том, что они образованы положительным зарядом, захваченным в оксидных ловушках в изоляционных оксидах. Обычно считается, что физика этих оксидных ловушек очень похожа на оксидные ловушки затвора. Временной масштаб процесса переноса дырок через оксид увеличивается из-за уменьшения электрического поля и увеличения толщины оксида [1]. Оба механизма отжига, туннельный отжиг и термический отжиг наблюдались в экспериментах, но процесс термического отжига, похоже, начинает действовать при более низких температурах в полевых оксидах, чем в подзатворных оксидах [1].

Третий тип индуцированной TID утечки в дополнение к описанным выше, подпороговая утечка через область затвора активного устройства тоже возможна [1].

Считается полезным создание интерфейсных ловушек после облучения в полевых оксидах, поскольку они затрудняют включение паразитных путей утечки. Транспорт ионов водорода через полевой оксид, который значительно толще оксида затвора и имеет более низкое электрическое поле, настолько велик, что не наблюдался в лабораторных экспериментах с типичными временными масштабами и испытательными напряжениями. Однако обнаружено, что интерфейсные ловушки существуют через такие короткие промежутки времени, как 10^-3 с после импульса линейного ускорителя электронов (Linear electron Accelerator (LINAC)). Этот процесс формирования интерфейсной ловушки отличается от описанного выше, где транспорт протонов играет важную роль. Этот быстрый процесс, возможно, ответственный за накопление состояния интерфейса в полевых оксидах, связан с переносом и захватом дырок [1].

Глава 2. Исследования характеристик КМОП транзисторов схемы

2.1 Измерение и анализ характеристик транзисторов

В ходе работы были проведены измерения характеристик КМОП транзисторов, которые используются в логической КМОП схеме типа 564ЛА9. Параметры КМОП транзисторов

Таблица 1 Параметры МОП транзисторов

Обозначение	Значение
WKn (ширина канала)	300 мкм
LKn (длина канала)	30 ± 0,5 мкм
WKp (ширина канала)	600 мкм
LKp (длина канала)	40 ± 0,5 мкм
dox.зат (толщина подзатворного оксида)	400 ± 0,50 Е
dm (емкость металлизации)	3,45 * 10-8 Ф/см2
NAK (концентрация Акцепторов в кармане)	5 * 1016 см-3
NDo (концентрация доноров в подложке)	1015 см-3
xjp (глубина р+n-перехода)	1,5 ± 0,5 мкм
xjn (глубина n+p-перехода)	2,0 ± 0,5 мкм
NA (концентрация Акцепторов в р+-области)	5 * 1019 см-3
ND (концентрация доноров в n+ области)	1 * 1021 см-3
Cox	3,73 * 10-6 Ф/см2
мSN0	46,6 см2/В/С
м0n	130,63 см2/В/С
м0p	90 см2/В/С
м1n	73,012 см2/В/С
м1p	28,2 см2/В/С
м1Ln	1441,07 см2/В/С
м1Lp	470,5 см2/В/С
мbn	889,72 см2/В*С
мbp	440,81 см2/В*С



Рисунок 10 Схема для измерения характеристик инвертора

На данной схеме рис. 10 вы можете видеть смоделированную схему для измерений ВАХ инвертора. По данной схеме были измерены ВАХ инвертора. Характеристики транзисторов получались из измеренного тока потребления КМОП инверторов. Для измерений было взято 6 различных КМОП инверторов. В ходе исследования они постепенно получали все большую дозу излучения. Графики ниже покажут, поведение транзисторов до облучения.

2.2 Измерение и анализ характеристик транзисторов после воздействия ионизирующего излучения

На графиках рис. 11 и рис. 12 изображены ВАХ n и p канальных инверторов. Как можно заметить, на картинках представлены характеристики для 6 разных инверторов. Для каждого из них на графике свой цвет. Характеристики инверторов очень похожи, из - за чего линии на графиках сливаются. Это означает, что инверторы очень похожи по характеристикам, что благоприятно повлияет на полученные результаты: мы сможем более точно оценить деградацию поведение, а также изменение характеристик.



Рисунок 11: Зависимость тока стока PMOS транзистора от напряжения затвор - исток при отсутствии излучения

Рисунок 12: Зависимость тока стока NMOS транзистора от напряжения затвор - исток инверторов при отсутствии излучения

На графиках рис. 13 и рис. 14 представлены характеристики для 6 инверторов. Как и на предыдущих картинках, на данных графиках линии также сливаются, так как даже при деградации поведения инверторов, характеристики все равно показывают одинаковые значения. Данное явления может служить подтверждением того, что поведение данных инверторов изменится именно так, как показано на рисунках.



Рисунок 13: Зависимость токов стока p от напряжения затвор - исток инверторов после получения TID

Рисунок 14: Зависимость токов стока n от напряжения затвор - исток инверторов после получения TID

На графиках рис. 15 и 16 показано изменение поведения токов стока от напряжения затвор - исток с повышением дозы. Изначально взят шаг 10 KRad, поскольку наблюдались сильные изменения (деградация) характеристик. Такой шаг используется для доз от 0 KRad 100 KRad, далее изменения в поведении не настолько сильные, поэтому можно повысить шаг, поэтому шаг повышается до 50 KRad. Шаг 50 KRad используется до TID (кроме последней, так последний шаг - 36 KRad).

Рисунок 15: Изменение поведения токов стока p от напряжения затвор - исток с повышением дозы

Рисунок 16 Изменение поведения токов стока n от напряжения затвор - исток с повышением дозы

На данных графиках мы можем видеть, что некоторые параметры изменились. Данными параметрами яаляются подвижность U0 и пороговое напряжение транзисторов Vt0.

Так, подвижность PМOS транзисторов упала примерно в 2,5 раза. Подвижность же уменьшилась примерно в 2,2 раза.

Пороговое напряжение PМOS транзисторов снизилось с 1,55 В до 0,8 В

В то же время, пороговое напряжение NMOS транзисторов увеличилось с 1,05 В до 3,15.

Глава 3. Исследование характеристик логических КМОП схем

3.1 Описание тестовых схем

Характеристики транзисторов получались из измеренного тока потребления КМОП инвертора. Для измерений было взято 6 различных КМОП инверторов. В ходе исследования они постепенно получали все большую дозу излучения. График ниже покажет, поведение транзисторов до облучения. Для этих экспериментов использовался инвертор, как показано на рис. 10. Данная логическая КМОП схема состоит двух транзисторов: NMOS и PMOS, источников питания V1 и V2.

3.2 Измерение и анализ характеристик КМОП схем

Рисунок 17: Ток потребления КМОП инвертора при отсутствии ионизирующего излучения

На графике рис.17 мы можем наблюдать поведение PМOS и NMOS транзисторов при отсутствии ионизирующего излучения. На данном графике представлены зависимости тока потребления Ic от напряжения затвор-исток Uзи. 6 PМOS и NMOS транзисторов представлены 6 разными линиями со своими обозначениями. Однако можно заметить, что видна лишь зеленая линия, а остальные - нет. На самом деле, характеристики настолько близки друг к другу, что говорит нам о качестве взятых экземпляров. Поскольку мы видим, что различия в поведении практически не заметны, то можно утверждать, что для проведения данного исследования были взяты хорошие транзисторы для создания схемы КМОП инвертора, а значит будут получены достаточно точные результаты.

3.3 Измерение и анализ характеристик схем после воздействия ионизирующего излучения

Рисунок 18: Ток потребления КМОП инвертора после получения TID (486 KRad)

Данный график рис. 18 демонстрирует нам поведение 6 PМOS и NMOS транзисторов после получения TID в объеме 486 KRad. На данном графике, как и на графике рис. 17, представлено 6 линий, которые соответствуют 6 инверторам. На данном графике видно, что 6 линий имеют практически идентичные токи потребления, поскольку мы отчетливо видим 1 линию, что говорит нам о том, что остальные находятся непосредственно за ней. Поэтому, можно сказать, что данные инверторы реагируют на ионизирующее излучение именно так, как описывается в теории. Для более подробной демонстрации изменений в поведении по мере получения ионизирующего излучения, график рис. 19 показывает поведение одного МОП транзистора (первого) от 0 KRad до 486 KRad. Сначала, для более ясного понимания поведения инверторов, шаг составляет 10 KRad. Далее, изменение ВАХ не настолько сильное, поэтому для демонстрации поведения можно брать меньшее количество шагов до TID. Поэтому от 0 KRad до 100 KRad шаг составляет 10 KRad, а от 100 KRad до 486 KRad (TID) шаг составляет 50 KRad.

Рисунок 19: Ток потребления 1го КМОП инвертора (при ионизирующем излучении от 0 KRad до 486 KRad)

На графиках мы можем видеть, что некоторые параметры изменились. Данными параметрами яаляются подвижность U0 и пороговое напряжение транзисторов Vt0.

Так, подвижность PМOS транзисторов упала примерно в 2,6 раз. Подвижность же уменьшилась примерно в 2,1 раза.

Пороговое напряжение PМOS транзисторов снизилось с 1,5 В до 0,8 В

В то же время, пороговое напряжение NMOS транзисторов увеличилось с 1 В до 3,2.

Глава 4. Описание среды моделирования LTSpice

В данной работе директивы программы LTspice сведены в таблицу 2:

Таблица 2. Используемые директивы

Название директивы	Функция директивы	Синтаксис
.Tran	Анализ переходного процесса Данная директива моделирует работу схемы после подачи питания и осуществляет наиболее полную её симуляцию. В данной работе используется при построении выходных сигналов усилителей	1).TRAN <шаг вывода данных> <время остановки>+[<время старта>[<максимальный шаг>]] [<опции>] 2).TRAN <время остановки>
.DC	Анализ по постоянному току Служит для проведения расчета по постоянному току, при	.DC [<LIN,OCT,DEC>] + <Источник1> <Начальное значение1> <Конечное значение1> <Шаг/Число точек1>
	изменении параметров источников напряжения или тока (как одного, так и нескольких сразу). В данной работе применяется для получения ВАХ МОП-транзисторов
.MODEL	Описание модели элемента Служит для группирования конкретных параметров схемных элементов в одну модель. В данной работе используется, при задании параметров МОП-транзисторов: PMOS и NMOS	MODEL <имя модели> <тип> [(перечень параметров)] *перечень используемых параметров приведен в таблице 1
.lib	Эта команда используется для подключения сторонней библиотеки. В моем случае это был список параметров транзисторов nMOП и PMOS	LIB <имя файла(путь к файлу)>

Таблица 3. Используемые параметры моделей МОП-транзисторов

Обозначение	Описание	Единицы измерения
Level	Индекс уровня используемой модели Level=1. Модель Шихмана-Ходжеса Level=2. Более точная модель, нежели первая, но параметры этой модели сложнее сочетать с полученными экспериментальными значениями данных	-
	Level=3 Полуэмпирическая модель, которая затрачивает меньше вычислительной мощи по сравнению с предыдущими
Tox	Толщина оксида	м
Vto	Пороговое напряжение	В
L	Длина	м
W	Ширина	м
U0	Поверхностная подвижность	см2/В/с

Глава 5 Моделирование характеристик логических КМОП схем с учётом воздействия ионизирующего излучения

По полученным данным эксперимента, в программе P-spice была смоделирована схема и подобраны параметры для построения инвертора и ее дальнейшего моделирования. В процессе моделирования в программе LTSPICE по схеме рис. 14, было проведено сравнение данных полученного инвертора с данными, которые были получены при проведении эксперимента. На рис. 21 изображены синяя линия, которая показывает поведение инвертора, а также красные точки, которые соответствуют данным, полученным при проведении эксперимента. Мы можем видеть, что они практически полностью совпадают. Это говорит о том, что смоделированная модель соответствует полученным данным, значит, подобранные мной модель близка к модели, которая учавствовала в эксперименте. По такой модели мы можем подобрать необходимые параметры для формирования остальных моделей(с учетом ионизирующего излучения). В моем случае, для формирования моделей было выбрано несколько доз: 50 KRad, 100 KRad, 200 KRad, 486 KRad.

В ходе работы были смоделированы схемы для этих доз, а также построены передаточная характеристика и входные и выходные характеристики для подтверждения работы инвертора при повышении дозы излучения.



Рисунок 20 Сравнение данных, полученных при моделировании и полученных в ходе эксперимента при отсутствии излучения.

Глава 6. Результаты работы

Результатом данной работы являются: графики, показывающие поведение МОП транзисторов, которые были смоделированы в программе LTSpice, сравнение данных графиков с другими, полученными при проведении эксперимента. Также результатом будут графики, которые подтвердят, что инверторы работали исправно во время облучения. Еще одним результатом будет график передаточных характеристик для инвертора.

Последним результатом являются таблицы для PMOS и NMOS транзисторов с параметрами, найденными в ходе моделирования, а также вычислений с помощью параметров, подобранных в программе LTSpice.

Сравнение полученных при моделировании моделей с полученными из данных эксперимента:

Рисунок 21 Параметры моделей КМОП транзисторов в LTSpice при 50 KRad



Рисунок 22: Сравнение графиков из LTSpice с графиками, которые были получены в ходе эксперимента при 50 KRad

Рисунок 23 Параметры моделей КМОП транзисторов в LTSpice при 100 KRad



Рисунок 24: Сравнение графиков из LTSpice с графиками, которые были получены в ходе эксперимента при 100 KRad

Рисунок 25 Параметры моделей КМОП транзисторов в LTSpice при 200 KRad



Рисунок 26: Сравнение графиков потребляемого тока из LTSpice с графиками, которые были получены в ходе эксперимента при 200 KRad

Рисунок 27 Параметры моделей КМОП транзисторов в LTSpice при 200 KRad



Рисунок 28: Сравнение графиков из LTSpice с графиками, которые были получены в ходе эксперимента при 486 KRad

Передаточные характеристики инверторов:

Рисунок 26: Передаточная характеристика инвертора при 0 KRad

Рисунок 27: Передаточная характеристика инвертора при 50 KRad



Рисунок 28: Передаточная характеристика инвертора при 100 KRad

Рисунок 29: Передаточная характеристика инвертора при 200 KRad

Рисунок 30: Передаточная характеристика инвертора при 486 KRad

Графики, подтверждающие работоспособность инверторов до эксперимента, во время эксперимента, а также после получения TID:



Рисунок 31: Входные и выходные характеристики, подтверждающие рабочее состояние инвертора при 0 KRad

Рисунок 32: Входные и выходные характеристики, подтверждающие рабочее состояние инвертора при 50 KRad



Рисунок 33: Входные и выходные характеристики, подтверждающие рабочее состояние инвертора при 100 KRad

Рисунок 34: Входные и выходные характеристики, подтверждающие рабочее состояние инвертора при 200 KRad



Рисунок 35: Входные и выходные характеристики, подтверждающие рабочее состояние инвертора при 486 KRad

Обработка результатов измерений, определение наведённых облучением плотностей зарядов рис. 36,37.

Мы можем увидеть общую тенденцию:

Для NMOS при увеличении дозы:

1. U₀ уменьшается

2. N_it растет

3. N_ot растет по модулю

4. V_to уменьшается

Для РMOS при увеличении дозы:

1. U₀ уменьшается

2. N_it увеличивается

3. N_ot уменьшается

4. V_to повышается



Рисунок 36: Полученные параметры NMOS транзистора и плотности зарядов

Рисунок 37: Полученные параметры РMOS транзистора и плотности зарядов

Вывод

В результате данной работы были получены характеристики NMOS и PMOS транзисторов и логических схем 564ЛА9 в диапазоне воздействия ионизирующего излучения о 0 KRad до 486 KRad.

Определены параметры SPICE моделей NMOS и PMOS транзисторов с учетом полученной дозы до 486 KRad.

В частности, получены графики влияния ионизирующего излучения на инвертор (собранный на основе КМОП транзисторов), смоделированные в LTSpice. По данным, полученным из эксперимента, было проведено сравнение характеристик КМОП транзисторов с полученными в ходе работы моделями.

Был проведен анализ характеристик для инвертора, а также NMOS и PMOS транзисторов, из которых он состоит, а также были получены параметры транзисторов для доз 0, 50, 100, 200, 486 (KRad).

Результаты моделирования показали, что при повышении дозы происходит значительное смещение порогового напряжения, оно понижается на 0.74 В, или 51% у NMOS транзисторов, и увеличивается (по модулю) на 2 у PMOS.

С использованием разработанных моделей промоделированы характеристик КМОП схем 564ЛА9. и проведено сравнение с результатами их измерений.

Параметры разработанных моделей обеспечивают моделирование характеристик реальных схем с точностью не хуже 10-15%.

Разработанные модели могут быть использованы для расчетов характеристик КМОП схем серии 564 при их работе в условиях радиации.

Список литературы

1. Esko Mikkola, "Hierarchical Simulation Method For Total Ionizing Dose Radiation Effects on CMOS- Mixed Signal Circuits", Doctorate Thesis, University Of Arizona, 2008.

2. Tatjana Peљiж-Brрanin «SPICE MODELING OF IONIZING RADIATION EFFECTS IN CMOS DEVICES» University of Banja Luka, Republic of Srpska, Bosnia and Herzegovina//Series: Electronics and Energetics Vol. 30, No 2, June 2017, pp. 161 - 178

3. T. Peљiж, N. Jankoviж, "A Compact Non-Quasi-Static MOSFET Model Based on the Equivalent Non-Linear Transmission Line", IEEE Trans. on Computer-Aided-Design of Integrated Circuits and Systems, vol. 24, pp. 1550-1561, 2005.

4. T.P. Ma and P.V. Dressendorfer, Ionizing Radiation Effects in MOS Devices and Circuits, New York: Wiley, 1989.

5. W. Wang, S. Yang, S. Bhardwaj, S. Vrudhula, F. Liu, Y. Cao, "The impact of NBTI effect on combinational circuit: Modeling, simulation and analysis," IEEE Trans. on VLSI Syst. vol. 18, pp. 173-83, 2010.

6. N. Jankoviж, T. Peљiж, "Non-Quasi-Static Physics Based Circuit Model of Fully-Depleted Double-Gate SOI MOSFET", Solid-State Electronics, vol. 49, pp. 1086-1089, 2005.

7. Володин В. Я. LTspice: компьютерное моделирование электронных схем. -- СПб.: БХВ-Петербург, 2010. -- 400с.

Размещено на Allbest.ru