перимента были получены дозовые зависимости изменения величины порогового напряжения, приведенные на рис. 5. Как видно, роль отжига существенна, и учет влияния повышенной температуры необходим при обработке результатов натурного эксперимента.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предлагаемая модель МОП-транзистора с индуцированным каналом р-типа пригодна для прогнозирования изменения параметров в изменяющихся натурных условиях по результатам модельных испытаний, поскольку учитывает изменение как мощности дозы, так и температуры. Проверка работоспособности модели проведена в моделирующих условиях (с использованием источника Sr-Y) и в реальных условиях орбиты МКС.
Авторы благодарят Жукова Ю. Н. за предоставление сведений об источнике Sr-Y и Кузнецова Н. В. за представленные данные об условиях на орбите МКС, а также Подлепецкого Б. И. за сделанные замечания.
ЛИТЕРАТУРА
1. Sharp R. E., Hofman J. Using RADFETs for alpha radiation dosimetry // The conference on radiation effects on components and systems RADECS-2011, Sevilla, Spain, September 19-23, 2011. - P. PJ-6.
2. Анашин В. С., Емельянов В. В, Полинкин А. П. и др. Аппаратура контроля дозовых и одиночных эффектов // Воп-
росы атомной науки и техники. Сер. "Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру". — Вып. 2. — Лыткарино: ФГУП НИИП, 2014. — С. 27—32.
3. Мьо Вин, Попов В. Д., Скородумова А. В. Прогнозирование радиационной стойкости КМОП ИМС при низких мощностях дозы ионизирующего излучения // Вопросы атомной науки и техники. Сер. "Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру". Научно-техн. сб. Вып. 1. — Лыткарино: ФГУП НИИП, 2010. — С. 74—77.
4. Popov V. D. A simple model for radiation response of complementary metal-oxide-semiconductor integrated circuits exposed to ionizing cosmic rays // Radiation Measurements. — 1996. — Vol. 26, N 3. — P. 497—501.
5. Пономарев В. Н., Попов В. Д., Яшков Е. А. Применение МОП-транзисторов для получения спектра электронов с помощью вариации поглощающего экрана // Сб. докл. Российской научн. конф. "Радиационная стойкость электронных систем" (Стойкость-2005)". Вып. 8. — М.: МИФИ, 2005. — С. 247—248.
6. Белова Г. Ф., Кузнецов Н. В., Новиков Л. С. и др. Исследование радиационных эффектов в МОП-транзисторе в реальных условиях орбиты МКС // Вопросы атомной науки и техники. Сер. "Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру". — Вып. 3. — Лыткарино: ФГУП НИИП, 2012. — С. 20—24.
7. Кузнецов Н. В., Орешков П. Н., Попов В. Д. Сравнение результатов натурного и моделирующего экспериментов по облучению МОП-транзисторов // Вопросы атомной науки и техники. Сер. "Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру". — Вып. 4. — Лыткарино: ФГУП НИИП, 2013. — С. 27—31.
УДК 621.3.049.66.018.86
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ДАТЧИКОВ ВОДОРОДА С МДП-ТРАНЗИСТОРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
MODELING RADIATION SENSITIVITY OF THE HYDROGEN SENSORS BASED ON MISFET
Подлепецкий Борис Иванович
канд. техн. наук, доцент Е-mail: bipod45@gmail.com
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва
кафедра микро- и наноэлектроники
Аннотация: Представлены электрофизические и электрические модели влияния ионизирующей радиации на характеристики МДП-транзисторных чувствительных элементов со структурой Pd—Ta2O5—SiO2—Si и датчиков водородсодержа-щих газов на их основе с учетом условий эксплуатации. Ключевые слова: интегральные датчики водорода, радиационные эффекты, МДП-транзисторные чувствительные элементы, модели радиационной чувствительности.
Podlepetsky Boris. I.
Ph. D. (Technical), Associate Professor Е-mail: bipod45@gmail.com
National Research Nuclear University "MEPHI", Moscow
Department of micro- and nanoelectronics
Abstract: The electrophysical and electrical models of hydrogen and radiation sensitivities of the integrated sensors with MISFET sensing elements based on Pd—Ta2O5—SiO2—Si are presented in this paper. The models take into account the influence of electrical circuits and modes, temperatures of the chip, the density of surface states and parameters of radiation on the hydrogen sensitivity of the sensors. Keywords: integrated hydrogen sensors, radiation effects, MISFIT sensors, models of radiation sensitivity.
ВВЕДЕНИЕ
Разработка интегральных датчиков (ИД) с чувствительными элементами (ЧЭ), изготовленными на основе микротехнологий, представляется перспективным направлением для создания малогабаритных газоаналитических приборов и микросистем [1]. Большой интерес представляют датчики водородсодержащих газов, которые применяются в системах обеспечения взрыво- и пожаробезопасности, в шахтах горнорудной промышленности, на ядерных реакторах, в хранилищах аккумуляторных батарей, в транспортных средствах с водородными двигателями и в медицине [2, 3].
На кафедре микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ разработаны и исследованы датчики водорода со структурами Рё(Рг)—8Ю2—81, Рё/Т1—8Ю2—81, Рё(Р1)—Та205—8Ю2—81. Наилучшие характеристики среди разработанных датчиков водорода имеет интегральная ячейка ИДВ-3, которая содержит на одном чипе четыре элемента: водородочувствительные МДП-транзисторный элемент со структурой Рё—Та205—8Ю2—81 (ТЧЭ) и палладиевый резистор, резисторный нагревательный элемент и тестовый МДП-транзистор, используемый также как термочувствительный элемент в схеме стабилизации рабочей температуры ТЧЭ. Структура и топология ИДВ-3 представлены в работах [4, 5]. Исследования показали, что метрологические характеристики ИДВ-3 зависят от конструктивно-технологических параметров, тепловых и электрических режимов ТЧЭ, а также от параметров внешних влияющих факторов (концентраций других газов, мощностей излучений) [6, 7].
В сравнении с натурными испытаниями изделий быстрым и недорогим методом оценки влияния различных факторов на характеристики вновь разрабатываемых датчиков, приборов и систем считается имитационное моделирование. В предыдущих работах [6, 7] на основе результатов экспериментальных исследований были разработаны модели ТЧЭ для расчетов характеристик ИД водородсодержащих газов и микросистем на их основе.
Исследования влияния различных видов радиации на характеристики МДП-структур и приборов на их основе начались еще в 1960-е годы и продолжаются до сих пор. Большой вклад в эти исследования внесли сотрудники кафедры микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ, результаты работ которых опубликованы в статьях (например, [5, 8—10]) и книгах [11—13]. Показано, что радиационные эффекты (РЭ) и влияние их на характеристики МДП-транзисторов (МДПТ) зависят от многих факторов: типа, энергии, мощности и направленности излучений, исходных конструктивно-технологических характеристик, температуры и электрических режимов транзистора.
Разработано множество электрофизических моделей для описания экспериментальных результатов влияния РЭ на характеристики МДПТ и интегральных схем на их основе (физики шутят: сколько диссертаций — столько и моделей). Стремясь создать общие модели, учесть влияние разных факторов и повысить точность моделирования, многие исследователи включают в модели дополнительные параметры, которые не всегда можно определить экспериментально. Это, на самом деле, усложняет сами модели, снижает их достоверность и точность, затрудняет их практическое использование. Все учесть невозможно!
Упрощенные математические модели с малым количеством параметров не всегда имеют глубокий физический смысл, но достаточно точны для аппроксимации экспериментальных зависимостей с неусложненной процедурой экстракции параметров. Модели все приблизительные, некоторые модели противоречат друг другу, а некоторые дополняют предыдущие аналоги. Для практических применений моделей с целью прогнозирования влияния радиации на характеристики датчиков и приборов важным является учет конкретных условий эксплуатации (параметров радиации, температуры, электрических режимов и зависимости их от времени).
В статье систематизированы и обобщены известные РЭ в МДП транзисторах. Предложены компактные электрофизические и электрические модели влияния ионизирующей радиации на характеристики МДП-транзисторных ЧЭ со структурой Рё—Та205—8Ю2—81 и ИД водорода на их основе. Модели позволяют учитывать условия эксплуатации датчиков.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЛИЯНИЯ РАДИАЦИИ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЧЭ
Систематизация и определение общих особенностей РЭ в ТЧЭ проведена на основе обобщения известных физических представлений. Для анализа электрофизических процессов в структуре Рё—Та205—8Ю2—81 использовались параметры энергетической зонной диаграммы, упрощенный вариант которой показан на рис. 1, а. Величины Ец, Ег-, Ес, Еу и Ер — энергии уровней вакуума, середины запрещенной зоны полупроводника, дна зон проводимости, потолка валентных зон соответствующих слоев структуры и уровня Ферми. Цифрами в скобках обозначены номера соответствующих слоев МДП-структуры. Под "идеальными условиями" понимается: отсутствие зарядов, нулевые значения напряжения на затворе и разности работ выхода между металлом и полупроводником. На рис. 1, а, энергии между основными уровнями, которые зависят от температуры и конструктивно-технологических харак-
в
т
I Л1 а
Л2 ■
< 0,95
У
Л4
Л3
Уо,4
ра (0)
Та205 (1)
8Ю2 (2)
а)
Уровень вакуума
■ еС2
ОТПО
ЪУ2
Р-Я1(3)
Рл(х)
I \ I I
' Хп '
А
-I
В
в)
п
2
0
X
0
1
X
0
Рис. 1. Энергетическая зонная диаграмма структуры Pd—Ta2O5—SiO2—(р-Si) и ее параметры при термодинамическом равновесии для "идеальных условий" (а), распределение зарядов в структуре и функция плотности зарядов р(х) в присутствии водорода при напряжении Щ > 0 (б), распределения плотности ловушечных центров рл(х) (в):
1 — до облучения рло(х); 2 — после действия радиации рлм(х); А и В — области водородной и радиационной чувствительности соответственно
62
вепвогв & Эувгетв • № 1.2015
теристик слоев структуры, указаны их средними значениями в эВ.
В реальных ТЧЭ заряды могут быть во всех слоях структуры и на их границах, алгебраическая сумма которых в электростатическом рассмотрении равна нулю (условие электронейтральности). Как прави
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.