CC BY
5СХЕМОТЕХНИКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ CIRCUIT ENGINEERING AND DESIGN
Научная статья
УДК 621.375.024:621.382.3:544.54 doi:10.24151/1561-5405-2024-29-5-640-657 EDN: GIGWRQ
Анализ влияния радиационных эффектов на характеристики операционного усилителя с использованием универсальной SPICE-RAD-модели биполярных транзисторов
К. О. Петросянц1'3, М. В. Кожухов1, Д. А. Попов1, И. А. Харитонов1, С. В. Корнеев2, П. А. Дюканов2, Д. С. Смирнов2, Э. Н. Вологдин2
1 Национальный исследовательский университет «Высшая школа
экономики», г. Москва, Россия
2
АО «НПП «Пульсар», г. Москва, Россия
3 ^
Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, г. Москва, Россия
Аннотация. Операционные усилители широко используются в электронных системах, к которым предъявляются требования по стойкости к воздействию ионизирующих излучений. В связи с этим у разработчика ИС возникает необходимость проводить схемотехническое моделирование с учетом радиационных факторов. Основной проблемой этого метода моделирования операционных усилителей является отсутствие в 8Р1СЕ-подобных программах адекватных моделей биполярных транзисторов, учитывающих влияние разных видов излучения. Существующие 8Р1СЕ-модели биполярных транзисторов позволяют учитывать влияние гамма-квантов и нейтронов и имеют ряд недостатков. В работе представлены модели операционных усилителей, реализованные на транзисторном уровне. Для схемотехнического моделирования операционных усилителей с учетом радиационных эффектов предложена универсальная 8Р1СЕ-ЯЛВ-модель, адекватно описывающая характеристики биполярных транзисторов до и после воздействия различных видов радиации. Представлены результаты моделирования основных электрических характеристик двух типов операционных усилителей (аналоги AD829, иА741) до и после воздействия ионизирующего излучения в диапазоне доз до 2 Мрад и в диапазоне мощностей доз 0,1-50 рад/с. Разница между экспериментальными и смоделированными характеристиками операционных усилителей составляет не более 20 %.
© К. О. Петросянц, М. В. Кожухов, Д. А. Попов, И. А. Харитонов, С. В. Корнеев, П. А. Дюканов, Д. С. Смирнов,
Э. Н. Вологдин, 2024
Ключевые слова: операционные усилители, биполярные транзисторы, SPICE-модели, SPICE-моделирование, радиационные излучения, мощность дозы излучений
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант № 23-22-00313).
Для цитирования: Анализ влияния радиационных эффектов на характеристики операционного усилителя с использованием универсальной SPICE-RAD-модели биполярных транзисторов / К. О. Петросянц, М. В. Кожухов, Д. А. Попов и др. // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 5. С. 640-657. https://doi.org/10.24151/ 1561-5405-2024-29-5-640-657. - EDN: GIGWRQ.
Original article
Analysis of radiation exposure effects on the characteristics of an operational amplifier using the universal SPICE-RAD model of bipolar transistors
K. O. Petrosyants1'3, M. V. Kozhukhov1, D. A. Popov1, I. A. Kharitonov1,
7 7 7 7
S. V. Korneev , P. A. Dukanov , D. S. Smirnov , E. N. Vologdin
1National Research University Higher School of Economics, Moscow, Russia
2 a >>
"NPP Pulsar " JSC, Moscow, Russia
Institute for Design Problems in Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
Abstract. The operational amplifiers (Op-Amps) are widely used in electronic systems operating under conditions of exposure to ionizing radiation; hence the IC designer has a need to carry out circuit modeling considering radiation factors. The main problem of this method of the Op-Amps simulation is that in SPICE-like programs there are no adequate models of bipolar transistors (BJTs) considering the effect of different types of radiation. The existing BJT SPICE models only allow the consideration of gamma-quantum and neutrons effects and have several disadvantages. In this work, the Op-Amp simulations implemented at transistor level are presented. For circuit simulation of the Op-Amps with account for radiation effects a universal SPICE-RAD model has been proposed, which adequately describes the BJT characteristics before and after exposure to various types of radiation. Simulation results of main electrical characteristics of two types of the Op-Amps (analogues of AD829, uA741) before and after exposure to ionizing radiation in the dose range up to 2 Mrad and the dose-rate range 0.1-50 rad/s are presented. The difference between the experimental and simulated Op-Amp characteristics is no more than 20 %.
Keywords: operational amplifiers, Op-Amps, bipolar transistors, BJTs, SPICE models, SPICE simulation, radiations, dose rate
Funding: the work has been supported by the Russian Science Foundation (grant no. 23-22-00313).
For citation: Petrosyants K. O., Kozhukhov M. V., Popov D. A., Kharitonov I. A., Korneev S. V., Dukanov P. A., Smirnov D. S., Vologdin E. N. Analysis of radiation exposure effects on the characteristics of an operational amplifier using the universal SPICE-RAD model of bipolar transistors. Proc. Univ. Electronics, 2024, vol. 29, no. 5, pp. 640-657. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-5-640-657. -EDN: GIGWRQ.
Введение. Операционные усилители (ОУ) широко используются в электронных системах, включая бортовую аппаратуру космических аппаратов, которая подвергается воздействию ионизирующих излучений. Поэтому схемотехническое моделирование электрических характеристик ИС необходимо проводить с учетом радиационных эффектов. Для этой цели используются два метода моделирования: на транзисторном уровне [1, 2] или на поведенческом уровне [3, 4].
Моделирование на транзисторном уровне позволяет, во-первых, выполнять анализ радиационной стойкости ОУ и выявлять наиболее «слабые» компоненты, характеристики которых деградируют в наибольшей степени, во-вторых, в случае необходимости применять дополнительные схемотехнические решения для повышения радиационной стойкости ОУ. Поэтому модели ОУ на транзисторном уровне наиболее эффективны для оптимизации схем и повышения их радиационной стойкости. Основная проблема этого подхода - отсутствие в SPICE-подобных программах схемотехнического анализа адекватных моделей биполярных транзисторов (БТ), учитывающих влияние разных видов излучения.
Модели ОУ поведенческого типа - альтернативный подход к описанию ОУ, когда электрическая схема ОУ заменяется макромоделью в виде многополюсника. Характеристики генераторов тока и напряжения многополюсника описываются математическими зависимостями. Данный подход позволяет с достаточной точностью моделировать внешние электрические характеристики реального ОУ со стороны входа и выхода микросхемы. При этом не требуется тестовых структур отдельных БТ, а также электрической схемы ОУ. Поведенческая модель ОУ позволяет существенно сократить время моделирования, что используется, как правило, на системном уровне моделирования аппаратуры, на котором ОУ рассматривается как самостоятельный электронный компонент.
В настоящей работе исследуется модель ОУ, представленная на транзисторном уровне. Для учета радиационных эффектов предлагается универсальная SPICE-RAD-модель, которая адекватно описывает характеристики Si БТ и SiGe гетеропереходных биполярных транзисторов (ГБТ), подвергнутых воздействию различных видов радиации: гамма-квантов, электронов, нейтронов и протонов. Модель включена в распространенные версии SPICE-подобных программ и в значительной степени позволяет снять ограничения, имеющие место при моделировании радиационно стойких биполярных ИС.
Универсальная SPICE-RAD-модель БТ. Компактные SPICE-модели БТ, учитывающие влияние гамма-квантов и нейтронов, описаны в работах [1, 2, 5-9]. Каждая из моделей имеет свою оригинальную эквивалентную схему, систему уравнений и набор параметров. Для определения параметров требуются специальные измерения и методики пересчета, которые существенным образом отличаются от общепринятых для экстракции SPICE-параметров необлученных транзисторов. Кроме того, существенный недостаток этих моделей в том, что они не учитывают повышенную деградацию электрических характеристик транзистора при облучении с малой мощностью дозы -эффекты ELDRS (Enhanced Low Dose Rate Sensitivity) [10-13]. Эти недостатки ограни-
чивают возможности практического применения существующих моделей разработчиками ИС.
Разработана универсальная SPICE-RAD-модель Si БТ и SiGe ГБТ для различных типов ионизирующих излучений [14]. Обобщенная эквивалентная схема модели приведена на рис. 1.
Рис. 1. Обобщенная эквивалентная схема SPICE-RAD-модели БТ Fig. 1. Unified equivalent circuit of the bipolar transistor SPICE-RAD model
Универсальная SPICE-RAD-модель БТ состоит из ядра, описываемого стандартной моделью GP, VBIC, HICUM, MEXTRAM (тип модели выбирает разработчик), и дополнительной подсхемы, учитывающей радиационно-индуцированные сдвиги токов и напряжений, в том числи и эффекты ELDRS.
Источник тока Ibcor(D) учитывает деградацию тока базы после облучения и состоит из двух составляющих: объемной Ibulk(D) и поверхностной IsurfD). Источник напряжения Vcor(D) описывает сдвиг напряжения коллектор - эмиттер Uk3 в областях насыщения и пробоя. Универсальная SPICE-RAD-модель является общей для различных видов ионизирующих излучений (гамма-кванты, электроны, нейтроны, протоны) и имеет один и тот же набор уравнений и параметров. В зависимости от вида воздействия меняются только численные значения тех параметров модели, которые учитывают радиационное воздействие.
Компоненты схемы SPICE-RAD-модели БТ описываются следующими уравнениями:
- источник тока Ib_cor(D) учитывает увеличение тока базы после облучения и состоит из
4* (D) = Isd (1 + KdD)
(D) = I, max (1
{ Цбэ_
nedVt
V
{ Us.
L-e
л
1 ,
л
-1
J
(1)
(2)
где Isd, Kd, ned, Iss max, Ks, nes - коэффициенты; D - доза или поток; - напряжение база - эмиттер; VT - температурный потенциал;
- источник напряжения Vcor(D) учитывает сдвиги напряжения коллектор - эмиттер в областях насыщения и пробоя:
( икэ Л
1 - ^
(3)
Усог (П) = (Р0 + & ■ е™ )
V J
где V0, g, h, a - коэффициенты; Uкэ - напряжение коллектор - эмиттер.
Для учета влияния радиации на напряжение пробоя необходимо выбрать в качестве ядра УВ1С-модель, которая содержится в библиотеках всех БРГСЕ-подобных программ. В "УШС-модель включены дополнительные выражения для параметров АУС1 и АУС2, описывающих зависимость напряжения лавинного пробоя от общей дозы или интегрального потока:
АРС1ф) = АРС1(0) (1+КАРС1В), (4)
АРС2(П) = А РС 2(0) (1+Карс 2 П), (5)
где AVC 1(0), AVC2(0) - параметры УВ1С-модели, определяющие напряжения лавинного пробоя до облучения; КАуС1, КАуС2 - коэффициенты.
Следует учитывать, что облучение с малыми мощностями дозы приводит к более сильной деградации тока базы БТ. Это отрицательно влияет на электрические характеристики ОУ. На рис. 2 представлена зависимость радиационно-индуцированного тока базы БТ от мощности дозы излучения [10].
- Drate = 20 кра; l(Si)
Гориз
>'-p ь 1
- В фтикалц ШИ
__Р-П-Р ь Г
ю-4 10"3 ю-2 ю-1 10° ю1 102 103
Мощность дозы излучения, paa(Si)/c
Рис. 2. Зависимость радиационной добавки тока базы от мощности дозы излучения Fig. 2. Dependence of base current degradation on radiation dose rate
Для моделирования повышенной деградации тока базы БТ при облучении с низкой мощностью дозы в БРЮЕ-КАО-модель для тока 1ШГ^), входящего в состав источника тока 1ъ_сог(Р), добавлена функция КЕиуК$фга1е), которая позволяет учесть увеличение радиационной добавки тока базы при уменьшении мощности дозы излучения:
ВгаЛе) = (Втге) ¡^ (В), (6)
КРття (Вта(е~) = Е+Ь • ехр(-Вга(ек8), (7)
где Вта1е - мощность дозы излучения; Е, Ь, Я, £ - коэффициенты.
SPICE-RAD-модель проверена на транзисторах, изготовленных по различным технологиям Si/SiGe БТ/ГБТ [15]. Пример моделирования электрических характеристик приведен на рис. 3 для коммерческих SiGe ГБТ с шириной эмиттера 0,25 мкм, изготовленного по технологии БиКМОП SGB25V фирмы ШР. Облучение образцов SGB25V при воздействии электронов и гамма-квантов проведено в пассивном режиме с закороченными выводами.
Значения параметров SPICE-RAD-модели для SiGe ГБТ (SGB25V) после облучения гамма-квантами и электронами следующие [15]:
Масштабный ток переноса 18....................................................................2,0810-15 А
Коэффициент неидеальности для прямого включения NF................................1,035
Прямой коэффициент усиления по току BF...........................................................290
Обратный коэффициент усиления по току BR.......................................................0,7
Обратный ток перехода база - эмиттер КБ.............................................6,00-10-20 А
Коэффициент неидеальности для перехода база - эмиттер КБ..........................1,05
Прямое напряжение Эрли VAF...........................................................................345 В
Ток начала спада коэффициента BF при больших токах IKF.........................0,35 А
Ток начала спада коэффициента BR при больших токах КИ................1,0710-4 А
Обратный ток перехода база - коллектор КС.........................................2,56-10-14 А
Ток при среднем значении КБ ШБ............................................................1,00-10-6 А
Коэффициент неидеальности для перехода база - коллектор КС...........................2
Сопротивление эмиттера ИЕ.............................................................................0,2 Ом
Сопротивление базы К£..................................................................................54,4 Ом
Минимальное сопротивление базы при большом токе К£М.......................6,67 Ом
Сопротивление коллектора ЯС.........................................................................9,6 Ом
Значения радиационно-зависимых коэффициентов макромодели:
Гамма-излучение Электронное излучение
...................................9-10-17 А.................................6-10-18 А
Пей............................................1,6...........................................2,1
тах............................... 310 9 А............................ 1,25-10-12 А
К..............................1-10-7 рад-1...........................2,6-10-15 см2
К...........................9,6 10 5 рад-1...........................1,9-10-1° см2
Пе,............................................5,3 .........................................1,81
Методика экстракции параметров SPICE-RAD-модели представляет собой модификацию стандартной процедуры, основанную на результатах измерения совокупности электрических характеристик необлученных и облученных БТ. Методика экстракции параметров включает в себя следующие шаги:
Шаг 1. Выбрать ядро SPICE-RAD-модели БТ ^Р, VBIC, Н1СиМ, МЕХТИАМ).
Шаг 2. Определить параметры ядра 8РГСЕ-ЯАО-модели необлученного БТ с использованием стандартных процедур, в том числе пакетов программ ГС-САР или BSIMPROPlus, и результатов измерения ВАХ, С^- и ^-характеристик.
Шаг 3. Выбрать набор основных радиационно-зависимых параметров 8РГСЕ-ЯАО-модели, которые необходимо учитывать при моделировании.
300
250
о
200
-е-
50
___
J.
t--/ с \ N 4 vs.
Увех ичение дозы
si!*''., 4 4
-0,85 -0,80 -0,75 -0,70 -0,65 -0,60
Напряжение база - эмиттер Uбэ, В Эксперимент: Моделирование:
-0,55
р до облучения Р с дозой 5,0 -104 рад
1,0-10 рад 2,0105 рад 5,0-105 рад
---- 1,1-Ю6 рад
♦ ♦ ♦ ► 2,0-106 рад
А А А А
+ + + +
X К Я 1
Р до облучения Р с дозой 5,0-104 рад
-------1,0-105 рад
---2,0-105 рад
- • - 5,0-105 рад
-----1,1-Ю6 рад
..................................2,0-Ю6 рад
300
250
200
150
4 юо
-е-
50
' v. 7"
Увеличение потока ' - • U"
-0,80
-0,75
-0,60
-0,70 -0,65
Напряжение база - эмиттер С/бэ- В Эксперимент: Моделирование:
• ••• р до облучения р до облучения
-0,55
■ ■■■ рс дозой 1,2 -Ю13 см"2 •••• 3,4-Ю13 см"2
р с дозой 1,2-Ю13 см"2
АА А I
♦ ♦ ♦ <
3,3-Ю14 см"2 3,3-Ю15 см"2 1,0-Ю16 см"2
3,4-ю13 см"2
---3,3-Ю14 см"2
■ — — 3,3-Ю15 см"2 ............ 1,0-Ю16 см"2
Рис. 3. Сравнение смоделированного и измеренного коэффициентов усиления тока SiGe ГБТ SGB25V до и после гамма-излучения (а) и облучения электронами (б) Fig. 3. Comparison of simulated and measured current gain of SiGe HBT SGB25V before and after gamma irradiation (a) and electron irradiation (b)
Шаг 4. По экспериментальным данным для каждого уровня дозы D; или интегрального потока Ф; определить: радиационно-индуцированный ток базы для ионизационных эффектов при напряжении база - эмиттер иБЭ = 0 В; радиационно-индуцированный ток базы для эффектов смещения при значении напряжения база - эмиттер иБЭ в диапазоне 0,5-0,7 В; напряжение насыщения на выходной характеристике в области насыщения; напряжение лавинного пробоя на выходных характеристиках в пред-пробойной области. Процедуру повторить для всех уровней воздействия D; или Ф; (i = 1, 2, 3,...,m).
Шаг 5. Радиационно-зависимые параметры БТ (см. шаг 4) Isurf(D), huik(D), VcOr(D) аппроксимировать аналитическими функциями вида а1-[1 - bbexp(- or2D)] или а3-[1 + b2-D)]; значения коэффициентов a1, a2, a3, b1, b2 для указанных функций I(D), V(D) образуют набор радиационных параметров SPICE-RAD-модели БТ.
Шаг 6. Для определения коэффициентов функции KELDRS(Drate), приведенных в выражение (7), построить зависимость радиационной добавки тока базы транзистора от мощности дозы излучения.
Шаг 7. Для включения в SPICE-RAD-модель радиационно-зависимых параметров, описываемых аналитическими функциями (1)-(7), определить по входным характеристикам БТ коэффициенты Isd, ned, Kd и Iss max, Ks, nes, E, L, R, S, по выходным характеристикам БТ - параметры a, V0, g, h, KAVC1, KAVC2 (рис. 4).
Основным преимуществом предложенной методики экстракции радиационно-зависимых параметров SPICE-RAD-модели является то, что она базируется на данных, полученных в результате измерений стандартного набора характеристик прибора по стандартным методикам, известным широкому кругу разработчиков. Никаких дополнительных измерений для определения параметров SPICE-RAD-модели с помощью представленной методики не требуется.
Рис. 4. Определение коэффициентов Iss max, Ks, nes
(а)
Fig. 4. Parameters extraction I,
K n
ss max J ,les
(a)
Рис. 4. Определение коэффициентов а, V0, g, h (б), KAVCi, KAVC2 (в) Fig. 4. Parameters extraction а, V0, g, h (b), KAVC1, KAVC2 (c)
Моделирование ОУ с учетом радиационных факторов. С помощью представленной SPICE-RAD-модели проведено схемотехническое моделирование прецизионного ОУ с обратной связью по напряжению с полосой пропускания 30 МГц и скоростью нарастания напряжения 120 В/мкс (аналог А0829). Функциональная схема ОУ приведена на рис. 5.
Рис. 5. Функциональная схема ОУ Fig. 5. Functional diagram of the Op-Amp
В составе рассматриваемого ОУ применены три типа комплементарных и-р-и/р-и-р-транзисторов, изготовленных по технологии 0,6 мкм, которые различаются площадью и периметром эмиттера. Размеры комплементарных n-p-n/p-n-p-транзисторов приведены в таблице.
Размеры комплементарных n-p—n/p—n—p-транзисторов Dimensions of complementary n—p—n/p—n—p transistors
Тип транзистора Площадь эмиттера, 2 мкм Периметр эмиттера, мкм
PNP05 NPN05 90 42
PNP15 NPN15 240 104
PNP50 NPN50 1080 408
Образцы и-р-и/р-и-р-транзисторов подвергали облучению гамма-квантами (источник Cs-137) с мощностью дозы 36 рад ^Ю2)/с в пассивном режиме с закороченными выводами. Сравнение результатов измерений коэффициента усиления по току с результатами моделирования тестовых транзисторов после воздействия гамма-квантов приведено на рис. 6. Изменение электрических характеристик пассивных компонентов, входящих в состав ОУ, происходит при больших поглощенных дозах более 10 Мрад (Б1) [16, 17]. Поэтому их влияние на характеристики ОУ при указанных уровнях дозы незначительны. Расхождение между экспериментальными данными и результатами моделирования составляет не более 20 %.
Рис. 6. Сравнение экспериментальных данных (точки) с данными моделирования (линии) биполярных транзисторов NPN50 (а) и PNP50 (б) до и после облучения гамма-лучами
с мощностью дозы 100, 200, 350, 600, 850, 1100, 1600, 2300, 3000 крад (SiO2) Fig. 6. Comparison of experimental data (dots) and simulation data (lines) of bipolar transistors NPN50 (a) and PNP50 (b) before and after irradiation with gamma rays at doses: 100, 200, 350, 600, 850, 1100, 1600, 2300, 3000 krad (SiO2)
После определения параметров SPICE-моделей БТ проведено моделирование схемы ОУ с учетом воздействия гамма-излучения. Влияние ионизирующего излучения на электрические характеристики ОУ оценено по зависимости коэффициента усиления без обратной связи, напряжения смещения, входных токов и скорости нарастания выходного напряжения от поглощенной дозы. На рис. 7 показано сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования для коэффициента усиления без обратной связи, выходных напряжений и напряжений смещения ОУ после гамма-облучения.
9-10«
g S 7-10«
й О >> ж
х I 5-104
з-ю4
¡Г) (О
110
200 400 600 800 1000 1200 Доза, крад (Si02)
CQ * 13< s
y ^ W W i 'S
s
« <
С *
X У <L> < ►
О S 7 ►
3 ' X <
ja m s <
200 400 600 800 1000 1200 Доза, крад (SiCb)
Рис. 7. Сравнение экспериментальных (точки) и смоделированных (линия) коэффициента усиления без обратной связи (а), выходного напряжения (б), напряжения смещения (в) при различных поглощенных дозах
Fig. 7. Comparison of experimental (dots) and simulated (line) open-loop gain (a), output voltage (b), offset voltage (c) at different absorbed
doses
Моделирование ОУ с учетом эффектов малой мощности дозы излучения. Исследования показывают, что эффекты малой мощности дозы радиационного излучения, приводящие к деградации, проявляются в том числе и в ОУ. Это особенно критично для электронной аппаратуры космических аппаратов [11-13]. Удовлетворительные SPICE-модели БТ, учитывающие эффекты малой мощности дозы радиации, не разработаны. Причиной является слишком большое время, требуемое для проведения эксперимента на реальных образцах микросхем ОУ для набора суммарной дозы, при которой наблюдается деградация электрических характеристик ОУ.
С целью преодоления существующих трудностей для построения SPICE-RAD-модели БТ с учетом эффектов малой мощности дозы излучения предлагается виртуальный метод ускоренных испытаний. Сначала строится модель для высокой мощности дозы излучения. При этом для верификации моделей не требуется больших временных затрат для достижения необходимой суммарной дозы. После этого в полученную модель вводятся корректирующие выражения, учитывающие эффекты малой мощности дозы излучения. Объектом для исследования влияния интенсивности излучения на электрические характеристики ОУ выбран прибор uA741 как наиболее распространенный тип ОУ, для которого имеет место существенная деградация рабочих характеристик при облучении с низкой мощностью дозы (рис. 8) [18].
На первом этапе были подобраны три комплекта SPICE-RAD-моделей для транзисторов Qi-Q24, на которых построена схема, показанная на рис. 8. Модели разработаны на базе имеющихся экспериментальных данных для БТ с высоким, средним и низким уровнем стойкости. Соответствующий уровень стойкости БТ достигается за счет применения различных конструктивно-технологических решений. Такой подход позволяет проводить прогнозирование деградации характеристик БТ и схемотехническое моделирование ИС с разным уровнем радиационной стойкости. В частности, на рис. 9 приведены результаты расчетов для параметра Ku(D) в сравнении с экспериментальными данными работы [19]. Видно, что наилучшее совпадение получено для набора транзисторов с высокой радиационной стойкостью.
Рис. 8. Схема ОУ uA741 Fig. 8. Op-Amp uA741 circuit
Рис. 9. Сравнение экспериментальных данных [19] с результатами моделирования коэффициента радиационного повреждения Ku(D) / Ku (D = 0 рад) для разных уровней деградации: ♦ - эксперимент;
- слабая степень деградации;--средняя
степень деградации; - • - • - сильная степень деградации
Fig. 9. Comparison of experimental data [19] and the simulation results of the radiation damage coefficient Ku(D) / Ku (D = 0 rad) for different radiation
hardness levels: ♦ - experiment;-low degree of
degradation;--average degree of degradation;
- • - • - severe degree of degradation
Мощность дозы, рад/с
Рис. 10. Зависимость функции KELDRS(Drate) от мощности излучения Fig. 10. Dependence of the KELDRS(Drate) parameter on the radiation dose rate
На втором этапе в уравнение (6) для SPICE-RAD-модели для транзисторов Q1-Q24 добавлена функция KELDRS(Drate) (рис. 10), учитывающая эффекты низкой мощности дозы излучения. Зависимость, приведенная на рис. 10, для различных типов Si БТ и Si-Ge ГБТ [10, 12, 20] одинакова и может быть описана функцией (7), параметры которой определяются методом подгонки под эксперимент.
Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными для выходного напряжения ОУ представлено на рис. 11. Видно, что погрешность составляет не более 20 %. Это подтверждает пригодность разработанной модели для оценки радиационной стойкости ОУ после облучения малыми мощностями дозы гамма-излучения. На рис. 12 приведены результаты моделирования напряжения смещения нуля ОУ до и после облучения малыми мощностями дозы гамма-излучения.
Рис. 11. Сравнение смоделированного выходного напряжения ОУ (линии) с экспериментальными данными (точки) [18] при облучении с разной
мощностью дозы гамма-излучения Fig. 11. Comparison of experimental (dots) [18] and simulated open loop gain of uA741 (lines) after gamma irradiation with different dose rates
0,1 p ад/с^.
X 1,0
-> 10,0
. - - - 50,0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Поглощенная доза, крад
Рис. 12. Моделирование напряжения смещения нуля ОУ при облучении с разной мощностью дозы гамма-излучения Fig. 12. Simulated offset voltage of the Op-Amp during irradiation with different dose gamma rates
Заключение. Разработанная универсальная SPICE-RAD-модель для учета дозовых радиационных эффектов адекватно описывает характеристики Si БТ и SiGe ГБТ, подвергнутых воздействию различных видов радиации: гамма-квантов, электронов, нейтронов и протонов. Погрешность моделирования статических ВАХ Si БТ и SiGe ГБТ не превышает 20 % в диапазоне доз до 2 Мрад. Модель встраивается в коммерческие схемотехнические программы HSPICE, PSPICE, LTSPICE, ELDO и другие и может использоваться для расчета аналоговых схем с учетом поглощенной дозы или мощности дозы излучения, изменяющихся в широких приделах.
Полученные численные оценки деградации характеристик (коэффициента усиления, выходного напряжения, входного тока, напряжения смещения нуля) для аналога прибора AD829 в диапазоне доз до 2 Мрад с мощностью дозы 36 рад/с подтверждены экспериментальными результатами, для аналога прибора uA741 в диапазоне мощностей доз 0,1-50 рад/с после набора суммарной дозы 200 крад - результатами работ [18, 19].
Литература
1. Huang X., Francis A. M., Lostetter A. B., Mantooth H. A. Compact modeling of environmentally induced radiation effects on electrical devices // 2004 IEEE Aerospace Conference Proceedings (IEEE Cat. No. 04TH8720). Big Sky, MT: IEEE, 2004. Vol. 4. P. 2597-2607. https://doi.org/10.1109/AERO.2004.1368054
2. Modeling and simulation of dose effects in bipolar analog integrated circuits / G. I. Zebrev, M. G. Drosdetsky, A. M. Galimov et al. // Proc. SPIE. International Conference on Micro- and Nano-Electronics. 2014. Vol. 9440. Art. ID: 94401C. https://doi.org/10.1117/12.2180758
3. Mikkola E. O., Vermeire B., Parks H. G., Graves R. VHDL-AMS modeling of total ionizing dose radiation effects on CMOS mixed signal circuits // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2007. Vol. 54. No. 4. P. 929-934. https://doi.org/10.1109/TNS.2007.903185
4. Jagannathan S., Herbison D. R., Holman W. T., Massengill L. W. Behavioral modeling technique for TID degradation of complex analog circuits // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2010. Vol. 57. No. 6. P. 3708-3715. https://doi.org/10.1109/TNS.2010.2056699
5. Leroux P., De Cock W., Van Uffelen M., SteyaertM. Modeling, design, assessment of 0.4 ^m SiGe bipolar VCSEL driver IC under y-radiation // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2009. Vol. 56. No. 4. P. 1920-1925. https://doi.org/10.1109/TNS.2009.2018840
6. Deng Y., Fjeldly T. A., Ytterdal T., Shur M. S. SPICE modeling of neutron displacement damage and annealing effects in bipolar junction transistors // IEEE Transactions on Electron Devices. 2003. Vol. 50. No. 6. P. 1873-1877. https://doi.org/10.1109/tns.2003.821391
7. Gain degradation of lateral and substrate pnp bipolar junction transistors / S. C. Witczak, R. D. Schrimpf, K F. Galloway et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1996. Vol. 43. No. 6. P. 3151-3160. https://doi.org/10.1109/23.556919
8. Petrosjanc K. O., Kharitonov I. A. VLSI device parameters extraction for radiation hardness modeling with SPICE // Proceedings of the 1993 International Conference on Microelectronic Test Structures (ICMTS 93). Sitges: IEEE, 1993. P. 9-14. https://doi.org/10.1109/ICMTS.1993.292901
9. Van Uffelen M., Geboers S., Leroux P., Berghmans F. SPICE modeling of a discrete COTS SiGe HBT for digital applications up to MGy dose levels // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2006. Vol. 53. No. 4. P. 1945-1949. https://doi.org/10.1109/TNS.2006.880949
10. Радиационная стойкость изделий ЭКБ / под ред. А. И. Чумакова. М.: НИЯУ «МИФИ», 2015. 512 с.
11. Pease R. L., Schrimpf R. D., Fleetwood D. M. ELDRS in bipolar linear circuits: A review // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2009. Vol. 56. No. 4 (2). P. 1894-1908. https://doi.org/10.1109/ TNS.2008.2011485
12. Таперо К. И. Эффекты низкоинтенсивного облучения в приборах и интегральных схемах на базе кремния // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2016. Т. 19. № 1. С. 5-21. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2016-1-5-21. - EDN: URIGLC.
13. Enhanced low dose rate sensitivity (ELDRS) of linear circuits in a space environment / J. L. Titus, D. Emily, J. F. Krieg et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1999. Vol. 46. No. 6. P. 1608-1615. https://doi.org/10.1109/23.819128
14. SPICE-model of SiGe HBT taking into account radiation effects / K. O. Petrosyants, M. V. Kozhukhov, O. V. Dvornikov et al. // 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). Moscow: IEEE, 2018. P. 1-4. https://doi.org/10.1109/MWENT.2018.8337211
15. opt_ex06: Gummel-Poon bipolar model extraction // SILVACO [Электронный ресурс]. URL: https://silvaco.com/examples/utmost4/section1/example6/index.html (дата обращения: 15.07.2024).
16. Testing the radiation hardness of thick-film resistors for a time-of-flight mass spectrometer at Jupiter with 18 MeV protons / D. Lasi, M. Tulej, M. B. Neuland et al. // 2017 IEEE Radiation Effects Data Workshop (REDW). New Orleans, LA: IEEE, 2017. P. 1-9. https://doi.org/10.1109/NSREC.2017.8115474
17. Ding M. The radiation response of hafnium oxide based metal-oxide-semiconductor capacitors under 60Co gamma ray // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2019. Vol. 26. No. 1. P. 10-16. https://doi.org/10.1109/TDEI.2018.007316
18. Modeling ELDRS effects in bipolar integrated circuits / H. Baoping, M. Wuying, Y. Zhibin et al. // 2017 International Workshop on Reliability of Micro- and Nano-Electronic Devices in Harsh Environment (IWRMN-EDHE 2017). Chengdu: Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences, 2017. P. 1-3.
19. Soliman F. Operational amplifier type 741: Characterization and radiation effects // Commun. Fac. Sci. Univ. Ank. Series A2-A3: Phys. Sci. and Eng. 1993. Vol. 42. P. 15-32. https://doi.org/10.1501/commua1-2_0000000051
20. Modeling low dose rate effects in shallow trench isolation oxides / I. S. Esqueda, H. J. Barnaby, P. C. Adell et al. // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2011. Vol. 58. No. 6. P. 2945-2952. https://doi.org/10.1109/tns.2011.2168569
Статья поступила в редакцию 12.12.2023 г.; одобрена после рецензирования 26.03.2024 г.;
принята к публикации 16.08.2024 г.
Информация об авторах
Петросянц Константин Орестович - доктор технических наук, профессор департамента электронной инженерии Московского института электроники и математики им. А. Н. Тихонова Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Россия, 123458, г. Москва, Таллиннская ул., 34), главный научный сотрудник Института проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук (Россия, 124365, г. Москва, г. Зеленоград, ул. Советская, 3), [email protected]
Кожухов Максим Владимирович - кандидат технических наук, доцент департамента электронной инженерии Московского института электроники и математики им. А. Н. Тихонова Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Россия, 123458, г. Москва, Таллиннская ул., 34), [email protected]
Попов Дмитрий Александрович - кандидат технических наук, доцент департамента компьютерной инженерии Московского института электроники и математики им. А. Н. Тихонова Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Россия, 123458, г. Москва, Таллиннская ул., 34), [email protected]
Харитонов Игорь Анатольевич - кандидат технических наук, профессор департамента электронной инженерии Московского института электроники и математики им. А. Н. Тихонова Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (Россия, 123458, г. Москва, ул. Таллиннская, 34), ikharitonov@hse .ru
Корнеев Сергей Викторович - доктор технических наук, заместитель генерального директора по технологическому развитию и производству АО «НПП «Пульсар» (Россия, 105187, г. Москва, Окружной пр-д, 27), [email protected]
Дюканов Павел Алексеевич - начальник отделения АО «НПП «Пульсар» (Россия, 105187, г. Москва, Окружной пр-д, 27), [email protected]
Смирнов Дмитрий Сергеевич - начальник лаборатории АО «НПП «Пульсар» (Россия, 105187, г. Москва, Окружной пр-д, 27), [email protected]
Вологдин Эрих Николаевич - старший научный сотрудник АО «НПП «Пульсар» (Россия, 105187, г. Москва, Окружной пр-д, 27), [email protected]
References
1. Huang X., Francis A. M., Lostetter A. B., Mantooth H. A. Compact modeling of environmentally induced radiation effects on electrical devices. 2004 IEEE Aerospace Conference Proceedings (IEEE Cat. No. 04TH8720). Big Sky, MT, IEEE, 2004, vol. 4, pp. 2597-2607. https://doi.org/10.1109/AERO.2004.1368054
2. Zebrev G. I., Drosdetsky M. G., Galimov A. M., Lebedev A. A., Danilov I. A., Turin V. O. Modeling and simulation of dose effects in bipolar analog integrated circuits. Proc. SPIE. International Conference on Micro- andNano-Electronics, 2014, vol. 9440, art. ID: 94401C. https://doi.org/10.1117/12.2180758
3. Mikkola E. O., Vermeire B., Parks H. G., Graves R. VHDL-AMS modeling of total ionizing dose radiation effects on CMOS mixed signal circuits. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2007, vol. 54, no. 4, pp. 929-934. https://doi.org/10.1109/TNS.2007.903185
4. Jagannathan S., Herbison D. R., Holman W. T., Massengill L. W. Behavioral modeling technique for TID degradation of complex analog circuits. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2010, vol. 57, no. 6, pp. 3708-3715. https://doi.org/10.1109/TNS.2010.2056699
5. Leroux P., De Cock W., Van Uffelen M., Steyaert M. Modeling, design, assessment of 0.4 ^m SiGe bipolar VCSEL driver IC under y-radiation. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2009, vol. 56, no. 4, pp. 1920-1925. https://doi.org/10.1109/TNS.2009.2018840
6. Deng Y., Fjeldly T. A., Ytterdal T., Shur M. S. SPICE modeling of neutron displacement damage and annealing effects in bipolar junction transistors. IEEE Transactions on Electron Devices, 2003, vol. 50, no. 6, pp. 1873-1877. https://doi.org/10.1109/tns.2003.821391
7. Witczak S. C., Schrimpf R. D., Galloway K. F., Fleetwood D. M., Pease R. L., Puhl J. M., Schmidt D. M., Combs W. E., Suehle J. S. Gain degradation of lateral and substrate pnp bipolar junction transistors. IEEE transactions on Nuclear Science, 1996, vol. 43, no. 6, pp. 3151-3160. https://doi.org/10.1109/ 23.556919
8. Petrosjanc K. O., Kharitonov I. A. VLSI device parameters extraction for radiation hardness modeling with SPICE. Proceedings of the 1993 International Conference on Microelectronic Test Structures (ICMTS 93). Sitges, IEEE, 1993, pp. 9-14. https://doi.org/10.1109/ICMTS.1993.292901
9. Van Uffelen M., Geboers S., Leroux P., Berghmans F. SPICE modeling of a discrete COTS SiGe HBT for digital applications up to MGy dose levels. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2006, vol. 53, no. 4, pp. 1945-1949. https://doi.org/10.1109/TNS.2006.880949
10. Chumakov A. I., ed. Radiation resistance of electronic component base products. Moscow, National Research Nuclear University MEPhI, 2015. 512 p. (In Russian).
11. Pease R. L., Schrimpf R. D., Fleetwood D. M. ELDRS in bipolar linear circuits: A review. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2009, vol. 56, no. 4 (2), pp. 1894-1908. https://doi.org/10.1109/TNS.2008.2011485
12. Tapero K. I. Low dose rate effects in silicon-based devices and integrated circuits: A review. Russ. Mi-croelectron., 2018, vol. 47, no. 8, pp. 539-552. https://doi.org/10.1134/S1063739718080127
13. Titus J. L., Emily D., Krieg J. F., Turflinger T., Pease R. L., Campbell A. Enhanced low dose rate sensitivity (ELDRS) of linear circuits in a space environment. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1999, vol. 46, no. 6, pp. 1608-1615. https://doi.org/10.1109/23.819128
14. Petrosyants K. O., Kozhukhov M. V., Dvornikov O. V., Savchenko E. M., Budyakov A. S. SPICE-model of SiGe HBT taking into account radiation effects. 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). Moscow, IEEE, 2018, pp. 1-4. https://doi.org/10.1109/MWENT.2018.8337211
15. opt_ex06: Gummel-Poon bipolar model extraction. SILVACO. Available at: https://silvaco.com/examples/utmost4/section1/example6/index.html (accessed: 15.07.2024).
16. Lasi D., Tulej M., Neuland M. B., Wurz P., Carzaniga T. S., Nesteruk K. P., Braccini S., Elsener H. R. Testing the radiation hardness of thick-film resistors for a time-of-flight mass spectrometer at Jupiter with 18 MeV protons. 2017 IEEE Radiation Effects Data Workshop (REDW). New Orleans, LA, IEEE, 2017, pp. 1-9. https://doi.org/10.1109/NSREC.2017.8115474
17. Ding M. The radiation response of hafnium oxide based metal-oxide-semiconductor capacitors under 60Co gamma ray. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2019, vol. 26, no. 1, pp. 10-16. https://doi.org/10.1109/TDEI.2018.007316
18. Baoping H., Wuying M., Zhibin Y., Zujun W., Jiangkun S., Guantao D., Yuanyuan X. Modeling ELDRS effects in bipolar integrated circuits. 2017 International Workshop on Reliability of Micro- and Nano-Electronic Devices in Harsh Environment (IWRMN-EDHE 2017). Chengdu, Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences, 2017, pp. 1-3.
19. Soliman F. Operational amplifier type 741: Characterization and radiation effects. Commun. Fac. Sci. Univ. Ank. Series A2-A3: Phys. Sci. and Eng., 1993, vol. 42, pp. 15-32. https://doi.org/10.1501/ commua1-2_0000000051
20. Esqueda I. S., Barnaby H. J., Adell P. C., Rax B. G., Hjalmarson H. P., McLain M. L., Pease R. L. Modeling low dose rate effects in shallow trench isolation oxides. IEEE Transactions on Nuclear Science, 2011, vol. 58, no. 6, pp. 2945-2952. https://doi.org/10.1109/tns.2011.2168569
The article was submitted 12.12.2023; approved after reviewing 26.03.2024;
accepted for publication 16.08.2024.
Information about the authors
Konstantin O. Petrosyants - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Electronic Engineering Department, Moscow Institute of Electronics and Mathematics, National Research University "Higher School of Economics" (Russia, 123458, Moscow, Tallinnskaya st., 34), Chief Researcher, Institute of Design Problems of Microelectronics of Russian Academy of Sciences (Russia, 124365, Moscow, Zelenograd, Sovetskaya st., 3), [email protected]
Maksim V. Kozhukhov - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Electronic Engineering Department, Moscow Institute of Electronics and Mathematics, National Research University "Higher School of Economics" (Russia, 123458, Moscow, Tallinnskaya st., 34), [email protected]
Dmitriy A. Popov - Cand. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Electronic Engineering Department, Moscow Institute of Electronics and Mathematics, National Research University "Higher School of Economics" (Russia, 123458, Moscow, Tallinnskaya st., 34), [email protected]
Igor A. Kharitonov - Cand. Sci. (Eng.), Prof. of the Electronic Engineering Department, Moscow Institute of Electronics and Mathematics, National Research University "Higher School of Economics" (Russia, 123458, Moscow, Tallinnskaya st., 34), ikharitonov@hse .ru
Sergey V. Korneev - Dr. Sci. (Eng.), Deputy General Director for Technological Development and Production, "NPP Pulsar" JSC (Russia, 105187, Moscow, Okruzhnoy dr., 27, bld. 4), [email protected]
Pavel A. Dukanov - Head of the Department, "NPP Pulsar" JSC (Russia, 105187, Moscow, Okruzhnoy dr., 27, bld. 4), [email protected]
Dmitriy S. Smirnov - Head of the Laboratory, "NPP Pulsar" JSC (Russia, 105187, Moscow, Okruzhnoy dr., 27, bld. 4), [email protected]
Erich N. Vologdin - Senior Scientific Researcher, "NPP Pulsar" JSC (Russia, 105187, Moscow, Okruzhnoy dr., 27, bld. 4), [email protected]
