1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2024-29-5-640-657GIGWRQ621.375.024:621.382.3:544.54Схемотехника и проектированиеAnalysis of radiation exposure effects on the characteristics of an operational amplifier using the universal SPICE-RAD model of bipolar transistorsАнализ влияния радиационных эффектов на характеристики операционного усилителя с использованием универсальной SPICE-RAD-модели биполярных транзисторовПетросянц Константин ОрестовичПетросянцКонстантин ОрестовичPetrosyantsKonstantin O.Konstantin O. PetrosyantsКожухов Максим ВладимировичКожуховМаксим ВладимировичKozhukhovMaksim V.Maksim V. KozhukhovПопов Дмитрий АлександровичПоповДмитрий АлександровичPopovDmitriy A.Dmitriy A. PopovХаритонов Игорь АнатольевичХаритоновИгорь АнатольевичKharitonovIgor A.Igor A. KharitonovКорнеев Сергей ВикторовичКорнеевСергей ВикторовичKorneevSergey V.Sergey V. KorneevДюканов Павел АлексеевичДюкановПавел АлексеевичDukanovPavel A.Pavel A. DukanovСмирнов Дмитрий СергеевичСмирновДмитрий СергеевичSmirnovDmitriy S.Dmitriy S. SmirnovВологдин Эрих НиколаевичВологдинЭрих НиколаевичVologdinErich N.Erich N. VologdinНациональный 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, 3Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Россия, 123458, г. Москва, Таллиннская ул., 34АО «НПП «Пульсар», Россия, 105187, г. Москва, Окружной пр-д, 2730012026Том. 29 №5640657http://ivuz-e.ru/issues/Том 29 №5/analiz_vliyaniya_radiatsionnykh_effektov_na_kharakteristiki_operatsionnogo_usilitelya_s_ispolzovanie/

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 %.

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 %.

операционные усилителибиполярные транзисторыSPICE-моделиSPICE-моделированиерадиационные излучениямощность дозы излученийoperational amplifiersOp-Ampsbipolar transistorsBJTsSPICE modelsSPICE simulationradiationsdose rateработа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант № 23-22-00313).the work has been supported by the Russian Science Foundation (grant no. 23-22-00313). 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.2004.1368054Modeling 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/10.1117/12.2180758Mikkola 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.2007.903185Jagannathan 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.2010.2056699Leroux 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.2009.2018840Deng 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.2003.821391Gain 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/10.1109/23.556919Petrosjanc 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.1993.292901Van 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.2006.880949Радиационная стойкость изделий ЭКБ / под ред. А. И. Чумакова. М.: НИЯУ «МИФИ», 2015. 512 с.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.2008.2011485Таперо 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.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/10.1109/23.819128SPICE-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.2018.8337211opt_ex06: Gummel–Poon bipolar model extraction // SILVACO [Электронный ресурс]. URL: https://silvaco.com/examples/utmost4/section1/example6/index.html (дата обращения: 15.07.2024).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.2017.8115474Ding 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.2018.007316Modeling 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.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_0000000051Modeling 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