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 SPICE-подобных программах адекватных моделей биполярных транзисторов, учитывающих влияние разных видов излучения. Существующие SPICE-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 SPICE-RAD-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, uA741) 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 %.
Петросянц Константин Орестович
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Россия, 123458, г. Москва, Таллиннская ул., 34; Институт проблем проектирования в микроэлектронике Российской академии наук, Россия, 124365, г. Москва, г. Зеленоград, ул. Советская, 3
Кожухов Максим Владимирович
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Россия, 123458, г. Москва, Таллиннская ул., 34
Попов Дмитрий Александрович
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Россия, 123458, г. Москва, Таллиннская ул., 34
Харитонов Игорь Анатольевич
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Россия, 123458, г. Москва, Таллиннская ул., 34
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., Steyaert M. Modeling, design, assessment of 0.4 μm SiGe bipolar VCSEL driver IC under γ-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