Моделирование параметров МОП-транзисторов в широком температурном диапазоне

Моделирование параметров МОП-транзисторов в широком температурном диапазоне

А.М. Пилипенко, В.Н. Бирюков Введение

В настоящее время для реализации избирательных усилителей в системах на кристалле широко используются МОП-транзисторы, которые позволяют расширить диапазон рабочих частот усилителей и существенно упростить согласование их звеньев [1]. Для улучшения основных характеристик МОП-транзисторов и повышения их надежности усилительные устройства часто работают при низких (криогенных) температурах. Охлаждение устройства позволяет увеличить крутизну МОП-транзистора и уменьшить собственные шумы [2]. Последнее особенно важно для малошумящих усилителей, которые используются в радиоприемных устройствах оптического и инфракрасного диапазона на астрономических спутниках, радиотелескопах и космических обсерваториях [3, 4]. Охлаждение до температур меньше 100 К может быть достигнуто при помещении усилителя в криогенные жидкости, полученные при ожижении газов (кислорода, азота, неона, водорода или гелия) [5].

Основными достоинствами МОП-транзисторов перед другими типами транзисторов являются наиболее развитая технология серийного производства, широкое коммерческое использование и низкая стоимость. К недостаткам МОП-транзисторов можно отнести аномальное поведение вольт-амперных характеристик (ВАХ) w-канальных МОП-транзисторов («гистерезис» и «kink-эффект»), которое наблюдается при температурах ниже 40 К [4].

Аналитические выражения для температурных зависимостей параметров МОП-транзисторов известны только для комнатных и высоких температур (290 ... 420 К) [6, 7]. Для низких температур разработан ряд моделей, позволяющих описать статические и дифференциальные

характеристики МОП-транзисторов [8, 9]. Целью настоящей работы является измерение и аппроксимация температурных зависимостей основных параметров моделей ^-канальных МОП-транзисторов в широком диапазоне температур - от криогенных до комнатных (20 ... 300 К). Указанные зависимости предназначены для моделирования температурных режимов усилителей на МОП-транзисторах в электронных симуляторах SPICE-типа. Решение данной задачи позволит прогнозировать время работоспособности устройства при изменении температуры в случаях аварийных или внештатных ситуаций, а также оптимизировать выбора хладагента и повысить надежность усилителя в условиях криогенных температур.

Описание МОП-транзисторов и их модели

В данной работе проведено измерение параметров моделей для ряда температур и получены зависимости параметров от температуры для двух тестовых образцов ^-канальных МОП-транзисторов с поликремниевым затвором. Первый транзистор с размерами W~ 50 мкм и L ~ 50 мкм (W / L = 50/50), где W и L- ширина и длина канала соответственно был изготовлен специально для целей измерения параметров. Второй транзистор с размерами W~ 10 мкм и L ~ 6 мкм (W / L = 10/6) соответствовал транзисторам усилительного устройства. Выбор сравнительно большой длины канала объясняется необходимостью снижения собственных шумов транзисторов.

В работе [9] показано, что для достаточно точного описания статических ВАХ МОП-транзистора при низких температурах можно использовать компактную пятипараметрическую модель, которая имеет следующий вид

I = в

1 + kVDE 1+ 0VG

где I - ток стока; VGS, VDS - напряжения затвор-исток и сток-исток соответственно; VG = VGS- VT0 - напряжение отсечки; VS = (j1 + 2kVg - 1)/к -

напряжение насыщения; УВЕ = 0,5

УВ8 "V+ (УпБ - У8 )2 +4+ V2

Уш = 0,5

Увз +4У*1 + ( - 0,У )2-л1 У2 +(0,9У2)2

Уе0 = 10 мВ и

Уе1 = 10Уе0 - формальные константы; в, УТ0, X, к, 0 - параметры модели.

Все параметры модели (1) являются физическими: в - удельная крутизна; Ут0 - пороговое напряжение; X - коэффициент модуляции длины канала напряжением стока; к - параметр, учитывающий снижение подвижности носителей заряда в продольном электрическом поле канала; 0 -параметр учитывающий влияние поперечного поля на подвижность носителей заряда. Следует отметить, что для повышения точности моделирования ВАХ, вместо модели (1) можно использовать таблично-аналитическую модель, описанную в работе [10] и имеющую те же физические параметры.

Методика измерения параметров модели

Основными параметрами модели МОП-транзистора являются удельная крутизна, пороговое напряжение и коэффициент модуляции длины канала -в, Уто и X [9]. Параметры, учитывающие зависимость подвижности носителей заряда от величины поперечной и продольной составляющих электрического поля существенно влияют на точность модели, но являются плохо обусловленными (их величина наиболее сильно зависит от выбранной для измерения области ВАХ и числа измерений) [11]. Классификация параметров необходима для организации их измерений. Если все параметры определять одновременно, то оптимизация целевой функции в методе наименьших квадратов при различных температурах приводит к значительному хаотическому изменению параметров. Для повышения обусловленности параметрической идентификации вспомогательные параметры определялись приближенно на образцах транзисторов с размерами Ж ~ 50 мкм и Ь ~ 50 мкм и далее считались заданными. Падение точности моделирования оказывается

при этом несущественным, а процедура численнои оптимизации значительно упрощается за счет снижения размерности задачи.

Численные эксперименты показали, что для получения наибольшей точности моделирования ВАХ исследуемых в данной работе МОП-транзисторов следует положить к = 0,02 В - \ 0 = 0,1 В - \ В качестве целевой функции использовалась сумма квадратов относительных погрешностей моделирования тока

/ ( V ^ , V ^ , ) — /, 2

I (Vgs, k, Vds, k) - Ik

Ik

где {I k, VGS k, VDS k}, k = 1, 2, ..., N - экспериментальная ВАХ МОП-транзистора в табличной форме, N - количество точек ВАХ.

Следует отметить, что параметр X определяет наклон пологого участка выходных ВАХ и не имеет физического смысла на крутом участке, поэтому для его идентификации использовались только те точки экспериментальной ВАХ, которые лежат на пологом участке. При W /L = 50/50 значение X оказалось значительно меньше единицы (X ~ 10 - 4 .10 - 3 В-1), поэтому зависимость X(T) в этом случае достоверно измерить не удалось. При

_3 _1

W/L = 10/6, как показано ниже, значение X значительно больше, чем 10 В и зависит от температуры.

ВАХ исследуемых МОП-транзисторов измерялись при пяти температурах - 20, 40, 80, 160 и 300 К. На рис. 1 приведены экспериментальные (прямоугольники) и расчетные (линии) ВАХ МОП-транзистора с размерами W ~ 50 мкм и L ~ 50 мкм при температурах 20 и 300 К, а на рис. 2 приведены аналогичные ВАХ МОП-транзистора с размерами W ~ 10 мкм и L ~ 6 мкм. Во всех случаях определялись

среднеквадратические погрешности моделирования ВАХ а = VSTN: при W /L = 50/50 - а < 0,5 %, при W/L = 10/6 - а < 3,2 %.

0 2 4 6 \VdsI В 0 2 4 6 В

а) б)

Рис. 1. - Расчетные и экспериментальные ВАХ МОП-транзистора с размерами Ж~ 50 мкм и Ь ~ 50 мкм при Т = 20 К

а) б)

Рис. 2. - Расчетные и экспериментальные ВАХ МОП-транзистора с размерами Ж~ 10 мкм и Ь ~ 6 мкм при Т = 20 К

Аппроксимация температурных зависимостей параметров модели

Температурные зависимости параметров моделей аппроксимируются или физически или формально. Разработка физической температурной модели крайне трудоемка и такая модель требует постоянной проверки и корректировки при изменении технологического процесса изготовления транзисторов. Формальная аппроксимация максимально оперативна и максимально достоверна. В настоящей работе использована аппроксимация зависимостей основных параметров модели МОП-транзистора от температуры дробно-рациональной функцией

У

1 + а • т

где а, Ь, с, а - параметры аппроксимации.

Относительная погрешность аппроксимации при температуре Т имеет

вид

У(Т ) - У;

5;

У;

где у(Т) - значение параметра МОП-транзистора, полученное с помощью функции (2); у; - измеренное значение параметра МОП-транзистора при температуре Т;.

Вид аппроксимирующей функции выбран таким образом, чтобы при использовании метода наименьших квадратов задача параметрической оптимизации всегда имела единственное решение, - три из четырех параметров входят в выражение (2) линейно, то есть задача численного спуска сводится к одномерной (аналогичный прием использован в [11]). На рис. 3 представлены измеренные зависимости параметров МОП-транзисторов от температуры и функции, аппроксимирующие эти зависимости (сплошные линии), кривая 1 соответствует Ш/Ь = 10/6, кривая 2 - Ш / Ь = 50/50.

0 100 200 300 г, к в)

100 200 300 Г, К б)

Рис. 3. - Зависимости параметров в, | УТ0\ и X от температуры при Ш/Ь = 10/6

В рассмотренных выше примерах задача оптимизации оказалась очень хорошо обусловленной, что позволило получить параметры аппроксимации не только в среднеквадратическом, но и в равномерном приближении. Такой подход позволяет минимизировать максимальную относительную погрешность аппроксимации и одновременно получить ее апостериорную оценку. На рис. 4 показаны вычисленные по формуле (3) зависимости от температуры относительных погрешностей аппроксимации параметров МОП-транзистора с размерами Ж ~ 10 мкм и Ь ~ 6 мкм, кривая 1 соответствует параметру в, кривая 2 - \ УТ0\, кривая 3 - X.

Рис. 4. - Зависимости от температуры относительных погрешностей аппроксимации параметров в

Из результатов, приведенных на рис. 4 следует, что максимальная относительная погрешность аппроксимации температурных зависимостей параметров МОП-транзистора с помощью формальной модели (2) не превышает 1 %. Погрешность аппроксимации не растет на краях интервала наблюдения, что позволяет при необходимости увеличить его без замены аппроксимирующей функции.

Выводы

В работе получены экспериментальные зависимости основных параметров МОП-транзистора от температуры в широком диапазоне температур - от 20 до 300 К. Предложена модель в виде дробно-рациональной функции, позволяющая с высокой точностью

аппроксимировать все измеренные температурные зависимости. При использовании предложенной аппроксимирующей функции ошибка определения параметров МОП-транзистора может быть получена существенно меньше разброса параметров в технологическом процессе.

Работа выполнена при поддержке стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (СП-398.2012.5).

Литература:

1. Жебрун Е.А., Миляева С.И., Прокопенко Н.Н. Высокочастотные избирательные усилители и полосовые фильтры на КМОП транзисторах SiGe техпроцесса [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона, 2012, № 3. - Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1033 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

2. Бирюков В.Н., Пономарев А.М., Ципис Н.Л. Исследование вольтам-перных и шумовых характеристик полевых транзисторов с изолированным затвором при низких температурах // Известия вузов МВ и ССО СССР. Радиоэлектроника, 1986, Т. 29, № 11. - С. 92-94

3. Fanson J. L., Fazio G. G., Houck J. R., Kelly T., Rieke G. H., Tenerelli D. J., Whitten T. Space infrared telescope facility (SIRTF) // Proceedings of SPIE, 1998, V. 3354. - P. 57-65.

4. Nagata H., Shibai H., Hirao T., Watabe T., Noda M., Hibi Y., Kawada M., Nakagawa T. Cryogenic Capacitive Transimpedance Amplifier for Astronomical Infrared Detectors // IEEE Transactions on Electron Devices, 2004, V. 51, N. 2. -P. 270-278.

5. Алфеев В.Н. Полупроводники, сверхпроводники и параэлектрики в криоэлектронике: свойства и применение в криоэлектронных интегральных схемах и приборах структур на основе контактов полупроводников, сверхпроводников и параэлектриков [Текст]. - М.: Сов. радио, 1979. - 408 с.

6. Cheng Y., Imai K., Jeng M., Liu Z., Kai C., Hu C. Modelling temperature effects of quarter micrometre MOSFETs in BSIM3v3 for circuit simulation // Semiconductor Science and Technology, 1997, V. 12, No. 11. - P. 1349-1354.

7. HSPICE Reference Manual: MOSFET Models. Version D-2010.12 -Synopsys, Inc., 2010. - 768 p.

8. Kan J., Weifeng S., Longxing S. A sub-circuit MOSFET model with a wide temperature range including cryogenic temperature // Journal of Semiconductors, V. 32, N. 6. - Available at: http://dx.doi.org/10.1088/1674-4926/32/6/064002.

9. Пилипенко А.М. Бирюков В.Н. Исследование параметров полевых транзисторов с изолированным затвором при низких температурах [Текст] // Успехи современной радиоэлектроники, 2011, № 9. - С. 66-70.

10. Бирюков В.Н., Пилипенко А.М., Семерник И.В. Таблично-аналитическая модель полевого транзистора для криогенных температур [Электронный ресурс] // Инженерный вестник Дона, 2012, № 4, Ч. 2. - Режим доступа: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1402 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

11. Бирюков В.Н. Оценка точности определения параметров моделей полевого транзистора [Текст] // Известия вузов. Электроника, 2010, № 5. -С. 39-44.