Введение к работе
Актуальность темы. В силу сложности изделий электронной техники их проектирование разбивается на ряд иерархических уровней, каждый из которых оперирует своими моделями, математическим аппаратом и методами решения систем уравнений. Одним из наиболее важных этапов автоматизированного проектирования представляется схемотехническое моделггоование электронного устройства, точность которого определяется адекватностью используемых математических моделей. Поэтому актуальной задачей является разработка и идентификация параметров многоуровневых моделей компонентов электронных схем.
В качестве базовых моделей.в данной, работе выбраны так называемые SPlCE-модели, получившие свое название от одноименной программы схемотехнического моделирования и являющиеся в настоящее время фактическим стандартом. Они представляют собой универсальные нелинейные физические модели, на базе которых можно реализовать концепцию многоуровневых моделей, позволяющих достигать компромисса между точностью и скоростью расчета.
Хотя большинство крупных зарубежных фирм-производителей электрон
ных компонентов наряду с традиционным способом представления параметров
выпускаемых приборов поставляют и библиотеки SPICE-моделей, приводимые
в них параметры приборов заданы усредненными значениями без указания их
дисперсии и закона распределения, что не позволяет проводить имитационное
моделирование схем. Библиотеки моделей отечественных полупроводниковых
приборов фактически отсутствуют. .
Решение задачи идентификации параметров SPICE-моделей полупроводниковых приборов осуществляется на базе входных данных, которые могут быть получены одним из следующих способов:
путем измерения комплекса электрофизических и топологических параметров на тестовых структурах;
с помощью измерения вольт-амперных характеристик приборов,
комбинирования двух первых способов.
Первый вариант ориентирован на получение моделей верхнего уровня, предназначен в основном для производителей конкретного вида микроэлектронных изделий и недоступен широкому кругу разработчиков электронных схем, имеющих в своем распоряжении только справочные листки и готовые приборы. Кроме того, современные модели содержат значительное число параметров, многие из которых сложно, а иногда невозможно определить методами
теоретического расчета из-за их формального (подгоночного) характера. П( этим причинам для построения многоуровневых моделей наиболее эффектив ным представляется использование комбинированного способа. Причем полно та реализуемых с его помощью моделей будет зависеть от имеющейся в распо ряжении пользователя информации. Последние работы в области получение параметров модели были сосредоточены на алгоритмах нелинейной оптимиза ции, одновременно улучшающих все параметры на основе большого количест ва,измерений. При таком подходе избыточность параметров может привести і физически нереальному решению.
Основу комбинированного метода составляет возможность экспериментального измерения ВАХ, что требует наличия специальных автоматизированных измерительных комплексов. Имеющиеся измерительные комплексы либс малоэффективны, либо очень дороги. В связи с этим целесообразна задача раз работки і универсального измерительного комплекса, реализующего функции автоматизированного измерителя ВАХ.
По результатам электрических измерений можно определить только п параметры SPICE-моделей, которые инвариантны к технологическому процессу. Ряд параметров, таких как, например, температурные коэффициенты сопротивлений квазинейтральных областей полупроводниковых приборов, требуют для своего определения знания ряда электрофизических и топологических параметров диффузионных и имплантированных областей. Эти параметры могут быть получены из специальной документации.
Определение статистических параметров SPICE-моделей требует проведения обработки результатов, полученных из измерения характеристик большого количества однотипных приборов. Для обеспечения возможности дальнейшей обработки информации, полученной в результате серии измерений, необходима системы сбора, систематизации и обработки данных, которая может быть реализована в виде системы управления базами данных.
Апробация разработанных в данной работе методик идентификации проводилась на кремниевых диодах, биполярных и МОП транзисторах. Выбор указанных приборов связан с их распространенностью в качестве элементной базы электронных устройств и наличием развитого физико-математического аппарата для описания их работы.
Цель настоящей работы состояла в разработке методик измерения и расчета параметров SPICE-моделей полупроводниковых приборов на основании экспериментально измеренных вольт-амперных характеристик.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1) разработка измерительной установки и методики проведения измерения вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов;
-
разработка методики и программного обеспечения для определения параметров SPICE-моделей кремниевых диодов, биполярных и полевых транзисторов на основании измеренных вольт-амперных характеристик,
-
разработка методики расчета температурных параметров SPICE-моделей резистивных и квазинейтральных областей полупроводниковых приборов по электрофизическим параметрам диффузионных слоев;
-
разработка системы управления базой данных для накопления и статистической обработки результатов расчета параметров моделей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
разработаны методы уменьшения размерности пространства функций, представляющих математические модели диодов, биполярных и МОП транзисторов,
-
предложена методика расчета ряда параметров физических моделей диодов, биполярных и МОП транзисторов по измеренным вольт-амперным характеристикам;
-
разработан метод расчета температурных коэффициентов квазинейтральных областей полупроводниковых приборов по электрофизическим параметрам диффузионных слоев.
Практическая значимость работы:
-
реализована автоматизированная измерительная установка и разработана методика измерения вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов;
-
разработано программное обеспечение для определения параметров SPICE-моделей полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов по вольт-амперным характеристикам,
-
разработано программное обеспечение для расчета параметров биполярных транзисторов и диффузионных резисторов по электрофизическим характеристикам транзисторной структуры,
-
разработана система управления базой данных моделей полупроводниковых приборов.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
интеграция средств измерения и методов идентификации параметров моделей полупроводниковых приборов в единый программно-аппаратный комплекс повышает эффективность расчета параметров моделей;
-
декомпозиция уравнений модели, основанная на физических особенностях работы прибора позволяет повысить точность и уменьшить время расчета параметров модели.
Апробация результатов работы ' ;
Основные результаты работы докладывались на следующих научнс технических конференциях: на Всероссийской научно-технической конфереї ции "Электроника и информатика" (Зеленоград, 1995), на научно-техническої семинаре по шумовых и деградационным процессам в полупроводниковы приборов (Москва, 1995), на Всероссийской конференции студентов и аспираь тов "Микроэлектроника и информатика" (Зеленоград, 1997).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных ра бот, из них 7 статей, 4 тезисов докладов и 4 учебных пособия, рекомендован ных учебно-методическим объединением по образованию в области автомата ' ки, электроники, микроэлектроники и радиоэлектроники.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пят глав, заключения и списка литературы, включающего в себя 112 наименование Основная часть работы изложена на 161 странице машинописного текста. Рабе та содержит 25 таблиц, 83 рисунка.
Похожие диссертации на Программно-аппаратный комплекс измерения и идентификации параметров схемотехнических моделей полупроводниковых структур
