Д.т.н. Зольников В.К., Беляева Т.П.
Воронежская государственная лесотехническая академия,
Россия
Моделирование реакции
КМОП ИС на воздействие ИИ требует учесть все базовые элементы с учетом
дополнительных элементов, отражающих функциональные и паразитные связи между
ними. Такой подход широко применяется для схемотехнического моделирования ИС
малой и средней степеней интеграции. Если рассматривать БИС, то большое число
и сложный характер паразитных связей в общем случае не позволяют эффективно
использовать этот метод и поэтому моделирование осуществляется на основе
макромоделирования или упрощенных методах анализа.
Макромоделирование может
быть проведено на основе расчетных и расчетно-экспериментальных методов.
Применение расчетного метода возможно, если все необходимые данные для расчета
присутствуют в базе данных. Если эти данные отсутствуют, то необходимо использовать
расчетно-экспериментальный метод. Он заключается в проведении испытаний на
моделирующей установке гамма-импульса с известными амплитудно-временными и
спектрально-энергетическими характеристиками, на основе которых определяются
все параметры макромоделирования и прогнозирование реакции ИС в условиях
импульсного ИИ с любыми амплитудно-временными и спектрально-энергетическими
характеристиками. Если параметры макромоделирования определены и внесены в базу
данных, то нет необходимости в проведении предварительных испытаний, т.е.
используется расчетный метод. Библиотека исходных данных сформирована на основе
результатов испытаний ИС, полученных на различных отечественных и зарубежных
предприятиях электронной промышленности и в исследовательских центрах [1].
Этот метод позволяет
достаточно оперативно получить реакцию ИС на ИИ воздействие. Его существование
обусловлено тем, что в некоторых ситуациях требуется просто определить
показатели стойкости ИС к импульсным видам ИИ для достаточно простых ИС.
Основные требования,
предъявляемые к макромодели, следующие [2]:
- макромодель должна отражать наиболее существенные функциональные
особенности ИС при работе в статическом и динамическом режиме в условиях ИИ;
- отражать наиболее существенные радиационные эффекты гамма-,
рентгеновского и нейтронного излучения по обратимым ионизационным эффектам и
эффектам смещения;
- обеспечивать возможность определения всех параметров
макромоделирования из экспериментальных данных;
- обеспечивать требуемую точность.
Выбор установки
гамма-импульса в качестве моделирующей установки проведения предварительных
испытаний для определения параметров макромоделирования обусловлен тем, что
спектрально-энергетические и амплитудно-временные характеристики моделирующих
установок гамма-импульса наиболее соответствуют характеристикам ИИ, а также то,
что экспериментальное получение реакции ИС на МУ гамма-импульса является
достаточно апробированным методом.
Расчетная часть опирается
на основные особенности работы ИС и использует их с целью упрощения макромодели
с одновременным соблюдением условия достоверности получаемых результатов.
Достоверность модели
определяется из сравнения расчетных и экспериментальных результатов. Для этого,
используя экспериментальные реакции полученной на одной МУ, пересчитывают эту
реакцию на другую МУ. Затем проводят испытания на МУ, для которой были получены
расчетные характеристики при одних и тех же уровнях ИИ, и сравнивают
экспериментальные результаты с расчетными.
Оценка стойкости ИС к
обратимым ионизационным и структурным эффектам заключается в определении
показателей стойкости:
- уровня бессбойной
работы (УБР) - максимальной мощности дозы ИИ, при которой не происходит выхода
параметров за пределы норм ТУ и не нарушается закон функционирования ИС.
- времени потери работоспособности (ВПР) -
промежутка времени, в течение которого параметры изделий не соответствуют
нормам ТУ и (или) не выполняется заданный закон функционирования.
Следует отметить, что
результаты сравнения экспериментальных и расчетных результатов для ИС высокой
степени интеграции показали их хорошее совпадение до значений мощности доз 1012Р/с
[3].
Моделирование на основе
компонентов в составе САПР
Моделирование на основе
учета всех компонентов основано на моделировании в составе САПР, где в качестве
библиотечных элементов используются компоненты ИС [4].
Прогнозирование
подразумевает получение реакции ИС на радиационное воздействие по основным
электрическим параметрам, например, напряжению низкого уровня, напряжению
высокого уровня, функционирование ИС и т.п. В результате получается
характеристика, которая моделирует изменение электрических параметров ИС от ИИ.
Для прогнозирования на электрическом уровне в электрическую схему компонентов
вводились данные, которые позволяли учесть радиационные эффекты.
Физическое рассмотрение
процессов позволяет определить величину ионизационных токов в зависимости от
технологических параметров и параметров излучения, учесть внутренние связи в
каждом компоненте ИС, которые выражаются в виде дополнительных генераторов
токов.
Эффективность,
точность и необходимые затраты времени для моделирования радиационных эффектов
определяются в основном моделями элементов ИС и способами включения в модель
зависимостей изменения параметров приборов, от внешних и внутренних условий.
Способы включения, реализованные в подсистеме, можно классифицировать на две
группы: первая - независимое включение, вторая - с учетом взаимосвязи
эксплуатационных условий работы ИС и степенью влияния внешних воздействий.
Независимое
включение наиболее простое и не требует больших изменений в традиционной модели
прибора. Например, в модели МОП-транзистора вводится независимый генератор
ионизационного тока от паразитной биполярной структуры, а также функциональные
зависимости подвижности. Второй способ включения (с учетом всех взаимосвязей)
воплощается в сложных дифференциальных уравнениях, в которых переменными
являются: факторы внешних воздействий, токи и напряжения на элементах и т.п.
Это обеспечивает адекватное моделирование в более широком диапазоне изменения
переменных и позволяет проследить реакцию ИС на радиационное воздействие по
статическим, динамическим и функциональным параметрам.
Кроме того, наиболее
важным достоинством такого подхода является возможность проводить анализ ИС по
критерию радиационной стойкости, который состоит из нескольких этапов [5]:
- анализ ИС
(топологических, технологических и схемотехнических особенностей ее
изготовления) и условий ее эксплуатации;
- оценка факторов внешней дестабилизирующей
обстановки для каждого элемента ИС (при этом учитываются условия неоднородности
полей ИИ);
- определение
адекватности моделирования от количества внешних факторов, выбор доминирующих
факторов;
- определяется
технологический разброс параметров модели;
- проводится расчет
работоспособности ИС при наилучшем, наихудшем и наиболее вероятном сочетании
значений параметров элементов;
- производится
исследование функционирования схемы на ЭВМ с целью выявления граничных
допустимых уровней радиации для каждого из трех выбранных наборов параметров.
Полученные
результаты являются прогнозируемыми значениями радиационной стойкости и могут
быть использованы как окончательные результаты либо как исходные данные для обоснования
дальнейшего поиска других радиационно-стойких ИС или использования схемотехнических, конструктивных методов
повышения радиационной стойкости устройств.
Исследования,
проведенные авторами в области расчета параметров ИС, позволили развить и
дополнить существующие модели элементов ИС, а также разработать оригинальные
модели, которые способны моделировать реакцию ИС на импульсное ИИ воздействие.
Литература:
1. Зольников, В.К. Формирование библиотек типовых
элементов и СФ блоков [Текст] В.К.
Зольников / Моделирование систем и процессов: научно-технический журнал выпуск
3, ГОУ ВПО ВГЛТА. – Воронеж, 2011.– с. 27 – 29.
2. Чибисов, Д.Е Воздействие ионизирующего излучения на
интегральные микросхемы [Текст] Д.Е. Чибисов, В.К. Зольников / Моделирование
систем и процессов: научно-технический журнал выпуск 3-4, ГОУ ВПО ВГЛТА. – Воронеж,
2010.– с. 60 – 67.
3. Зольников, В.К. Модель расчета накопленного заряда
для учета радиационных эффектов в САПР ИЭТ [Текст] В.К. Зольников, А.П. Затворницкий / Моделирование систем и
процессов: научно-технический журнал выпуск 1-2, ГОУ ВПО ВГЛТА. – Воронеж,
2009.– с. 16 – 22.
4. Беляева, Т.П. Планирование реализации специальных
проектов [Текст] Т.П. Беляева, К.В.
Зольников, В.А. Смерек, М.В. Конарев / «Радиационная стойкость электронных
систем – Стойкость-2011»: научно-технический сборник. – М.: НИЯУ МИФИ, 2011. –
с. 239 – 241.
5. Конарев, М.В. Методы создания неисправных
библиотечных элементов на функционально-логическом уровне вследствие
радиационного воздействия [Текст] М.В.
Конарев, К.В. Зольников, Т.П. Беляева / «Радиационная стойкость электронных
систем – Стойкость-2011»: научно-технический сборник. – М.: НИЯУ МИФИ, 2011. –
с. 81 – 82.