CC BY
57
УДК 681.324.687
ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА УСИЛИТЕЛИ ВЫБОРКИ / ХРАНЕНИЯ С КМОП-СТРУКТУРОЙ И ПОДЛОЖКОЙ «КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ»
С.И. Рембеза, В.С. Кононов
Проведен анализ чувствительности усилителя выборки/хранения в режиме хранения к воздействию импульсных ионизирующих излучений. Показано, что усилитель выборки/хранения на основе двух конденсаторов и КНИ-подложки с толщиной слоя кремния на изоляторе, равной глубине сток/истоковых областей, имеет наиболее высокую стойкость к таким излучениям
Ключевые слова: кремний на изоляторе, КМОП, УВХ, ионизирующее излучение
Воздействие ионизирующих излучений на полупроводниковые и диэлектрические материалы и, в первую очередь, на 8І и 8Ю2 изучено достаточно подробно [1, 2]. Однако применение полученных знаний к конкретным микросхемам на этапе их проектирования имеет, в основном, качественный характер, так как возникновение и развитие эффектов и механизмов деградации под воздействием ионизирующих излучений существенно зависит от технологических и схемотехнических решений. Но даже качественная оценка при выборе таких решений является, как правило, очень полезной.
В данной статье мы ограничимся рассмотрением влияния фототоков,
инициированных излучением, на работу
усилителей выборки/хранения (УВХ) в режиме хранения. Будем анализировать КМОП-
структуру с подложкой «кремний на
изоляторе» (КМОП-КНИ), в которой толщина слоя кремния на изоляторе (^ = 0,14-0,19 мкм) равна глубине сток/истоковых областей (рис. 1). Такая структура имеет наиболее
высокую стойкость при воздействии
импульсных излучений по сравнению с другими КМОП-структурами на объемном кремнии и изолирующих подложках [1].
I. Анализ фототоковой чувствительности УВХ в режиме хранения
В аналого-цифровых преобразователях (АЦП) УВХ являются наиболее уязвимыми элементами. Это обусловлено тем, что в
составе УВХ используются встроенные конденсаторы, зарядовое состояние которых
Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. (473) 243-76-95
Кононов Владимир Сергеевич - ВГТУ, соискатель, тел. (473) 223-46-79
1 И '// 1 С
^ П+ р П+ ^
'// У/У/,
р
/
Рис. 1. ММОП-КНИ-структура с изоляцией ВЮ2:
1 - разделительная изоляция; 2 - скрытая изоляция
может измениться под воздействием импульсных ионизирующих излучений.
Уменьшить влияние импульсных излучений можно, если УВХ построить по дифференциальной схеме на основе двух конденсаторов с подключением нижних обкладок этих конденсаторов к общей шине в одной точке (рис. 2).
иф
J
и
и
Рис .2. Дифференциальный УВХ (одна половина):
Иф - напряжение синхронизации
В этом случае зарядовое состояние обоих конденсаторов в режиме хранения в результате излучений будет изменяться приблизительно на одинаковую величину
ДО! * Д02 = Схр-ДЦ
(1)
где ДИ = ДЦ * ДИ2 - изменение синфазного напряжения на конденсаторах емкостью Схр.
З
2
хр
Дифференциальное напряжение на конденсаторах, наоборот, останется практически без изменения, так как
Идиф = И - и2 = (И - ди) - (И2 - ДИ). (2)
Рассмотрим этот процесс более подробно.
В режиме хранения (Иф = 0) транзистор Т закрыт, а зарядовое состояние конденсатора Схр будет определяться напряжением Ихр , до которого этот конденсатор был заряжен в предшествующий момент времени при Иф = 1.
В обычных условиях в течение времени хранения напряжение Ихр практически не изменяется, так как собственные утечки конденсатора Схр и транзистора Т чрезвычайно малы. Предполагается, что утечка по входу выходного буфера также очень мала, так как входная емкость буфера Свх << Схр .
Ситуация существенно изменяется при воздействии импульса ионизирующего излучения. Под воздействием такого импульса в стоковом рп-переходе закрытого транзистора Т происходит генерация электронно-дырочных пар, которые разделяются внутренним электрическим полем и дрейфуют из обедненной области, что приводит к
образованию мгновенной составляющей фототока. Кроме этой составляющей фототока, возникает также, так называемая,
запаздывающая составляющая, связанная с диффузией и дрейфом неравновесных носителей заряда из областей, прилегающих к обедненной области стокового рп-перехода.
Анализ ответных реакций КМОП-
транзисторов, полученных в процессе импульсных воздействий, показывает, что ионизирующие импульсы и импульсы фототока почти не отличаются как по форме, так и по времени действия [2]. Это указывает на кратковременность процесса релаксации фототока при типичной длительности импульсов излучения Ти = 15-200 нс и
позволяет принять допущение
1ф = сош! при Іхр << Т,
(3)
где 1ф - фототок, протекающий через стоковый рп-переход закрытого транзистора Т в течение времени хранения 1хр ~ 0,5-2 нс.
Необходимо отметить, что допущение (3) выполняется даже на спадающем участке импульса, так как протяженность этого участка также во много раз больше 1хр. Однако нас, в основном, интересует амплитудное значение 1ф,
при котором изменение заряда на конденсаторе Схр будет наибольшим.
В результате допущения (3) УВХ в режиме хранения можно представить эквивалентной схемой (рис. 3).
Их
1ф 4
Рис.3. Эквивалентная схема УВХ в режиме хранения Из этой схемы следует
М-р
Откуда с учетом (3) получим
Лияр1г "с“5
где ДИхр - изменение напряжения
конденсаторе Схр в течение времени !хр.
на
Для
хр
оценки
ДИ.
хр
воспользуемся
выражением для 1ф из [2]:
1ф = q•A•G•(Wоб + Ьр + Ьп)
(6)
где д = 1,6-10' Кл - заряд электрона, А -площадь стокового рп-перехода, О - темп генерации электронно-дырочных пар, ’об -ширина обедненной области стокового рп-перехода, а Ьр и Ьп - эффективные длины диффузии неосновных носителей заряда в областях п-типа и р-типа, прилегающих к обедненной области.
Следует сказать, что при изменении Ихр первый член в круглых скобках в выражении (6) также должен изменяться, так как ’об ~ 1 ■! I1.., Здесь фк - контактная разность
потенциалов. Однако то, что в этом случае допущение (3) остается в силе, говорит о преобладающем влиянии второго и третьего членов в круглых скобках. В самом деле, согласно опытным данным, полученным при реальной ширине транзистора ’т >> ’об, длине канала Ьк = 0,18 мкм > ’об , концентрации примеси в подканальной области N3 ~ 1014 -1015 см-3 и толщине слоя кремния на изоляторе
dsl = 0,14-0,19 мкм,
Ьп ~ 1-2 мкм > Ьр ~ 0,5-1 мкм > ’об. (7)
С учетом (5), (6) и (7) получим q A G - (Lp + 1я"
Обозначим
■ Г
'*Р
G* = G/4,3-1019,
(9)
где О* - темп генерации электронно-дырочных пар, заданный в [рад/с].
В итоге с учетом А = ’т ^ найдем
<1*, (Ц + 1„) ■ I™
¿^<6,9 т р---------------(ю;
Чр
II. Результаты
На рис.4 приведена зависимость ДИхр(О*), рассчитанная при типичных значениях ’т = 120 мкм, dsl = 0,19 мкм, Ьр + Ьп ~ 3 мкм, Схр = 2,5 пФ и 1хр = 2 нс.
Рис. 4. Изменение напряжения на конденсаторе под воздействием ионизирующего излучения
Из этой зависимости следует, что при воздействии импульсных излучений с темпом G = 107-1011 рад/с максимальное изменение напряжения на конденсаторе не превышает 5% от минимально возможного диапазона дифференциальных напряжений на входе УВХ. Поэтому можно ожидать, что при таких уровнях излучения УВХ (рис.2) не будет
приводить к заметным сбоям в работе АЦП со структурой (рис. 1).
Нетрудно показать, что реализация аналогичного УВХ на объемном кремнии и на изолирующих подложках с толщиной слоя кремния, превышающей глубину
сток/истоковых областей, приведет к увеличению Лихр в 4-6 раз и более, так как во столько же раз увеличится площадь стокового pn-перехода.
При таком изменении Лихр заряд на конденсаторе Схр уменьшится на столько, что будет трудно ожидать устойчивой работы УВХ и, в целом, АЦП.
III. Заключение
Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:
1. Рассмотренный УВХ на основе двух конденсаторов и КМОП-КНИ-структуры с толщиной слоя кремния на изоляторе, равной глубине сток/истоковых областей, сохраняет устойчивую работу в режиме хранения при воздействии импульсных ионизирующих излучений с темпом 107-1011 рад/с.
2. Аналогичный УВХ на объемном
кремнии и на изолирующих подложках с толщиной слоя кремния на изоляторе, превышающей глубину сток/истоковых
областей, имеет в 4-6 раз более высокую чувствительность к импульсным воздействиям и, следовательно, менее устойчив в работе.
Литература
1. Эффекты космической радиации в микроэлектронике / Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. - 1988. - т.76. - №11, с. 52.
2. Waters L. High-Performance SPICE development including an analytical transient photocurrent BJT model / L. Waters end al // Sandia National Laboratories, Albuquerque. - SAND2000-1999J.
Воронежский государственный технический университет
THE INFLUENCE OF PULSE IONIZING RADIATION ON SILICON-ON-INSULATOR
CMOS TRACK AND HOLD AMPLIFIERS
S.I. Rembeza, V.S. Kononov
The analysis of sensitivity of track and hold amplifiers to pulse ionizing radiation was done. It is shown, that silicon-on-insulator track and hold amplifiers with two capacitors and width of silicon layer on insulator equal to the depth of drain/source regions, has the highest sustainability to this radiation
Key words: silicon-on-insulator, CMOS, THA, ionizing radiation
