Известия высших учебных заведений. Электроника home

Модификация SPICE-моделей КМОП-микросхем для имитации частотного отклика кольцевого генератора на низкоинтенсивное ионизирующее облучение

Раздел находится в стадии актуализации

В условиях ионизирующей радиации большое влияние на работоспособность электронных устройств на основе КМОП элементной базы оказывают поверхностные эффекты, связанные с подзатворным диэлектриком и границей раздела кремний - диэлектрик. Симулятор электронных схем общего назначения с открытым исходным кодом позволяет на этапе схемотехнического проектирования учитывать дестабилизирующие факторы и анализировать поведение интегральных микросхем в конкретных условиях эксплуатации. В работе описаны особенности схемотехнического моделирования КМОП-микросхем космического применения, учитывающие дестабилизирующее низкоинтенсивное ионизирующее воздействие. Рассмотрено изменение порогового напряжения МОП-транзисторов, наиболее чувствительного к дозовому воздействию. Выполнена модификация SPICE-модели микросхемы 1564ЛЕ1 путем включения дополнительных источников напряжения, имитирующих сдвиги пороговых напряжений n - и p -канальных МОП-транзисторов. Показано, что SPICE-модель позволяет получать отклик электронных устройств на ионизирующее воздействие в течение тысячи часов в едином запуске симулятора на типовой рабочей станции. Проведен виртуальный эксперимент с кольцевым генератором, собранным на базе микросхемы 1564ЛЕ1, для условий низкоинтенсивного ионизирующего излучения с постоянной мощностью дозы P = 0,1 рад/с в течение 5000 ч. Представлена полученная с использованием сжатия временной оси зависимость частоты автоколебаний кольцевого генератора от времени облучения.

Ключевые слова: низкоинтенсивное ионизирующее изучение, SPICE-модель, КМОП-микросхема, МОП-транзистор, пороговое напряжение, кольцевой генератор
Опубликовано в разделе: Схемотехника и проектирование
Библиографическая ссылка: Шумарин С. В., Фролова Т. Н. Модификация SPICE-моделей КМОП-микросхем для имитации частотного отклика кольцевого генератора на низкоинтенсивное ионизирующее облучение // Изв. вузов. Электроника. 2024. Т. 29. № 4. С. 514–524. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2024-29-4-514-524. – EDN: DMVIUI.

Шумарин Сергей Викторович
Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (Россия, 600014, г. Владимир, пр-т Строителей, 3/7)

Фролова Тамара Николаевна
Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых (Россия, 600014, г. Владимир, пр-т Строителей, 3/7)

1. Asadi F. Essential circuit analysis using LTspice. Cham: Springer, 2022. XI, 546 p. DOI: 10.1007/978-3-031-09853-6

2. Белоус А. И., Солодуха В. А., Шведов С. В. Космическая электроника: в 2 кн. М.: Техносфера, 2021. Кн. 1. 695 с. Кн. 2. С. 700-1183. EDN: WSVBVK
Belous A. I., Solodukha V. A., Shvedov S. V. Space electronics. In 2 books. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2021. Book 1, 695 p. Book 2, pp. 700–1183. (In Russian).

3. Селецкий A. В., Шелепин Н. A. Оценка конструктивно-технологических возможностей повышения радиационной стойкости глубоко-субмикронных СБИС // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2012. № 1. С. 588-593. EDN: PCYJMR
Seleckiy A. V., Shelepin N. A. Appraisal of constructive-technological capabilities improvement of radiation hardening deep submicron VLSI. Problemy razrabotki perspektivnykh mikro- i nanoelektronnykh sistem (MES) = Problems of Advanced Micro- and Nanoelectronic Systems Development (MES), 2012, no. 1, pp. 588–593. (In Russian).

4. Зебрев Г. И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах высокой степени интеграции // Кафедра микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ [Электронный ресурс]. 2010. URL: http://www.нано-е.рф/uploads/files/Zebrev_Radiacionnye_effekty.pdf (дата обращения: 24.04.2024).
Zebrev G. I. Radiation effects in silicon integrated circuits of high degree of integration. Kafedra mikroi
nanoelektroniki NIYaU MIFI. 2010. (In Russian). Available at: http://www.xn----7sbq3abg.xn--p1ai/uploads/files/Zebrev_Radiacionnye_effekty.pdf

5. Таперо К. И., Улимов В. Н., Членов А. М. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. 3-е изд. М.: Бином. Лаборатория знаний, 2017. 307 с.
Tapero K. I., Ulimov V. N., Chlenov A. M. Radiation effects in silicon integrated circuits of spacerelated
application. 3rd ed. Moscow, Binom. Laboratoriya znaniy Publ., 2017. 307 p. (In Russian).

6. Таперо К. И. Эффекты низкоинтенсивного облучения в приборах и интегральных схемах на базе кремния // Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2016. Т. 19. № 1. C. 5-21. -. DOI: 10.17073/1609-3577-2016-1-5-21 EDN: URIGLC
Tapero K. I. Low dose rate effects in silicon-based devices and integrated circuits: A review. Russ.
Microelectron., 2018, vol. 47, no. 8, pp. 539–552. https://doi.org/10.1134/S1063739718080127

7. Литовченко В. Г. Основы физики микроэлектронных систем металл - диэлектрик - полупроводник. Киев: Наукова думка, 1978. 316 с.
Litovchenko V. G. Fundamentals of physics of microelectronic systems metal – dielectric – semiconductor. Kyiv, Naukova dumka Publ., 1978. 316 p. (In Russian).

8. Скляр В. А. Моделирование эффектов низкоинтенсивного ионизирующего излучения в СБИС // Моделирование систем и процессов. 2014. № 2. С. 32-35. -. DOI: 10.12737/6084 EDN: SXIFYL
Sklyar V. A. Modeling the effects of low-intensity ionizing radiation in VLSI. Modelirovanie sistem i
protsessov = Modeling of Systems and Processes, 2014, no. 2, pp. 32–35. (In Russian). https://doi.org/10.12737/6084

9. Gielen G., Hernandez-Corporales L., Rombouts P. Ring oscillators and their design methodology // Time-encoding VCO-ADCs for integrated systems-on-chip: Principles, architectures and circuits / G. Gielen et al. Cham: Springer, 2022. P. 47-71. DOI: 10.1007/978-3-030-88067-5_4

10. Чжо Ко Вин. Применение ионизирующего излучения для ускоренных испытаний на надежность МОП интегральных микросхем: дис. … канд. техн. наук. М., 2013. 99 с.
Kyaw Ko Win. Ionizing radiation application for accelerated reliability tests of MOS integrated circuits, diss. for the Cand. Sci. (Eng.). Moscow, 2013. 99 p. (In Russian).

11. Кузьминова А. В., Куликов Н. А., Попов В. Д. Исследование радиационных эффектов в МОП-транзисторе с p-каналом // ФТП. 2020. Т. 54. № 8. С. 729-733. -. DOI: 10.21883/FTP.2020.08.49643.9397 EDN: MPNNPC
Kuzminova A. V., Kulikov N. A., Popov V. D. Investigation into radiation effects in a p-channel MOS
transistor. Semiconductors, 2020, vol. 54, iss. 8, pp. 877–881. https://doi.org/10.1134/S1063782620080138

12. Колосницын Б. С., Гапоненко Н. В. Полупроводниковые приборы и элементы интегральных микросхем: в 2 ч. Ч. 2: Расчет и проектирование полевых транзисторов: учеб. пособие. Минск: БГУИР, 2012. 96 с. EDN: EWLXNV
Kolosnitsyn B. S., Gaponenko N. V. Semiconductor devices and elements of integrated circuits, in 2 parts. Part 2. Calculation and design of field-effect transistors, study guide. Minsk, BSUIR, 2012. 96 p. (In Russian).

13. Fitzpatrick D. Analog design and simulation using OrCAD capture and PSpice. 2nd ed. Kidlington: Newnes, 2017. 452 p. DOI: 10.1016/C2017-0-01791-3

14. Ismail-Zade M. R. JFET and MOSFET SPICE models in a wide temperature range // Russ. Microelectron. 2021. Vol. 50. P. 486-490. DOI: 10.1134/S1063739721070064 EDN: BRJSOV

15. Шумарин С. В., Фролова Т. Н., Богачев А. М. Методика идентификации параметров Spice-моделей КМОП-микросхем по температурным зависимостям их динамических характеристик // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 2. С. 212-221. -. DOI: 10.24151/1561-5405-2023-28-2-212-221 EDN: GAROXQ
Shumarin S. V., Frolova T. N., Bogachev A. M. Technique for identification of CMOS ICs Spice models parameters by temperature dependences of their dynamic characteristics. Izv. vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 2, pp. 212–221. (In Russian). https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-2-212-221

16. Shumarin S. V., Bogachev A. M. A simple method to fit the parameters of SPICE models of transistor-level ICs in a temperature range // Russ. Microelectron. 2022. Vol. 51. Iss. 7. P. 602-605. DOI: 10.1134/S1063739722070101 EDN: GSCXCQ

17. SPICE-модель интегральной схемы 1564ЛЕ1 // ОАО "ОКБ "Экситон" [Электронный ресурс]. URL: https://okbexiton.ru/spice/1564le1.rar (дата обращения: 24.04.2024).
SPICE model of the 1564LE1 integrated circuit. OAO “OKB “Eksiton”. (In Russian). Available at: https://okbexiton.ru/spice/1564le1.rar (accessed: 24.04.2024).

18. Модифицированная SPICE-модель интегральной схемы 1564ЛЕ1 // Pastebin [Электронный ресурс]. URL: https://pastebin.com/sCJMNsMn (дата обращения: 24.04.2024).
Modified SPICE model of the 1564LE1 integrated circuit. Pastebin. Available at: https://pastebin.com/sCJMNsMn (accessed: 24.04.2024).

19. 564ЛЕ1 // ОАО "ОКБ "Экситон" [Электронный ресурс]. URL: https://okbexiton.ru/pdf/mc1564le1.pdf (дата обращения: 24.04.2024).
1564LE1. OAO “OKB “Eksiton”. (In Russian). Available at: https://okbexiton.ru/pdf/mc1564le1.pdf
(accessed: 24.04.2024).

Сведения о публикации

Загрузок: 0

УДК: 621.382.049.77:004.946
Тип публикации: Научная статья
DOI: 10.24151/1561-5405-2024-29-4-514-524
Идентификатор статьи в РИНЦ: DMVIUI

Скачать: File not found (702.73 Кб) JATS XML