Проектирование низкотемпературных и радиационно-стойких аналоговых микросхем для обработки сигналов

 
 
 
Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, А.В. Бугакова 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ 
И РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ 
АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ ДЛЯ 
ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ДАТЧИКОВ 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
СОЛОН-Пресс 
Москва 
2021 

 
УДК 621, 621.375(07) 
ББК 32, 32.844.1я73 
П 80 
Авторы: 
д.т.н., зав. кафедрой «Информационные системы и радиотехника», руководитель Научноисследовательской лаборатории проблем проектирования в экстремальной 
микроэлектронике ИППМ РАН (г. Зеленоград) и ДГТУ (Ростов-на-Дону) 
Н.Н. Прокопенко 
д.т.н., главный научный сотрудник ОАО «Минский научно-исследовательский 
приборостроительный институт», г. Минск, Беларусь 
О.В. Дворников 
аспирант кафедры «Информационные системы и радиотехника», 
инженер Управления научных исследований ДГТУ, г. Ростов-на-Дону 
А.В. Бугакова 
 
Рецензенты: 
член-корреспондент НАН РБ, д.т.н., профессор, Лауреат Государственной премии РБ, 
заместитель генерального директора ОАО "ИНТЕГРАЛ", 
А.И. Белоус 
к.т.н., доцент кафедры «Информационные системы и радиотехника» ДГТУ,  
Н.В. Бутырлагин  
 
Проектирование 
низкотемпературных 
и 
радиационно-стойких 
аналоговых 
микросхем для обработки сигналов датчиков: монография / Авторы: Н.Н. Прокопенко, 
О.В. Дворников, А.В. Бугакова. – М.: СОЛОН-Пресс, 2021. – 200 с. 
 
ISBN 978-5-91359-443-3 
 
Рассматриваются основы проектирования аналоговых микросхем для устройств 
приборостроения и автоматики, работающих в тяжелых условиях эксплуатации. Особое 
внимание уделено схемотехнической реализации низкотемпературной, радиационностойкой электроники и ее компьютерному моделированию. 
Может быть полезна научным работникам, преподавателям высших технических 
учебных заведений, магистрам, бакалаврам, инженерам и технологам, занимающимся 
разработкой электронной компонентной базы нового поколения. 
 
Научное издание 
 
Монография подготовлена в рамках проектов РНФ № 16-19-00122 и № 16-19-00122-П 
«Разработка основ проектирования и компьютерного моделирования аналоговых и аналогоцифровых интерфейсных микросхем и IP-модулей ответственного применения датчиковых 
систем роботов, предназначенных для эксплуатации при низких, в т.ч. криогенных 
температурах» (2016-2020 гг.).  
 
ISBN 978-5-91359-443-3 
© СОЛОН-Пресс, 2021 
 
© Прокопенко Н. Н., Дворников О. В., Бугакова А. В., 2021 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ОГЛАВЛЕНИЕ ........................................................................................... 3 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................ 5 
ГЛАВА 1  ПОЛЕВЫЕ И БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ  
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 
............................................................... 8 
1.1 ВЫБОР КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО БАЗИСА 
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ .................................... 8 
1.2 ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ 
ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ И 
ВОЗДЕЙСТВИИ ПРОНИКАЮЩЕЙ РАДИАЦИИ 
................................................ 12 
1.2.1 Измеряемые параметры и характеристики транзисторов 
........... 13 
1.2.2 Методики определения параметров операционных  
усилителей ............................................................................................... 13 
1.2.3 Средства измерений и программное обеспечение 
...................... 16 
1.2.4 Установка для проведения низкотемпературных измерений ..... 23 
1.3 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРОВ ПРИ НИЗКИХ 
ТЕМПЕРАТУРАХ И ВОЗДЕЙСТВИИ ПРОНИКАЮЩЕЙ РАДИАЦИИ 
..................... 27 
1.3.1 Изучаемые интегральные элементы 
............................................. 27 
1.3.2 Результаты измерений SiGe n-p-n-транзисторов [19, 31, 32] 
...... 30 
1.3.3 Результаты измерений транзисторов АБМК-1.3 [54-57] .............. 35 
1.3.4 Результаты измерений транзисторов 3CBiT [58-60] .................... 39 
1.3.5 Результаты измерений CJFET ОАО «Интеграл» [61-63] 
............. 41 
1.3.6 Результаты измерений CJFET «НПП «Пульсар» [64] 
.................. 48 
ГЛАВА 2  КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ АНАЛОГОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ  
СХЕМ ........................................................................................................ 51 
2.1 УЧЕТ ВОЗДЕЙСТВИЯ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР И ПРОНИКАЮЩЕЙ РАДИАЦИИ  
НА ХАРАКТЕРИСТИКИ BIT И JFET ПРИ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОМ  
МОДЕЛИРОВАНИИ [65, 66] 
........................................................................ 51 
2.1.1 Выбор САПР и Spice-моделей 
....................................................... 52 
2.1.2 Особенности комбинированных моделей [65, 71] 
........................ 53 
2.1.3 Использование радиационных и низкотемпературных 
аппроксимаций Spice-параметров [65, 62, 63] 
....................................... 55 
2.1.4 Методика одновременного учета воздействия низких  
температур и проникающей радиации 
................................................... 59 
2.1.5 Прогнозирование стойкости микросхем к радиационным  
дефектам на основе экспериментальных данных, полученных  
для быстрых электронов [72] .................................................................. 61 
2.1.6 Созданные библиотеки параметров [25,61] ................................. 63 
3 

Оглавление 
2.2 МОДЕЛИРОВАНИЕ В LTSPICE ШУМОВ CJFET МИКРОСХЕМ  
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ .................................................................... 74 
2.2.1 Основные положения и термины 
................................................... 74 
2.2.2 Директивы LTSpice, применяемые при моделировании  
шумов 
........................................................................................................ 76 
2.2.3 Особенности моделирования при низких температурах 
............. 79 
2.3 КОМПАКТНАЯ SPICE-МОДЕЛЬ ДЛЯ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ 
ХАРАКТЕРИСТИК SIGE HBT ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ [75] ................... 82 
2.4 ПОДСИСТЕМА ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИ В LTSPICE 
АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ ДЛЯ РАБОТЫ ПРИ НИЗКИХ  
ТЕМПЕРАТУРАХ [80] 
................................................................................. 86 
ГЛАВА 3  ПРОЕКТИРОВАНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ 
И РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ АНАЛОГОВЫХ МИКРОСХЕМ ........... 94 
3.1 АНАЛОГОВЫЕ МИКРОСХЕМЫ НА СJFET ............................................. 95 
3.1.1 Особенности применения СJFET при схемотехническом  
синтезе 
...................................................................................................... 95 
3.1.2 Низкотемпературный операционный усилитель [27] 
................... 97 
3.2 ПОЛУЗАКАЗНЫЕ СХЕМЫ НА БМК МН2ХА030 
................................... 103 
3.2.1 Краткое описание БМК МН2ХА030 [25] 
....................................... 104 
3.2.2 Операционные усилители [25] 
..................................................... 108 
3.2.3 Радиационно-стойкие компараторы напряжений [108].............. 121 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 
....................................................................................... 129 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................................... 132 
ПРИЛОЖЕНИЕ ...................................................................................... 142 
МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЕЙ  
ИНТЕГРАЛЬНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ ................................................. 142 
1 РАСЧЕТ SPICE-ПАРАМЕТРОВ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С 
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И 
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ 
....................................................... 143 
2 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ, ОПИСЫВАЮЩИХ  
ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ 
......... 155 
3 АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ 
БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ 
................................................................ 177 
4 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ШИХМАНА– 
ХОДЖЕСА ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА С P-N-ПЕРЕХОДОМ 
.......................... 185 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК К ПРИЛОЖЕНИЮ .................................... 198 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Электронная компонентная база (ЭКБ), в том числе, аналоговые и 
цифровые микросхемы являются одним из приоритетов межведомственной 
программы Правительства РФ до 2030 г. «Национальная технологическая 
инициатива» и оказывают существенное влияние на «цифровую экономику» 
всех развитых стран мира.  
Низкотемпературные интегральные схемы (ИС) находят применение в 
наукоемких областях техники, в том числе, ядерной электронике, 
космической 
аппаратуре, 
научном 
приборостроении, 
криогенных 
измерительных и медицинских приборах. 
Большинство серийно выпускаемых ИС обеспечивает требуемый 
уровень параметров в диапазоне температур от минус 40qC до 85qC, хотя 
существует микросхемы, работоспособные в расширенном диапазоне 
температур от минус 60qC до 125qC.  
При уменьшении рабочей температуры некоторые параметры ИС 
улучшаются, а именно увеличивается: 
 быстродействие вентилей с комплементарной структурой металлокисел-полупроводник (complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS) изза увеличения подвижности основных носителей заряда и, следовательно, 
крутизны CMOS-транзисторов, снижения барьерных емкостей p-n-переходов, 
уменьшения допустимого перепада логических уровней обусловленного 
более резкой передаточной характеристикой, что также позволяет снизить 
напряжение питания; 
 полоса пропускания аналоговых CMOS-схем из-за увеличения 
крутизны CMOS- транзисторов и уменьшения емкостей p-n-переходов; 
 отношение сигнал/шум из-за уменьшения тепловых и фликкершумов; 
 точность аналоговых преобразований, в том числе из-за уменьшения 
падения напряжения на паразитных сопротивлениях полупроводниковых 
областей и межсоединений и уменьшению температурных градиентов на 
кристалле; 
 надежность из-за экспоненциальной зависимости интенсивности 
отказов от температуры, а также уменьшения обратных токов, утечек и 
эффекта защелкивания (спада усиления паразитных транзисторов); 
 эффективность работы мощных усилителей и источников питания. 
Хотя при низких температурах возникают и отрицательные эффекты, 
главными из которых являются значительное снижение усиления биполярных 
5 

Введение 
транзисторов (bipolar transistors, BiT) и появление изгиба выходных 
вольтамперных характеристик (ВАХ) MOS-транзисторов, так называемый 
«kink-effect», актуальность создания ИС для криогенных температур растет 
из-за постоянно расширяющейся области их применения. 
Создание криогенных микросхем крайне важно для космических 
применений. Это обусловлено тем, что температура вблизи и на поверхности 
большинства планет Солнечной системы и Луны меньше минус 60qC, а 
использование 
нагревателей 
на 
основе 
радиоактивных 
материалов 
существенно увеличивает массу и габариты космических аппаратов из-за 
необходимости 
применения 
экранов, 
защищающих 
электронику 
от 
воздействия проникающей радиации (ПР). 
Кроме того, в космических аппаратах часто используются датчики, 
расположенные вне подогреваемых и защищенных от ПР блоков, и поэтому 
они подвергаются одновременному воздействию низких температур и ПР. Для 
улучшения отношения сигнал-шум датчиков целесообразно рядом с ними 
располагать интерфейсное устройство, осуществляющее предварительную 
обработку сигнала датчика и передающее информацию по кабелю в 
защищенный блок для окончательной обработки. 
Необходимость проектирования низкотемпературной электроники для 
космических применений подтверждается рядом примеров. 
Так, в «Основах государственной политики РФ в области космической 
деятельности на период до 2030 года и дальнейшую перспективу», 
установлено, что в государственные интересы РФ в области космической 
деятельности входит получение научных данных о космосе, Земле и других 
небесных телах, в том числе исследование Луны, Марса, других тел 
Солнечной системы. В связи с указанным, одной из главных целей в области 
космической деятельности является создание научно- технического и 
технологического потенциалов в целях обеспечения готовности и реализации 
масштабных космических проектов по углубленному изучению Вселенной и 
Солнечной системы (в первую очередь окололунного пространства, Луны и 
Марса). 
По словам главы НПО имени Лавочкина В. Хартова в список из семи 
критических технологий, лежащих в основе планируемых к реализации 
программ изучения поверхности Луны и Марса входят «технологии 
высокоточной и безопасной посадки, технологии глубинного (не менее 2 
метров) забора грунта, технологии робототехнических средств стыковки и 
захвата орбитальных объектов в автоматическом режиме, высоко- и 
низкотемпературная электроника». 
Криогенные аналоговые микросхемы широко применяются в приборах 
ядерной электроники для регистрации предельно малых сигналов различных 
датчиков частиц, ионизирующих и оптических излучений. При этом, чаще 
6 

 
всего, в качестве «головного» малошумящего транзистора используется 
охлаждаемый кремниевый полевой транзистор с управляющим p-n-переходом 
(junction field-effect transistors, JFET). 
Проблемам 
низкотемпературной 
электроники 
уделяют 
большое 
внимание специалисты как в США, так и Европе. 
Основные исследования выполняются по следующим направлениям: 
 применение новых материалов (Ge, SiGe, GaAs, InGaAs/InAlAs, 
GaN/AlGaN), создание новых технологических маршрутов (техмаршрутов) 
изготовления ЭКБ, модернизация транзисторов для работы при температуре 
жидкого азота и жидкого гелия, в том числе: кремниевых JFET, BiT и MOSтранзисторов, Ge FET, GaAs FET, кремний-германиевых биполярных 
гетеротранзисторов (bipolar heterotransistors, BHT); 
 создание 
новых 
средств 
измерений, 
моделирования 
и 
проектирования 
низкотемпературных 
ИС, 
уточнение 
Spice-моделей 
кремниевых интегральных элементов для температур ниже 40oK; 
 исследование параметров серийно выпускаемых ИС и электрорадиоэлементов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей) при низких 
температурах. 
Таким образом, аналоговые ИС, сохраняющие работоспособность при 
одновременном воздействии низких температур и ПР, крайне нужны для ряда 
применений в экспериментальных установках физики высоких энергий и 
космическом приборостроении. Значительная роль в обеспечении такого 
сочетания качественных показателей отводится выбору техмаршрута 
изготовления ИС, а также оригинальных схемотехнических решений, 
обеспечивающих минимизацию чувствительности основных параметров 
микросхем к воздействию дестабилизирующих факторов. 
 
7 

ГЛАВА 1 
 
ПОЛЕВЫЕ И БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ 
 
1.1 Выбор конструктивно-технологического базиса 
низкотемпературных аналоговых микросхем 
Известно, что низкотемпературные аналоговые ИС могут быть 
реализованы как на биполярных, так и полевых транзисторах, однако при 
выборе 
конструктивно-технологического 
базиса 
таких 
микросхем 
необходимо учитывать ряд факторов [1, 2]: 
1. MOS-техмаршруты наиболее часто применяются при создании 
цифровых 
и 
аналого-цифровых 
ИС. 
При 
уменьшении 
температуры 
большинство параметров MOS-элементов улучшается (таблица 1.1), но 
появляются и отрицательные факторы - рост порогового напряжения и изгиб 
выходной ВАХ в схеме с общим истоком. В р-MOS-транзисторах изгиб ВАХ 
менее заметен, чем в n-MOS, и может быть минимизирован при правильном 
смещении n-кармана. 
Таблица 1.1. 
Параметры элементов, изготовленных по техмаршруту Hi-CMOS II с длиной 
затвора, равной 2 мкм, в диапазоне температур 
 
Тип 
структуры 
Параметр 
Тип 
канала 
Температура,  qK 
300 
77 
4,2 
p 
-0,74 
-1,20 
-1,43
рабочая 
пороговое напряжение, В 
n 
0,59 
1,04 
1,08 
крутизна (относительная) 
n 
1,0 
1,6 
1,6 
p 
1,0 
1,4 
1,4 
паразитная 
пороговое напряжение, В 
n 
39,4 
53,4 
41,8 
p 
-35,8 
-44,2 
-45,9
 
Обычно прецизионные аналоговые микросхемы не рекомендуется 
создавать на CMOS-транзисторах. Однако в том случае, когда CMOSтехмаршрут 
применяется 
для 
изготовления 
сложно 
функциональных 
низкотемпературных микросхем, содержащих аналоговые компоненты, при 
проектировании необходимо учитывать следующее: 
8 

Глава 1. Полевые и биполярные транзисторы при низких … 
 при схемотехническом моделировании не допускается применение 
Spice-параметров моделей, предоставляемых предприятиями-изготовителями 
микросхем, т.к. обычно эти параметры не предназначены для описания 
характеристик интегральных элементов при сверхнизких температурах. 
Следует 
предварительно 
измерить 
параметры 
CMOS-транзисторов 
нескольких 
конструкций 
(«базовых» 
транзисторов) 
при 
требуемой 
температуре и идентифицировать их Spice-параметры; 
 масштабирование 
ВАХ 
CMOS-транзисторов 
необходимо 
осуществлять не изменением отношения ширины затвора W к длине L, а 
последовательно-параллельным соединением «базовых» транзисторов одной 
и той же конструкции; 
 существующий 
технологический 
разброс 
параметров 
полупроводниковых слоев приводит к более сильному (в 2-3 раза) разбросу 
ВАХ CMOS-транзисторов при низких температурах, в связи с чем 
необходимо 
применение 
специальных 
топологий 
транзисторов 
для 
увеличения идентичности их параметров; 
 необходимо 
учитывать, 
что 
с 
уменьшением 
температуры 
уменьшается область напряжения исток-сток, в которой MOS-транзистор 
обладает высоким выходным сопротивлением, что, с одной стороны, 
обусловлено ростом порогового напряжения при низких температурах, а, с 
другой стороны, малым напряжением пробоя промежутка сток-исток 
транзисторов с коротким каналом; 
 тепловые («белые») шумы CMOS-транзисторов уменьшаются с 
температурой, однако фликкер-шумы при низких температурах могут как 
уменьшаться, так и возрастать в зависимости от особенностей конкретного 
технологического маршрута; 
 для увеличения коэффициента усиления напряжения и уменьшения 
уровня шумов, отнесенных ко входу, часто используют подпороговый режим 
работы (режим слабой инверсии) CMOS- транзисторов. Область насыщения 
ВАХ (высокого выходного малосигнального сопротивления) в режиме слабой 
инверсии описывается соотношением  
TH
GS
D0W
DW
ij
N
V
V
exp
I
I

 
,  
 
 
(1.1) 
T
W
где IDW – ток стока в подпороговой области ВАХ;  
      VGS – напряжение затвор–исток; 
      ID0W – ток стока при VGS = VTH;  
      VTH – пороговое напряжение MOS-транзисторов;  
       MT = kT/q температурный потенциал;  
       k  постоянная Больцмана;  
       T  абсолютная температура;  
9 

Глава 1. Полевые и биполярные транзисторы при низких … 
       q – заряд электрона;  
       NW – фактор, характеризующий отклонение ВАХ в подпороговой области 
от экспоненты, обычно величина NW составляет от 1 до 2. 
Для нормальных условий (н.у.) температурный потенциал составляет 
около 26 мВ (при 300qK), а при температуре жидкого азота – 6,3 мВ, поэтому 
технологический разброс величины порогового напряжения приведет к 
значительному разбросу токов стока и применение режима слабой инверсии в 
низкотемпературных аналоговых ИС не рекомендуется. 
2. Усиление BiT значительно уменьшается при температуре жидкого 
азота. Для увеличения коэффициента усиления базового тока (ȕ) в схеме с 
общим эмиттером в некоторых исследованиях проведена оптимизация 
транзисторной структуры, а именно эмиттерная область сформирована из 
поликристаллического кремния и применены слабо легированные базовая и 
коллекторная области, что позволило существенно увеличить усиление BiT 
при температуре жидкого азота. 
К сожалению, такие BiT обладают невысоким быстродействием, плохой 
радиационной стойкостью, малым напряжением Эрли (VA), т.е. низким 
выходным малосигнальным сопротивлением (rOUT§VA/IC), и чрезвычайно 
высоким напряжением коллектор-эмиттер в насыщении (VCES). Так, 
VCES=3,5 В при IB=0,5 мкА и Т=300qK. При низких температурах (Т=78qK) 
VCES уменьшается до 0,5 В, но такие BiT нельзя применять в диапазоне 
температур и, следовательно, в космической электронике. 
По мнению ряда специалистов, наилучшим решением для синтеза 
низкотемпературных аналоговых ИС является использование SiGe HBT. 
При уменьшении температуры в SiGe HBT улучшается ȕ, напряжение 
Эрли, граничная частота (fT), коэффициент шума. Кроме того, возможно 
одновременное формирование на одном кристалле кремний-германиевых 
биполярных и MOS-транзисторов, что является большим преимуществом для 
создания аналого-цифровых микросхем. 
3. 
Преимуществом 
кремниевых 
JFET 
по 
сравнению 
с 
MOSтранзисторами и GaAs FET является предельно малый уровень шумов на 
частотах менее 10 кГц при сравнимых с MOS-транзисторами величинах 
входных токов при низких температурах. 
Крутизна 
кремниевых 
JFET 
увеличивается 
при 
уменьшении 
температуры до минус 110…минус 120qС, а при дальнейшем понижении 
температуры – уменьшается. Эти особенности ВАХ наблюдаются для JFET, 
изготовленных по разным технологическим маршрутам. 
Пример такой немонотонной зависимости крутизны gm от температуры 
иллюстрирует 
рисунок 
1.1 
для 
JFET 
с 
каналом 
p-типа 
(p-JFET), 
изготовленного по технологии DMILL [3]. 
10