Введение. 
Описание поведения МОП-транзистора на физическом уровне с учётом экстремальных температур

В современном мире цифровые и аналоговые схемы применяются во всех областях, например в бытовой электронике или промышленном оборудовании. Поскольку наша жизнь все больше зависит от надежности электроники, необходимо обеспечить стабильную работу схем в заданных условиях. В том числе и в условиях повышенных температур.

В зависимости от области применения температурные диапазоны в которых электроника должна работать (рис. 1), можно разделить на: потребительскую электронику 0°С-70°С, производственную электронику -40°-85°С, военную электронику -55°С-125°С, область повышенных температур -55°-250°C, расширенный диапазон до 400 °C [1].

Рис. 1 Температурные диапазоны в зависимости от области применения.

Высокотемпературная электроника востребована в областях, где проблематично или невозможно обеспечить активное охлаждение, а пассивное охлаждение не эффективно, например, в автомобильной промышленности, космическом кораблестроение, ядерной энергетике [8−11]. Так, например, в автомобильной промышленности возникает необходимость устанавливать датчики и системы управления вблизи с источниками тепла. Установка активного или пассивного охлаждения увеличивает занимаемое место и вес, что значительно увеличивает общую стоимость системы. Использование электроники, способной работать в таких условиях, позволяет избежать необходимости в установке дополнительных систем охлаждения.

Чтобы оценить надежность работы схемы в широком диапазоне требуется решение сложных схемотехнически и конструкторских решений, что требует интенсивного схемотехнического моделирования [12, 13]. Поэтому встает вопрос о точности имеющихся средств моделирования и математических моделей отдельных компонентов электронных устройств. И, соответственно, необходимо точно описывать зависимость параметров компонентов от температуры.

Для моделирования электрических схем со структурой КМОП необходимо иметь модели для транзисторов двух типов проводимости. На момент начала работы имелась модель только для КНИ МОП транзисторов 0,5-мкм технологии n_типа. Поэтому передо мной стояла задача разработать модель для p-канальных транзисторов.

В первой главе работы приведен анализ литературы на тему воздействия температуры на основные параметры МОП-транзисторов на физическом уровне. Во второй главе были рассмотрены особенности компактных моделей и их виды, а также приведены способы описания влияния температуры в данных моделях. В третьей главе приведены результаты измерения вольт-амперных характеристик КНИ МОП-транзисторов 0,5-мкм КМОП технологии и исследования влияния температуры и размеров на их параметры. Результаты создания SPICE-модели приведены в четвертой главе. В пятой главе приводятся результаты схемотехнического моделирования и исследования характеристик и параметров компаратора в условиях повышенных температур с использованием разработанной модели.