CC BY
1СХЕМОТЕХНИКА И ПРОЕКТИРОВАНИЕ CIRCUIT ENGINEERING AND DESIGN
Научная статья УДК 621.3.040.774.2
doi:10.24151/1561-5405-2024-29-6-787-791 EDN: DYUHIH
Изменение характеристик аналогового выходного каскада при воздействии низкоинтенсивного излучения
В. В. Матешева, В. Д. Попов
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Москва, Россия
Аннотация. При использовании МОП ИМС в аппаратуре космических объектов возникает задача оценки радиационной стойкости на стадии испытания тестовых структур. При длительном низкоинтенсивном облучении МОП-транзистора накопленный заряд на ловушках подзатворного оксида уменьшается из-за рекомбинации с электронами, которые переносятся из кремния в результате эмиссии Шоттки. Поэтому основное влияние на параметры МОП-транзистора оказывает заряд поверхностных ловушек на границе раздела Si-SiO2. В работе представлены результаты прогнозирования характеристик выходного каскада на МОП-транзисторах при воздействии низкоинтенсивного ионизирующего излучения. Показано увеличение крутизны ВАХ при возрастании плотности поверхностных дефектов на линейном участке, что вызвано отрицательным зарядом поверхностных дефектов на границе раздела Si-SiO2 и снижением тока на пологом участке ВАХ. Расчеты сделаны на основе данных, полученных в эксперименте по облучению гамма-лучами МОП-транзисторов, и измерений ВАХ с помощью измерителя характеристик полупроводниковых приборов типа Agilent B1500A.
Ключевые слова: выходной каскад, гамма-излучение, МОП-транзистор
Благодарность: авторы выражают благодарность А. Ф. Кожину за помощь в проведении дозиметрии гамма-излучения.
Для цитирования: Матешева В. В., Попов В. Д. Изменение характеристик аналогового выходного каскада при воздействии низкоинтенсивного излучения // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 6. С. 787-791. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-6-787-791. - EDN: DYUHIH.
© В. В. Матешева, В. Д. Попов, 2024
Original article
Changes in the characteristics of the analog output stage when exposed to low-intensity radiation
V. V. Matesheva, V. D. Popov
National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute), Moscow, Russia
Abstract. While using MOS ICs in equipment for space objects, the task of assessing radiation resistance during the testing phase of test structures arises. With prolonged low-intensity irradiation of the MOSFET, the accumulated charge on the gate oxide traps decreases due to recombination with electrons that come from silicon as a result of Schottky emission. Therefore, the main impact on the MOSFET parameters is exerted by the charge of surface traps at the Si-SiO2 interface. In this work, the results of characteristics forecast of the MOSFET output stage with exposure to low-intensity ionizing radiation are presented. It has been demonstrated that the slope of the current-voltage characteristic increases with an increase in the density of surface defects at straight line portion, which is due to negative charge of surface defects at the Si-SiO2 interface and a decrease in current on the flat section of current-voltage characteristic. The calculations are based on data obtained in an experiment on the gamma-ray emission of MOSFETs and on measurements of the current-voltage characteristics using an Agilent B1500A semiconductor device characteristic meter.
Keywords, output stage, gamma radiation, MOS transistor
Acknowledgments, the authors express their gratitude to A. F. Kozhin for assistance in conducting gamma radiation dosimetry.
For citation. Matesheva V. V., Popov V. D. Changes in the characteristics of the analog output stage when exposed to low-intensity radiation. Proc. Univ. Electronics, 2024, vol. 29, no. 6, pp. 787-791. https,//doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-6-787-791. -EDN. DYUHIH.
Введение. При моделирующих испытаниях устройств на МОП-транзисторах чаще всего используется низкоинтенсивное облучение гамма-излучением [1]. При этом снижается эффект зарядки дефектов в объеме оксидной пленки из-за эмиссии электронов из кремния в результате эмиссии Шоттки [2]. Поэтому основное влияние на изменение характеристик МОП-транзистора в этом случае обусловлено образованием поверхностных дефектов (ловушек) на границе раздела Si-SiO2.
Цель настоящей работы - исследование изменения характеристик выходного каскада на МОП-транзисторах при низкоинтенсивном облучении гамма-излучением по результатам испытания тестовых транзисторов.
Эксперимент. Проведены исследования радиационных эффектов в выходном каскаде, построенном на МОП-транзисторах с п-каналом (рис. 1) [3]. МОП-транзисторы облучали в вертикальном канале, установленном в шахте-хранилище реактора ИРТ (НИЯУ МИФИ). Мощность дозы гамма-излучения, равная 0,1 рад/с, контролировалась прибором ДК-101. Облучение проводили в пассивном режиме (все выводы МОП-транзистора соединены между собой). До и после каждого этапа облучения измеряли зависимость тока стока Ic от напряжения на затворе U3 МОП-транзисторов при напряжении
Iq, m А 4,0-10"4 3,5-10"4 3,0-10"4 2,5-10"4 2,0-10"' 1,5 10 1,0-10"' 5,0-10":
-4
-5,0 10
1-5
h ,2
/Л 13 14
г
h У
/
/
/
Y
О 0,5
,0 1,5 2,0 2,5
(У3, В
Рис. 1. Схема выходного каскада с нагрузкой (U31 и U32 - напряжения на затворе первого и
второго транзистора соответственно) Fig. 1. Output stage diagram with load (U31 and U32 - gate voltages of the first and second transistor, respectively)
Рис. 2. ВАХ МОП-транзисторов при разных дозах гамма-излучения D: 1 - 0 крад; 2 - 90 крад;
3 - 190 крад; 4 - 294 крад Fig. 2. Current-voltage characteristics of the MOSFET at different doses of gamma radiation D: 1 - 0 krad; 2 - 90 krad; 3 - 190 krad; 4 - 294 krad
на стоке Uc = 3 В с использованием анализатора характеристик полупроводниковых приборов типа Agilent B1500. Результаты измерений представлены на рис. 2.
Измерения ВАХ МОП-транзисторов показали, что в начале облучения образуется заряд в объеме подзатворного оксида, а затем начинается процесс образования поверхностных дефектов на границе раздела Si-SiO2. Этот процесс вызывает сдвиг порогового напряжения AU3 в сторону больших напряжений на затворе МОП-транзистора:
q
AU„ =■
C
-AN
измене-
где q - заряд электрона; Cox - удельная емкость подзатворного оксида; Л^.д ние плотности поверхностных дефектов (поверхностных состояний).
Результаты расчета плотности представлены на рис. 3. В случае использования стоковой характеристики при постоянном напряжении на затворе вклад заряда поверхностных дефектов составляет часть общей плотности поверхностных дефектов (кривая 2 на рис. 3). Это обусловлено наведением заряда в стоке МОП-транзистора зарядом поверхностных дефектов на границе раздела БьБЮг, которые находятся вблизи стока. Это явление называется эффектом короткого канала [4]. В результате область пространственного заряда (ОПЗ) в области канала под затвором расширяется, поскольку к заряду, индуцированному потенциалом затвора через емкость оксида, добавится заряд, индуцированный положительным напряжением стока. Расчет проводили с использованием выражения
Я
ANn
1,610' 1,2-Ю1 810 410
-2
10
10
1
2
о
50 100 150 200 250 Д крад
AUC =
■AN„
где лис - сдвиг напряжения на стоке
МОП-транзистора под действием части заряда поверхностных дефектов.
Рис. 3. Изменение плотности поверхностных дефектов А^пд при облучении: 1 - общая
плотность; 2 - часть общей плотности Fig. 3. Change in the density of surface defects А^п.д during irradiation: 1 - total density; 2 - part of the total density
Сравнивая кривые 1 и 2 на рис. 3, можно оценить долю поверхностных дефектов, которые создают электрическое поле в стоке МОП-транзистора. Доля с увеличением поглощенной дозы достигает 80 %.
Результаты исследования. В работе использовали универсальную модель МОП-транзистора [5], которая описывает как крутой, так и пологий участки ВАХ. В этой модели применяли значения токов стока 1С и напряжений на стоке UC и затворе иЗ следующим образом:
П1 / Кис л 1 — ехр(--—)
Ic = Ak(U3 - Uо )2
U - U0
(1)
где /н = Лк(из — и )2 - ток насыщения на границе крутого и пологого участков ВАХ; А и К - параметры модели; к - крутизна МОП-транзистора; и0 - пороговое напряжение.
По результатам расчетов с использованием выражения (1) построен график зави-
симости
Рис. 4. Изменение модельной ВАХ при разных дозах гамма-излучения D: -■- 0 крад;
-▲- 90 крад; -♦- 190 крад; — 294 крад Fig. 4. Changes in the model current-voltage characteristic at different doses of gamma radiation D: -■- 0 krad; -▲- 90 krad; -♦- 190 krad; 294 krad
Ic I.
UЗ - U0
) при разных дозах и
определены постоянные значения параметров модели А = 1,01 и К = 1,7. Изменение ВАХ в модели (1) при разных дозах гамма-излучения представлено на рис. 4. Наблю-
дается монотонное увеличение крутого участка модельной ВАХ.
крутизны
Рис. 5. Дозовое изменение ВАХ выходного каскада при нагрузке R = 100 Ом: -♦- 0 крад; -■- 90 крад; -•- 190 крад; -▲- 294 крад Fig. 5. Dose changes in the current-voltage characteristics of the output stage at a load of R = 100 Ohm: -♦- 0 krad; -■- 90 krad; -•- 190 krad; -▲- 294 krad
Изменения в выходном каскаде аналоговой схемы под действием гамма-излучения показаны на рис. 5. Видно увеличение наклона крутой части ВАХ и снижение высоты на пологом участке. Сдвиг на крутом участке обусловлен зарядом поверхностных дефектов. Этот результат является следствием эффекта короткого канала.
Заключение. Проведенные исследования показали повышение крутизны ВАХ выходного каскада на линейном участке. Это вызвано отрицательным зарядом поверх-
ностных дефектов на границе раздела Si-SiO2, который наводит электрическое поле в области стока вследствие эффекта короткого канала. Кроме того, наблюдается снижение тока на пологом участке ВАХ.
Литература
1. Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие на бортовую аппаратуру космических аппаратов / под науч. ред. Г. Г. Райкунова. М.: Физматлит, 2013. 255 с.
2. Лебедев А. А., Орлова А. Ю., Попов В. Д. Роль эмиссии электронов в образовании поверхностных состояний в МОП-структуре при облучении гамма-лучами // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. 2011. № 1. С. 19-22. EDN: NWHIDB.
3. Эннс В. И., Кобзев Ю. М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем: краткий справочник разработчика. М.: Горячая линия - Телеком, 2005. 454 с.
4. Yau L. D. A simple theory to predict the threshold voltage of short-channel IGFET's // Solid State Electron. 1974. Vol. 17. Iss. 10. P. 1059-1063. https://doi.org/10.1016/0038-1101(74)90145-2
5. Мырова Л. О., Попов В. Д., Верхотуров В. И. Анализ стойкости систем связи к воздействию излучений. М.: Радио и связь, 1993. 267 с.
Статья поступила в редакцию 26.12.2023 г.; одобрена после рецензирования 25.01.2024 г.;
принята к публикации 10.10.2024 г.
Информация об авторах
Матешева Виктория Владимировна - студентка Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (Россия, 115409, г. Москва, Каширское шоссе, 31), [email protected]
Попов Виктор Дмитриевич - доктор технических наук, профессор кафедры микро- и наноэлектроники Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (Россия, 115409, г. Москва, Каширское шоссе, 31), [email protected]
References
1. Raikunov G. G. (sci. ed.) Ionizing radiation from outer space and its impact on spacecraft equipment. Moscow, Fizmatlit Publ., 2013. 255 p. (In Russian).
2. Lebedev A. A., Orlova A. Yu., Popov V. D. Role of electron emission in formation of the surface states in the MOS at gamma radiation. Voprosy atomnoy nauki i tekhniki. Seriya: Fizika radiatsionnogo vozdeystviya na radioelektronnuyu apparaturu = Questions of atomic science and technics. Series: Physics of radiation effects on radio-electronic equipment, 2011, no. 1, pp. 19-22. (In Russian). EDN: NWHIDB.
3. Enns V. I., Kobzev Yu. M. Design of analog CMOS microcircuits, quick reference book for developer. Moscow, Goryachaya liniya - Telekom Publ., 2005. 454 p. (In Russian).
4. Yau L. D. A simple theory to predict the threshold voltage of short-channel IGFET's. Solid State Electron., 1974, vol. 17, iss. 10, pp. 1059-1063. https://doi.org/10.1016/0038-1101(74)90145-2
5. Myrova L. O., Popov V. D., Verkhoturov V. I. Analysis of communication systems radiation resistance. Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1993. 267 p. (In Russian).
The article was submitted 26.12.2023; approved after reviewing 25.01.2024;
accepted for publication 10.10.2024.
Information about the authors
Victoria V. Matesheva - Student of National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute) (Russia, 115409, Moscow, Kashirskoe hwy., 31), [email protected]
Viktor D. Popov - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Department of Micro- and Nanoelectronics National Research Nuclear University MEPhI (Moscow Engineering Physics Institute) (Russia, 115409, Moscow, Kashirskoe hwy., 31), [email protected]
