ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2019, № 8 · МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В ЗАДАЧАХ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Шаблонная модель комплементарных полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом

В.Н. Бирюков1, А.М. Пилипенко1, Н.Н. Прокопенко2, О.В. Дворников3

1 Институт радиотехнических систем и управления Южного федерального университета, Таганрог, Россия
2 Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия
3 Минский научно-исследовательский приборостроительный институт, Минск, Беларусь
Полный текст (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2019.8.5 УДК 621.37:621.382.322 EDN ATTFFG

Аннотация

Предложена региональная непрерывная вместе с первыми двумя производными компактная модель комплементарных полевых транзисторов с управляющим p-n -переходом (ПТУП), имеющих неоднородно легированный канал. Данные ПТУП применяются в современных радиационно-стойких охлаждаемых малошумящих аналоговых интегральных схемах (ИС). Использование предлагаемой модели в качестве исходной модели (шаблона) для создания более сложных (шаблонных) моделей ПТУП позволяет уменьшить погрешность моделирования в два - три раза по сравнению со стандартной SPICE-моделью. Создание шаблонной модели ПТУП осуществляется путем замены параметров в исходной модели отношением степенных полиномов по управляющему напряжению. Параметры исходной и шаблонной моделей определяются глобальной оптимизацией методом наименьших квадратов.

  • модель
  • полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
  • шаблон
  • метод наименьших квадратов
  • идентификация параметров
Abstract (in English)

Template model of complementary field-effect transistors with a control pn junction

This paper introduces a simple compact model of complementary junction field-effect transistors (JFETs) with a channel inhomogeneously doped in the transverse direction. Complementary JFETs are used in combination with bipolar transistors in modern low-noise and radiation-resistant analog integrated circuits (ICs), which usually work at extremely low temperatures down to - 197 °C. Unlike other regional models, the proposed one is continuous together with its two first derivatives (C2-continuous). The model is based on the approximation of a gradual channel in the triode region of the I-V characteristic and a monotonic decrease in the output conductivity in their active region. The model assumes saturation at a lower drain voltage than the pinch-off voltage. The new model is validated by comparison to experimental data. On the base of this model the template model is introduced by the replacement of certain parameters of the original physical compact model by the quotient of power series of a gate and drain voltages. The parameters of the template model were determined by the method of least squares. The relative root-mean-square and maximum errors of I-V curves simulation for the template model is reduced by at least two times compared with the same error for the SPICE-model. In addition, the proposed template model has the following advantages in comparison with the standard SPICE-model: the absence of the modulation effect of the channel length at low drain voltages; monotonically decreasing differential output conductivity at any drain voltage; the continuity of the first two derivatives of the drain current.

Для цитирования

Бирюков В.Н., Пилипенко А.М., Прокопенко Н.Н., Дворников О.В. Шаблонная модель комплементарных полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом // Журнал радиоэлектроники. – 2019. – № 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.8.5

Литература

  1. Дворников О.В. Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем. Часть 2. Базовые схемотехнические решения АБМК 1-3 // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем, 2010. № 1. С. 283-288.
  2. Петросянц К.О., Исмаил-заде М.Р., Самбурский Л.М., Харитонов И.А. SPICE-модели полевых транзисторов со структурой MOSFET и JFET для расширенного диапазона температуры до -200°C // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем, 2018. № 3. С. 111-117. DOI: 10.31114/2078-7707-2018-3-111-117.
  3. Бирюков В.Н. Диагностика моделей барьерной емкости диода // Радиотехника и Электроника. 2009. Т. 54. № 9. С. 1144-1148.
  4. Бирюков В.Н. Модель барьерной емкости диода с короткой базой // Известия высших учебных заведений. Электроника, 2006. Т. 11. № 4. С. 31-35.
  5. Bisdounis L., Nikolaidis S., Koufopavlou O., Goutis C. E. Switching response modeling of the CMOS inverter for sub-micron devices // Proceedings - Design, Automation and Test in Europe, DATE. 23-26 February, 1998. P. 729-737. DOI: 10.1109/DATE.1998.655939.
  6. Shoji M. Theory of CMOS Digital Circuits and Circuit Failures. Princeton, New Jersey: Princeton University Press, 1992. 590 p.
  7. Денисенко В.В. Компактные модели МОП-транзисторов для SPICE в микро- и наноэлектронике. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 408 с.
  8. Razavi B. CMOS Technology Characterization for Analog and RF Design // IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1999. Vol. 34. No. 3. P. 268-276. DOI: 10.1109/4.748177
  9. Бирюков В.Н. Шаблонная модель p-канального полевого транзистора с изолированным затвором // Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2019. № 2. URL: http://jre.cplire.ru/jre/feb19/11/text.pdf, DOI: 10.30898/1684-1719.2019.2.11.
  10. Wang Y., Cass C.J., Chow T.P., Wang F., Boroyevich D. SPICE Model of SiC JFETs for Circuit Simulations // Proceedings of the IEEE Workshop on Computers in Power Electronics, COMPEL. 16-19 July, 2006. P. 212-215. DOI: 10.1109/COMPEL.2006.305677
  11. Бирюков В.Н. Применение аппроксимации плавного канала в МДП-транзисторах при зависимости подвижности носителей от поперечного электрического поля // Радиотехника и электроника, 1974. Т. 19. № 7. С. 1556-1558.
  12. Van den Bosch S., Martens L. Approximation of State Functions in Measurement-Based Transistor Model // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1999. Vol. 47. No. 1. P. 14-17. DOI: 10.1109/22.740069.
  13. McAndrew C.C. Practical modeling for circuit simulation // IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1998, Vol. 33, No. 3, P. 439-448. DOI: 10.1109/4.661209.
  14. Biryukov V.N., Pilipenko A.M. Measurement-Based MOSFET Model for Helium Temperatures // Proceedings of 2015 IEEE East-West Design and Test Symposium, EWDTS, 26-29 September, 2015. DOI: 10.1109/EWDTS.2015.7493109.
  15. Бирюков В.Н., Пилипенко А.М. Исследование трехпараметрической модели высокочастотного полевого транзистора // Известия высших учебных заведений. Электроника, 2003. № 6. С. 22-26.
  16. Ortiz-Conde A., Ma Y., Thomsonc J., Santos E., Lioub J. J., Garcı́a Sánchez F. J., Lei M., Finol J., Layman P. Direct extraction of semiconductor device parameters using lateral optimization method // Solid-State Electronics, 1999. Vol. 43. No. 4. P. 845-848, DOI: 10.1016/S0038-1101(99)00044-1.
  17. Бирюков В.Н., Пилипенко А.М. Адаптивный алгоритм случайного поиска для задач параметрической идентификации моделей электронных компонентов // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем (МЭС). 2016. № 1. С. 101-108.
  18. Dvornikov O. V., Prokopenko N.N., Tchekhovski V.A., Bugakova A.V., Maliy I.V. Cryogenic Operational Amplifier on Complementary JFETs // Proceedings of 2018 IEEE East-West Design and Test Symposium, EWDTS, 14-17 September, 2018. DOI: 10.1109/EWDTS.2018.8524640.
  19. Дворников О.В., Чеховский В.А., Дятлов В.Л., Прокопенко Н.Н. Создание низкотемпературных аналоговых ИС для обработки импульсных сигналов датчиков. Часть 1 // Современная электроника, 2015. № 4. С. 44-49.
  20. Lovshenko I.Y., Khanko V.T., Stempitsky V.R. Radiation influence on electrical characteristics of complementary junction field-effect transistors exploited at low temperatures // Materials Physics & Mechanics, 2018. Vol. 39. No. 1. P. 92-101. DOI: 10.18720/MPM.3912018_15.
  21. Савченко Е.М., Дроздов Д.Г., Вагин А.В., Гаранович Д.И. Современные конструкции интегральных элементов высокочастотного комплементарного биполярного технологического процесса // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2013. Т. 13. № 3. С. 60.
  22. Foty D. MOSFET Modeling with SPICE: Principles and Practice. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall PTR, 1997. 653 p.
  23. Бирюков В.Н. Четырехпараметрическая C∞-непрерывная компактная модель полевого транзистора // Известия высших учебных заведений. Электроника, 2008. Т. 13. № 4. С. 69-71.
  24. McAndrew C.C., Bhattacharyya B.K., Wang O.A. A C∞-continuous depletion capacitance model // IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems, 1993. Vol. 12. No. 6. P. 825-828. DOI: 10.1109/43.229757.