Рис. 35 Влияние температуры на временные характеристики компаратора при амплитуде входного сигнала 5 В и V_cm=1,5 В

Из рисунков 36, 37 видно, как температура влияет на изменение динамических параметров компаратора при напряжение смещения 2,5 В и изменение дифференциального напряжения от 2,4 В до 2,6 В. Время задержки при переключение из логического нуля в логическую единицу растет с ростом температуры и увеличивается на 27% при 300°С. Время задержки при переключение из «1» в «0» также линейно растет и достигает максимум в 96% при 300°С. Длительность фронта сигнала увеличивается на лишь на 66%, а длительность спада увеличивается на 45% при максимальной температуре.

Рис. 36 Переходная характеристика компаратора при амплитуде входного сигнала 0,2 В и V_cm=2,5 В в температурном диапазоне от 27 до 300°C

Таблица 9

Временные параметры компаратора при V_cm=2,5 В, амплитуда импульса 0,2 В

Рис. 37 Влияние температуры на временные характеристики компаратора при амплитуде входного сигнала 0,2 В и V_cm=2,5 В

Выводы по главе 5

Из анализа полученных данных можно увидеть рост времени задержек между входным и выходным сигналом и рост времени фронта и спада выходного сигнала при переключении схемы из одного состояния в другое при увеличении температуры. Кроме того, во всех режимах работы схемы с ростом температуры амплитуда выходного сигнала сохранялась на заданном уровне от V_ss до V_dd. Из сравнения режимов работы схемы компаратора при одинаковой амплитуде входного сигнала и разных значениях напряжения смещения по отношению к режиму с U_cm=2,5 В следует:

1) время задержки при переключении схемы из «0» в «1» при U_cm=3,5 В увеличивается на 44% при 27°С и на 47% при 300°С; при U_cm=1,5 В уменьшается на 8% при 27°С и на 22% при 300°С;

2) время задержки при переключении схемы из «1» в «0» меняется в пределах статистической погрешности (не более 5%) во всем температурном диапазоне;

3) длительность фронта выходного сигнала также меняется в пределах статистической погрешности во всем температурном диапазоне;

4) длительность спада выходного сигнала при U_cm=3,5 В уменьшается менее, чем на 1% при 27°С и на 13% при 300°С; при U_cm=1,5 В уменьшается менее, чем на 1% при 27°С и на 16% при 300°С;

Схема продолжает работать даже при уменьшении амплитуды входного сигнала до 0,2 В при этом:

1) время задержки при переключении схемы из «0» в «1» увеличивается на 21% при 27°С, а при 300°С разницы составляет не более 1%;

2) время задержки при переключении схемы из «1» в «0» увеличивается на 82% при 27°С и на 102% при 300°С;

3) длительность фронта выходного сигнала увеличивается на 32% при 27°С и на 84% при 300°С;

4) длительность спада выходного сигнала уменьшается на 1% при 27°С и на 12% при 300°С.

На основе полученных данных можно сделать вывод о том, что схема способна работать во всех, рассмотренных режимах в диапазоне температур от 27 до 300°С. Также, полученные модели можно использовать для моделирования электрических схем.

Заключение

Целью данной работы было оценить работоспособность элементов и фрагментов аналоговых КМОП-схем, изготовленных по субмикронной 0,5-мкм КНИ КМОП-технологии. Для достижения данной цели были решены следующие задачи:

1) Была исследована литература о высокотемпературной электронике и влияние температуры на параметры МОП транзисторов.

2) Были изучены существующие на данный момент модели МОП-транзисторов и их особенности для того, чтобы определить модель, наиболее точно описывающую работу исследуемых транзисторов в условиях повышенных температур. В качестве модели была выбрана модифицированная модель BSIMSOI для расширенного температурного диапазона.

3) Были исследованы сдвиги параметров, измеренных КНИ МОП транзисторов 0,5-мкм КМОП-технологии.

4) Была произведена экстракция параметров для выбранной модели на основе измеренных данных. Для этого использовался САПР для моделирования полупроводников устройств IC-CAP.

5) Была промоделирована и исследована схема компаратора, на основе полученных моделей, с использованием симулятора электронных схем HSPICE.

Полученная модель может использоваться для моделирования цифровых и аналоговых КМОП схем, изготовленных по данной технологии.

Библиографический список

1. A. Schmidt, “Analog Circuit Design in PD-SOI CMOS Technology for High Temperatures up to 400°C using Reverse Body Biasing (RBB),” Universitдt Duisburg-Essen, Fakultдt fьr Ingenieurwissenschaften Elektrotechnik und Informationstechnik, 2014

2. BSIMSOI4.4 MOSFET Model User's Manual. BSIM Group, UC Berkeley

3. K. O. Petrosyants, S. V. Lebedev, L. M. Sambursky, V. G. Stakhin, I. A. Kharitonov, “Temperature Characterization of Small-Scale SOI MOSFETs in the Extended Range (to 300°C),” in Proc. of 22nd International Workshop on Thermal Investigation of ICs and Systems (Therminic 2016), 2016, pp. 250-254.

4. Wolpet. D., Ampadu P., Managing Temperature Effects in Nanoscale Adaptive Systems, Springer New York, 2012.

5. Денисенко В. Компактные модели МОП-транзисторов для SPICE в микро-и наноэлектронике. - Litres, 2016.

6. Romanov Y. A. et al. Hardware-Software System for Automation of Characteristics Measurement of SOI CMOS VLSI Elements under Extreme High Temperature Conditions (up to 300° C) //Proceedings of the 2017 IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (2017 ElConRus). - IEEE, 2017. - С. 61-66.

7. Денисенко В. Моделирование МОП-транзисторов. Методологический аспект //Компоненты и технологии. - 2004. - №. 43.

8. D. MacGugan, “DM300--A 300 ?C geothermal directional module development,” in Proc. Int. Conf. HiTEC, 2012, pp. 293-300.

9. Watson, J., & Castro, G., “A review of high-temperature electronics technology and applications,” Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 2015, Vol. 26, No. 12, pp. 9226-9235.

10. J. D. Cressler and A. Mantooth, “Extreme environment electronics,” CRC Press, November 2012;

11. Bruce W. Ohme, and Mark R. Larson, “Analog component development for 300 C sensor interface applications,” in Additional Papers and Presentations 2012.HITEC (2012), pp.000199-000206.

12. Бенедиктов А. С., Игнатов П. В., Горнев Е. С., Компьютерное моделирование и экспериментальные исследования функционирования КНИ МОП-транзисторов при высоких температурах // Международная конференция «Микроэлектроника?2015». Интегральные схемы и микроэлектронные модули: проектирование, производство и применение. Сб. тезисов. Крым, г. Алушта, 28 сентября ? 3 октября 2015 г., С. 265?266;

13. Riches, S., & Johnston, C., “Electronics design, assembly and reliability for high temperature applications,” In Proc. 2015 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), pp. 1158-1161.

14. Y. P. Tsividis, Operation and Modeling of the MOS Transistor. New York: McGraw-Hill, 1987.

15. Belz, J., et al. "Temperature behaviour of CMOS devices built on SIMOX substrates," ESSDERC'90: 20th European Solid State Device Research Conference. IEEE, pp. 449-452, 1990.

16. IC-CAP 2006, User's Guide, Agilent 85190A.

17. Foty D. P. MOSFET Modeling with Spice. Principle and Practice. Prentice Hall PTR, NJ, 1997, 653 p.

18. Enz C.C., Krummenacher F., Vittoz E.A., "An analytical MOS transistor model valid in all regions of operation and dedicated to low voltage and low-current applications", J. Analog Integrated Circuit and Signal Processing< Vol.8., 1995, p.81-114.

19. Liu S., A unified CAD model for MOSFETs, ERL Memorandum No. UCB/ ERL M81/31, University of California, Berkeley, May 1981.

20. Chua L.O., Deng A., "Canonical piecewise linear representation", IEEE Trans Circuit Syst., Vol.35, No.1, 1988, p.101-111.

21. Angelov I., Rorsman N., Stenarson J., Garcia M., Zirath H., "An Empirical Table-Based FET Model", IEEE Trans. On Microwave Theory and Techniques, Vol. 47, No. 12, December 1999, p. 2350-2357.

22. Compact Model Coalition. URL: http://www.si2.org/cmc/ (дата обращения 08.04.2017)

23. Petrosyants K. O. et al. High temperature submicron SOI CMOS technology characterization for analog and digital applications up to 300° C //Thermal Measurement, Modeling & Management Symposium (SEMI-THERM), 2017 33rd. - IEEE, 2017. - С. 229-234.

24. National Instruments LabVIEW URL: http://www.labview.ru/ (дата обращения 23.04.2017)

25. HSPICE® User Guide: Simulation and Analysis Version A-2008.03, March 2008

26. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов. - Рипол Классик, 1973.

27. Епифанов Г. И. и др. Твердотельная электроника [Учеб. для вузов по спец." Радиофизика и электрон."] - 1986.

Размещено на Allbest.ru