автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Программно-аппаратный комплекс измерения и идентификации статических параметров схемотехнических моделей мощных полупроводниковых структур

На правах рукописи

Капралов Сергей Анатольевич

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ИЗМЕРЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ МОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР

Специальность: 05.27.01 — Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Великий Новгород - 2005

Работа выполнена в Новгородском государственном университете имени Ярослава Мудрого

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Петров Михаил Николаевич Консультант:

доктор технических наук, профессор Попов Станислав Алексеевич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Гаврушко Валерий Владимирович кандидат физико-математических наук Стрельчук Анатолий Маркович

Ведущая организация:

Федеральное Государственное Унитарное Предприятие

Научно-Исследовательский Институт Промышленного Телевидения «РАСТР»

Зашита диссертации состоится « 13 » мая 2005 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.168.07 Новгородского государственного университета по адресу: 173003, г. Великий Новгород, ул. Большая Санкт-Петербургская, 41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого.

Автореферат разослан 2005 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.168.07,

кандидат технических наук, профессор рБритин Сергей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Последнее время отмечено бурным развитием силовой электроники, что обуславливается появлением новых ключевых элементов с уникальными характеристиками: ЮВТ- и МОП-транзисторов, тиристоров с управляемым затвором и других. Указанные полупроводниковые приборы принципиально изменили подход к построению базовых схем промышленной электроники: управляемых выпрямителей, инверторов тока и напряжения. При этом существенно улучшается качество преобразования электрической энергии, уменьшаются внутренние потери, снижаются весогабаритные показатели.

Построенные на этих компонентах силовые каскады требуют проведения тщательного компьютерного анализа всех режимов работы. Иначе не обеспечить надежности - главного критерия эффективности работы мощных схем. Ошибки при разработке схем силовой электроники стоят очень дорого.

В свою очередь точность компьютерного моделирования определяется качеством математических моделей компонентов, входящих в состав схемы. Развитие средств автоматизированного проектирования привело к созданию специального класса моделей полупроводниковых приборов и компонентов ИС, известных под названием 8Р1СБ-моделей. Количество параметров, необходимых для описания таких моделей определяется уровнем развития технологии, характеризуемой величиной топологической нормы.

На сегодняшний день большинство крупных фирм-производителей микроэлектронных компонентов наряду с традиционным способом представления параметров выпускаемых приборов дает в руки разработчиков их 8Р1СЕ-модели. Современные пакеты автоматизированного проектирования, включают в себя обширные библиотеки моделей компонентов электронной техники, выпускаемых иностранной промышленностью. Однако в библиотеках 8Р1СЕ-моделей заданы усредненные параметры прибора и, как правило, не указан их разброс, что снижает эффективность моделирования. Для использования современных САПР при разработке схем, содержащих микроэлектронные компоненты отечественного производства, необходимо создание адекватных им 8Р1СЕ-моделей с последующей реализацией на их базе библиотек отечествен -ных компонентов.

Для успешного решения задачи идентификации статических параметров 8Р1СЕ-моделей мощных полупроводниковых приборов необходима разработка измерительной базы и соответствующего программного обеспечения, вклю-

чающего методы расчета параметров и их статистических характеристик по экспериментальным данным.

В большинстве публикаций, посвященных вопросам идентификации параметров SPICE-моделей, рассматриваются в основном проблемы расчета параметров моделей транзисторов малой и средней мощности. В меньшей степени развито направление мощных полупроводниковых структур. Практически важным является интеграция методов идентификации параметров моделей с измерительными приборами в единый комплекс.

Цель работы - разработка и практическая реализация методик измерения и идентификации статических параметров SPICE-моделей мощных полупроводниковых приборов.

Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:

- разработка автоматизированного измерительного комплекса, работающего под управлением персонального компьютера IBM PC и обеспечивающего измерение статических вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов;

- разработка методик идентификации параметров SPICE-моделей мощных полупроводниковых приборов на основании измеренных вольт-амперных характеристик;

- разработка программного обеспечения, предназначенного для управления измерительным комплексом, обработки экспериментальных результатов и выполнения идентификации параметров моделей;

- разработка информационного приложения на платформе клиент-сервер, интегрирующего программно-аппаратный комплекс измерения и идентификации параметров SPICE-моделей и стандартные средства САПР в единую среду в масштабе предприятия для решения задач имитационного моделирования, анализа и диагностики потенциально ненадежных компонентов и поддержки жизненного цикла изделий.

Научная новизна. Диссертационная работа характеризуется следующей научной новизной:

1. Для идентификации статических параметров мощных полупроводниковых приборов разработан алгоритм декомпозиции вольт-амперных характеристик на характерные участки, в основе которого лежит выделение различных механизмов токопереноса, включая участок высокого уровня инжекции и квазинасыщения.

2. Предложен метод экстракции статических параметров SPICE модели IGBT транзисторов, основанный на статистическом анализе многооткликовых моделей этих приборов, позволяющий получать параметры модели с заданной точностью по результатам измерений ВАХ. Для обеспечения высокой точности в этом случае требуется большое количество измерений, что возможно только с использованием автоматизированного измерительного комплекса.

Практическая значимость полученных результатов:

- разработан и внедрен в производство программно--аппаратный комплекс измерения статических параметров полупроводниковых приборов.

- на базе алгоритма декомпозиции вольт-амперной характеристики, формирования целевой функции и последующего её решения с применением методов оптимизации, предложена и апробирована методика оценки ряда параметров мощного биполярного транзистора, необходимых для моделирования режима квазинасыщения.

- разработана методика расчета параметров эквивалентной схемы IGBT транзистора на основании многооткликовых моделей данных структур, позволяющая выполнять проверку адекватности таких моделей, рассчитывать SPICE параметры и их ковариационные матрицы. Представленный метод реализован в виде программ на алгоритмическом языке Visual Basic.

- реализован проект автоматизации процессов регистрации и анализа качества, производительности и конкурентоспособности изделий на предприятиях радиоэлектронного профиля.

Результаты диссертационной работы представляют практический и научный интерес для специалистов:

- работающих в области систем автоматизированного проектирования радиоэлектронных устройств,

- производителей элементной базы силовой электроники с целью корректировки режимов технологических процессов, анализа качества выпускаемых приборов и экстракции параметров их моделей,

- потребителей данной продукции с целью входного контроля для выявления потенциально ненадежных компонентов и экстракции их параметров для обеспечения адекватного моделирования изделий силовой электроники.

Материалы исследований используются в учебном процессе для студентов специальности "654100 - электроника и микроэлектроника", а так же при дипломном проектировании в Новгородском государственном университете. Перечень публикаций приведен в заключении.

На конкурсе персональных грантов кандидатского проекта Администрации Санкт-Петербурга, Министерства образования Российской Федерации и Российской Академии наук при участии Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки» получен диплом АСП № 303154, номер гранта М03-3.11К-272.

Научные положения, выносимые на. защиту. В результате проведенных исследований получены новые научные результаты, позволяющие сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:

- интеграция аппаратных средств измерения и программного обеспечения, включающего методы идентификации параметров моделей полупроводниковых приборов и информационного приложения в виде СУБД в единый программно-аппаратный комплекс привело к созданию инновационного продукта, позволяющего повысить эффективность измерения, идентификации и коррекции параметров моделей мощных полупроводниковых компонентов;

- предложен и реализован практически алгоритм идентификации статических параметров с использованием метода декомпозиции уравнений модели, основанный на физических особенностях работы прибора;

- метод оценивания статических параметров для сложных эквивалентных схем на основе статистического анализа многооткликовых моделей по экспериментальным данным позволяет получать оценки всех параметров эквивалентных схем и их статистические характеристики.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на VIII Всероссийских Туполевских чтениях студентов «Актуальные проблемы авиастроения» (Казань, 1998), VI Международной студенческой школе-семинаре "Новые информационные технологии" (Москва, 1999), Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" (Рязань, 2000), Пятой Санкт-Петербургской Ассамблее молодых ученых и специалистов (Санкт-Петербург, 2000), VIII и IX научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов (Великий Новгород, 2001-2002), IV международной научно-технической конференции «Электроника и информатика - 2002» (Москва, 2002), VII научной молодежной школе по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наноструктур» (Санкт-Петербург, 2004 г.), III всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2004)» (г. Анжеро-Судженск).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 2 в статьи в научно-техническом журнале "Измерительная техника" (государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии), одна статья в научно-техническом и прикладном журнале Вестник Новгородского Государственного университета, а так же ряд публикаций в сборниках трудов конференций и семинаров.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 82 наименований и приложения. Объем диссертации составляет 203 страницы, включая 88 рисунков, 11 таблиц, 2 листинга программ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены научные положения, выносимые на защиту, отмечены научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена анализу развития и состояния элементной базы силовой электроники и проблемам разработки их моделей по данным литературы. Рассмотрены современные САПР электронной техники. Особое внимание уделено рассмотрению математических моделей мощных полупроводниковых приборов, используемых в системах автоматизированного проектирования. Определены основные проблемы, требующие разработки и исследований.

Во ВТОРОЙ главе рассмотрены вопросы разработки и реализации измерительного комплекса, ориентированного на получение вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов, которые могут быть использованы в виде табличных экспериментальных моделей и в качестве исходных данных при решении задачи идентификации параметров их моделей.

Использование традиционных методик измерения для получения таких характеристик крайне неэффективно, так как требует больших временных затрат как на измерение, так и на ввод данных для их последующей обработки. А в некоторых случаях, как, например, при использовании многооткликовых моделей, практически нереализуемо. В связи с этим весьма актуальной является разработки эффективного и недорогого измерителя статических характеристик полупроводниковых приборов, имеющего интерфейс с компьютером.

Реализация автоматизированного измерительного комплекса предполагает решение двух групп задач:

- разработка аппаратной части измерителя, включающая следующее: структурную схему, набор основных функциональных блоков и интерфейс измерителя с компьютером;

- разработка специального программного обеспечения, включающего: программы управления измерительными блоками комплекса, программы предназначенные для выполнения математической обработки результатов измерений и помещения их в базу данных, программы для работы с результатами измерений в базе данных.

На основании анализа литературных источников, мониторинга соответствующего сектора рынка и согласования с заказчиком ФГУП ПО «Квант» сформулированы требования, предъявляемые к аппаратной части измерителя:

- измеритель должен иметь модульную конструкцию для обеспечения возможности расширения технических характеристик и параметров путем добавления или замены функциональных блоков;

- измеритель должен обеспечивать проведение измерений статических характеристик двух- и трехполюсных элементов под управлением компьютера IBM PC;

- для реализации процесса измерения статических характеристик широкого класса полупроводниковых приборов требуется, во-первых, задавать входное воздействие (ток или напряжение) и, во-вторых, измерять величины токов и/или напряжений во входных и выходных цепях исследуемого прибора.

На базе перечисленных требований разработана структура измерительного комплекса, содержащая набор основных функциональных блоков, представленная на рисунке 1.

Одним из ключевых блоков автоматизированного измерительного комплекса является интерфейсная плата (узел 2 на рисунке 1). Она предназначена для реализации следующих функций:

- управление исполнительными устройствами,

- преобразование измеряемых аналоговых сигналов в цифровой код,

- выполнение коммутаций,

- осуществление координации работы всех функциональных блоков измерительного устройства под управлением персонального компьютера (ПК).

Коллекторный источник (узлы 3 и 5 на рисунке 1) предназначен для измерения ВАХ двухполюсных элементов и для подачи напряжения на коллектор (сток) в случае измерения параметров транзисторов и состоит из двух блоков:

- низковольтного (НВ) универсального источника, способного работать в режимах источника тока и источника напряжения;

- высоковольтного (ВВ) источника напряжения.

Рисунок 1 - Структурная схема измерительного комплекса: 1 — персональный компьютер; 2 — интерфейсная плата; 3,4 -управляемые источники входного воздействия;

5,6 — измерители тока; 7 - исследуемый элемент

В базовом блоке питания (узлы 4 и 6 на рисунке 1) использованы источники двух типов: источник напряжения управляемый напряжением (ИНУН) и источник тока управляемый напряжением (ИТУН), что позволяет значительно повысить его эффективность и упростить измерительную схему.

Программное обеспечение для управления измерительным комплексом выполнено в виде комплекса программ, в котором можно выделить три составляющие:

- программы для управления блоками измерительного комплекса в процессе проведения измерений, а также для выполнения первичной обработки результатов измерений (в частности сглаживание экспериментальных кривых и устранение грубых выбросов) и передачу их на управляющий компьютер;

- программы, управляющие микропроцессорным измерителем и заносящие полученные результаты в базу данных;

- программы, предназначенные для работы с результатами измерений, сохраненными в базе данных.

Аппаратная часть разработанного измерительного комплекса имеет функциональные возможности, приведенные в таблице 1.

Таблица 1 - Характеристики функциональных блоков измерителя

Коллекторный источник

Базовый источник

Преобразователь ток-напряжение

- О до 10 В, максимальный выходной ток 10А

-10 до 60 В, максимальный выходной ток 20 мА;

- 60 до 300 В, максимальный выходной ток 5 мА;

- 300 до 1500 В, максимальный выходной ток 1 мА.

и=-ю- 10В I = 1 мкА -5- 10А

10 нА-г 100 нА; 100 нАч-1 мкА; 1 мкА -ь 10 мкА;

• 10 мкА 4-100 мкА; 100 мкА + 1 мА;

• 1 мкА -ь 10 мкА;

• ЮмА-н 100 мА; 100 мА-г 1 А;

1 А -¡-10 А.

Максимальная погрешность измерения токов и напряжений во всех диапазонах не превышает 2%.

В третьей главе излагается методика идентификации параметров SPICE-моделей мощных полупроводниковых приборов, основанная на физических принципах их работы. Проведено обоснование выбора моделей, методов нелинейной регрессии и методов оптимизации. Приведены результаты анализа эффективности различных методов оптимизации при решении задачи идентификации. Даны результаты апробации разработанных методик для биполярных и МОП транзисторов.

Предложенные методы расчета параметров моделей биполярных и МОП транзисторов базируются на аппроксимации методом наименьших квадратов.

Метод основан на минимизации целевой функции:

— экспериментальные точки, В - вектор параметров, а/(Ь) - функция, представляющая математическую модель прибора.

Разработан алгоритм идентификации статических параметров SPICE-моделей, основанный на учете физических принципов функционирования мощных полупроводниковых приборов и состоит из следующих шагов:

1) Выбираются наиболее информативные характеристики, по которым будут определяться параметры модели и формируются уравнения модели для выбранных характеристик.

2) Производится декомпозиция и упрощение уравнений модели, основанные на физике работы прибора. Многие SPICE-модели полупроводниковых приборов можно представить в виде кусочно-непрерывной функции, отдельные уравнения которых описывают работу прибора в различных режимах. Большинство параметров используется только в пределах одного из уравнений. Для каждого участка формируется своя целевая функция, использующая свой вектор параметров и данных, что приводит к сокращению размерности пространства.

3) Осуществляется оптимизация целевых функций, результатом которой являются параметры SPICE-модели.

Методика идентификации параметров SPICE-моделимощного биполярного транзистора. В программе PSpice используется схема замещения биполярного транзистора в виде адаптированной модели Гуммеля-Пуна, которая по сравнению с исходной моделью позволяет учесть эффекты, возникающие при больших смещениях на переходах (рисунок 2).

Рисунок 2 - SPICE модель мощного биполярного транзистора

Статические характеристики транзистора в основном определяются 19 параметрами, которые можно разделить на 3 группы: параметры, оказывающие влияние в нормальном активном режиме; параметры, влияющие в инверсном режиме и параметры, влияние которых не зависит от режима работы транзистора. В первые группу входит 8 параметров, вторую - 6 и третью - 5.

Показано, что наиболее информативными характеристиками, по которым можно определить практически все основные параметры модели, являются (рисунок 3):

- зависимости тока коллектора и тока базы от напряжения база-эмиттер при Цкб~0 (нормальный активный режим);

- зависимости тока эмиттера и тока базы от напряжения база-коллектор при Цэб^Я (инверсный режим).

- выходные ВАХ, представляющие зависимость 1с = (Усе, "Уев), позволяющие рассчитать два напряжения Эрли (УА для нормального и УВ для инверсного режимов работы), а так же два параметра, связанные с режимом квазинасыщения: У0 и КСО.

а) зависимости lg(Is) и lg(Ic) от напряжения Übe (Ubc);

б) определение напряжений Эрли и параметров, моделирующих режим квазинасыщения, из характеристик Ic(Uce) и Ie(Uec)

Рисунок 3 - Схема определения параметров модели биполярного транзистора Для мощных биполярных транзисторов, работающих в режиме высоких уровней инжекции, необходимо учитывать связанную с этим режимом группу физических эффектов. Их точное моделирование требует знания множества технологических и топологических параметров, являющихся доступными только для производителей электронных компонентов. Поэтому в SPICE модели Гуммеля-Пуна для их моделирования используются интегральные параметры IKF и IKR, соответствующие переходу транзистора в режим высокой инжекции для нормального и инверсного режимов работы.

Наряду с параметрами высокого уровня инжекции для мощных транзисторов важно также моделировать наличие у них специфического режима работы, называемого режимом квазинасыщения. В расширенной модели Гуммеля-Пуна последний эффект ¥читывается введением дополнительного \птавляе-

мого источника тока:

, _ УО\я>, И^ясо)-)-Ц(1 + к{увсоЩ 4- К{ук

* RCO-^Ko-VKwl+yo)

п+у*

для задания которого требуется определение трех дополнительных параметров: V0 - напряжение, падающее на слаболегированной эпитаксиальной области, при котором величина низкополевой подвижности носителей уменьшается в

два раза; - сопротивление эпитаксиальной об-

ласти; GAMMA - коэффициент легирования эпитаксиальной области.

С целью апробации предложенной методики была проведена идентификации параметров модели мощного биполярного n-p-n транзистора BUL45 (Motorola). Исследовалась партия из 30 транзисторов. На рисунке 4 приведено сравнение экспериментальных и теоретических выходных характеристик транзистора BUL45.

^ 1-1—--1-'—I—--1--—т—--1-f—

О 1 а » 4 5 S g

• экспериментальная характеристика, - расчетная характеристика Рисунок 4 - Сравнение экспериментальных и модельных характеристик биполярного транзистора BUL45

Методика идентификации параметров SPICE-модели мощного МОП транзистора первого уровня. Стандартные SPICE модели МОП транзисторов были разработаны для приборов малой мощности и оказались непригодны для анализа мощных полевых транзисторов с вертикальной структурой по ряду параметров. Главным недостатков встроенных моделей является недостоверная аппроксимация зависимости паразитных емкостей (и заряда затвора) от напряжения затвор-исток. Для моделирования схем, использующих мощные МОП транзисторы, фирма International Rectifier предложила ряд модификаций, приближающих характеристики моделей к параметрам реальных транзисторов. Такая усовершенствованная модель была разработана S. Malouyans, в которой стандартная модель Шихмана-Ходжеса дополнена рядом элементов, что позволило учесть нелинейную зависимость емкости Миллера от напряжения сток-исток и паразитные индуктивности.

Модель первого уровня LEVEL 1 представляет собой известную модель МОП транзистора Шихмана-Ходжеса (рисунок 5а) и позволяет достичь удовлетворительной точности расчета для транзисторов с длиной канала до 5 мкм, что соответствует мощным структурам. Показано, что большинство параметров SPICE-модели МОП транзисторов первого уровня могут быть определены из семейства характеристик и из выходных характеристик.

Методика расчета принципиально не отличается от используемой для биполярных транзисторов: упрощение математических уравнений характеристики МОП транзистора осуществляется за счет разделения на участки, для которых формируются целевые функции и методом оптимизации находятся неизвестные параметры модели.

Для определения параметров Vtq> КР и у в данной работе использовано измерение входных ВАХ ПТ в режиме насыщения (рисунок 56). Пороговое напряжение Vto находится путём аппроксимации пересечения линейной части графика с осью напряжений, а значение удельной крутизны КР определяется наклоном этого графика.

а) б)

Рисунок 5 — Эквивалентная схема МОП-транзистора (а) и схема определения

Аналогичный способ экстракции параметра Vto использован при формировании макромодели IGBT транзистора, представленной в пятой главе.

Для апробации предложенной методики проведен расчет параметров модели мощного n-канального транзистора IRFD120 (Harris Semiconductor). Сравнение экспериментальных и расчетных выходных характеристик приведено на рисунке 6.

Предложенные алгоритмы расчета параметров моделей мощных полупроводниковых приборов реализованы в виде программного обеспечения ПК.

и -ТВ

• экспериментальная характеристика, - расчетная характеристика

Рисунок 6 - Сравнение характеристик МОП транзистора

В четвертой главе содержится описание методики определения параметров эквивалентной схемы IGBT транзистора как многополюсника с помощью многооткликовых регрессионных моделей.

Описанный выше алгоритм идентификации статических параметров, основанный на декомпозиции ВАХ исследуемого прибора, применим лишь в том -случае, когда можно четко выделить протекающие в структуре исследуемого прибора процессы, физика которых известна и определяемые параметры модели явным образом связаны с контролируемыми в процессе измерения переменными.

В виду сложности структуры IGBT транзистора его модель удобнее представить в виде макромодели, содержащей набор характеристических компонентов.

На основании анализа существующих моделей IGBT транзистора выбрана наиболее эффективная структура с точки зрения функциональности, достаточности набора параметров и вычислительных затрат. Макромодель IGBT структуры представляет собой мощный высоковольтный PNP транзистор, управляемый от низковольтного МОП транзистора с индуцированным каналом (рисунок 7а).

Параметры МОП транзистора определяют в основном динамические характеристики IGBT структуры: скорость включения и выключения, заряд затвора, динамические емкости и входные токи. При проведении данных исследований использовалась модель первого уровня LEVEL 1. Для статической модели по методике, изложенной в третьей главе, из экспериментальных данных определялись два основных параметра: пороговое напряжение (VTO) и удельная крутизна (КР).

Биполярный транзистор в IGBT структуре влияет на напряжение насыщения и скорость нарастания и спада выходного тока. Для настройки его модели наиболее важными являются параметры, определяющие величину напряжения насыщения: ISE - обратный ток эмиттерного перехода, RC - объемное сопротивление коллектора.

Задача расчета параметров в этом случае формулируется как задача определения статистических оценок параметров многооткликовой модели по экспериментальным данным. Использование многооткликовых моделей для расчета параметров полупроводниковых приборов требует решения нескольких проблем, связанных с конкретными свойствами исследуемых приборов. Эти проблемы включают анализ вида структурной модели и ее расчет, метод оценивания параметров, анализ ошибок наблюдений и проверка адекватности модели.

Статический режим эквивалентной схемы IGBT транзистора как многополюсника (рисунок 7б) определяется ее параметрами a,,,aK,Ia,Kf,Rc,Rl,It1,IB (всего 8 параметров эквивалентной схемы) и задаваемыми источниками напряжений VIN, VCC и определяется системой уравнений Кирхгофа в виде:

где У^ У2,У3,УА - напряжения в соответствующих узлах, причем напряжение У4 задается как У4 = УСС, а - ток соответствующего источника напряжения.

f

¿fc) Il

О"

п-Ф'

а) б)

Рисунок 7 - Макромодель (а) и эквивалентная схема (б) IGBT структуры

Структурная математическая модель многополюсника, получаемая на основании его эквивалентной схемы, представляется системой уравнений Кирхгофа в виде:Р(Б,Х,У)= 0, где Р(Б,Х,У)- т-мерный вектор функций, определяемых уравнениями Кирхгофа, У - т-мерный вектор определяемых электрических режимов, Х- к-мерный вектор задаваемых источников тока и напряжения, В-- /-мерный вектор параметров элементов эквивалентной схемы.

Расчет параметров эквивалентной схемы основан на результатах измерений электрических режимов, которые можно контролировать, при изменении задаваемых источников напряжения. Если можно контролировать все электрические режимы при различных значениях задаваемых источников напряжения, то по результатам выполнения п таких экспериментов путем построения много-откликовой регрессионной модели можно определить параметры эквивалентной схемы.

Для расчета оценок параметров методом максимального правдоподобия используется итерационная процедура, основанная на модифицированном методе Гаусса, который является достаточно быстродействующим и относительно простым в вычислительном отношении. Оценки параметров, обеспечивающие максимум функции правдоподобия в этом методе можно выразить в следующем виде: где ,5 - номер итерации, п -

количество экспериментов, - коэффициент, определяющий длину шага итерации, - значения вектора независимых переменных электрического режима, - наблюденное значение вектора зависимых переменных, У* ■ • расчетное значение вектора зависимых переменных, - ковариационная матрица оценок параметров, - ковариационная матрица ошибок наблюдений.

Матрица 0(Б,Х,У) определяет чувствительность по параметрам эквивалентной схемы и рассчитывается как производная от наблюдаемых зависимых переменных по параметрам эквивалентной схемы:

аг(в,х,у)|' ЗУ . "

В некоторых случаях не все зависимые переменные могут быть измерены. В такой ситуации параметры эквивалентной схемы могут быть определены с помощью следующей итерационной процедуры:

С(В,Х,¥)----

в*' = В'+рх£р(в',х„г; кК - Ъ\}, где Ъ. - наблюденное значение

1=1

вектора наблюдаемых зависимых переменных, Z* - расчетное значение вектора наблюдаемых зависимых переменных.

Так в случае IGBT транзистора могут быть заданы два независимых источника напряжения И Хг- Ег (независимые переменные) и могут наблюдаться два тока У, =1мо$ И У2 =1КВ (зависимые переменные, т.е. отклик). Результаты такого эксперимента можно смоделировать с помощью двухотклико-вой модели.

Матрица P(B,X,Z) определяется как производная от наблюдаемых зависимых переменных по параметрам эквивалентной схемы, т.е.: =

Матрица P(B,X,Z) определяется из матрицы G(B,X,Y) путем исключения всех столбцов, соответствующих не наблюдаемым зависимым переменным. Оценка ковариационной матрицы ошибок наблюдений в точке 1°

рассчитывается по г повторяющимся наблюдениям: = —— £(2, -г°)т.

В качестве оценки ковариационной матрицы ошибок наблюдений У^ в

формуле использовалась средневзвешенная ковариационная матрица по к на— 1 *

блюдениям в виде:

к ¡.I

Ковариационная матрица Ув оценок параметров рассчитывается по

формуле: V, = |£р(в,Х,^^'Р^.Х,,Ъ1) ■ .

Описанный метод был реализован для оценивания параметров эквивалентной схемы IGBT транзисторов типа IRGPC40F. Были проведены измерения вольт амперных характеристик при изменении напряжения на затворе в диапазоне 0,1-15 V и на коллекторе в диапазоне 1-600 V. Для каждого прибора выполнялось 250 измерений тока при равномерном распределении точек контроля для получения значимых величин оцениваемых параметров. Для каждого прибора после расчета параметров эквивалентной схемы выполнялась проверка адекватности модели в соответствии с критерием - статистики:

тп *

Г2 =-, где п - число наблюдений, a R - вектор остатков модели.

тп-1 у.1

Для каждого прибора партии на основании полученной величины Тг определялась величина ^-уровня по формуле: = л' где - квантиль

распределения Фишера, соответствующий вероятности р со степенями свободы /, = и-г/т И /2=к{г-1).

На рисунке 8 приведено распределение Р-уровня, полученное с помощью программы Statistica по партии приборов объемом 56 прибора. Для нормализации распределения строилось распределение величины Ш(Р).

Полученное распределение хорошо описывается нормальным законом (на рисунке представлено сплошной линией), что подтверждается критерием Колмогорова-Смирнова. На основании нормального распределения рассчитывался нижний предел 95%-го доверительного интервала величины р, который составил 0,911, что означает адекватность всех моделей на уровне значимости 0,05. Кроме проверки адекватности выполнялся анализ остатков модели и выполнялась проверка нормальности их распределения для всех параметров, строилась диаграммы рассеяния и графики распределения остатков для визуального контроля нормальности остатков.

жад

К-« <КЮИ2, р» .28; 1ЛМн9 р» .30

■0.5 -0.5 • •М >0.3 -0.2 -0,1 P=-0.ttS

upper воипщкю Oi boundary)

Рисунок 8 - Распределение величины 1п(Р по партии приборов

В пятой главе описывается разработка и реализация информационного приложения, выполняющего функцию информационной среды, интегрирующей программно-аппаратный комплекс измерения и идентификации параметров SPICE-моделей и стандартные средства САПР в единую систему для решения задач моделирования, анализа, диагностики потенциально ненадежных компонентов и поддержки жизненного цикла проектируемых изделий.

Разработанное информационное приложение для входного контроля полупроводниковых приборов ориентировано на сбор, систематизацию, хранение, поиск и обработку информации, полученной в результате серии измерений статических ВАХ. Эта информационная составляющая реализована в форме СУБД на базе SQL сервера InterBase.

Организация взаимодействия приложения с базами данных InterBase в приложениях Delphi осуществляется благодаря компонентам ШХ.

Проведен сравнительный анализ SQL серверов и средств разработки приложений. Рассмотрены методы и технология работы с базами данных. Исходя из начальных условий и особенностей обработки экспериментальных данных, сформулированы требования по эргономичности, объему хранимой информации, а так же защите от несанкционированного доступа. Разработана структура реляционной базы данных (рисунок 9) и алгоритм функционирования оригинальной программы VahBase Client. Обеспечено взаимодействие разработанной системы управления базами данных (СУБД) с программами, управляющими измерительным комплексом и рассчитывающими параметры модели.

Рисунок 9 — Структурная схема реляционной базы данных

Измерительный комплекс, совместно с базой данных и программой Va-hBase Client может быть использована в следующих областях:

а) в качестве измерительной лаборатории для малых фирм, специализирующихся на ремонте и изготовлении специализированного оборудования;

б) в лаборатории, предназначенной для проведения занятий по учебным дисциплинам, связанным с изучением элементной базы микроэлектроники, и комплексу специальных дисциплин радиотехнического профиля;

в) на входном контроле для отбраковки полупроводниковых приборов, используемых в производстве сложных радиоэлектронных устройств;

г) в лабораториях качества и диагностики отказов компонентов электронной техники;

д) для разработчиков радиоэлектронной аппаратуры и обычных радиолюбителей. В этом случае интеграция измерительного комплекса с современными САПР типа DesignLab или OrCAD позволяет реализовать сквозную систему автоматизированного проектирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе выполнения диссертационной работы автором были получены следующие основные результаты:

1. Разработано и изготовлено аппаратное исполнение автоматизированного измерительного комплекса, имеющее интерфейс с персональным компьютером IBM и позволяющее задавать требуемые статические режимы работы, а так же снимать вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов в диапазонах напряжения до 1,5 кВ и тока от 10 нА до 10 А.

2. Для идентификации статических параметров мощных полупроводниковых приборов применен метод декомпозиции вольт-амперных характеристик на характерные участки, связанные с физическими особенностями их работы, который позволяет увеличить точность и уменьшить время расчета параметров модели.

3. Разработан и реализован в виде программного обеспечения измерительного комплекса метод оценивания статических параметров эквивалентных схем приборов и их статистических характеристик на основе многооткликового статистического анализа, позволяющий выполнять оценивание этих параметров с заданной точностью по результатам измерений ВАХ. Для получения значимых оценок определяемых параметров описанным методом необходимо проведение не менее 200-300 измерений и более, если требования к точности оценок высоки, что возможно только при автоматизации процесса измерений.

4. Осуществлена интеграция средств измерения и методов идентификации параметров моделей полупроводниковых приборов в единый программно-аппаратный комплекс, что повышает эффективность расчета параметров моделей.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Петров В. Н., Петров М. Н., Капралов С. А., Михайлов Д. В., Афанасьева Ю. В. Разработка информационного приложения для входного контроля полупроводниковых приборов // Вестник Новгородского Государственного университета. Научно-технический и прикладной журнал. - Великий Новгород: № 19 декабрь 2001 - С.61-65

2. Петров В. Н., Петров М. Н., Капралов С. А. Измерение и идентификация параметров SPICE-моделей полупроводниковых диодов // Измерительная техника. Научно-технический журнал. - Москва: № 5 май 2002 - С.53-57

3. Петров М. Н., Петров В. Н., Капралов С. А., Измерение и идентификация параметров SPICE-модели биполярного транзистора // Измерительная техника. Научно-технический журнал. - Москва: №3 май 2003. - С.41-46

4. Капралов С. А. Проектирование радиоэлектронных устройств в среде Design Center // VIII Всероссийские Туполевские чтения студентов «Актуальные проблемы авиастроения» 1998 г., Казань - С.115

5. Капралов С.А., СенькинА.Е. База данных элементов электронной техники // VI Международная студенческая школа-семинар "Новые информационные технологии" 1999 г., Москва- С. 120

6. Петров В. Н., Петров М. Н., Капралов С. А. Применение методов оптимизации к решению задачи определения параметров моделей полупроводниковых приборов // Пятая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов 2000 г., Санкт-Петербург - С.36

7. Капралов С. А. Решение задачи идентификации параметров модели полупроводниковых приборов // VIII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов 2001 г., Великий Новгород - С.76-77

8. Балов Р. В., Капралов С. А., Петров М. Н.Алгоритм расчета параметров SPICE модели IGBT // IX научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов 2002 г., Великий Новгород - С.113

9. Петров М. Н., Капралов С. А. Построение и апробация SPICE-модели IGBT транзистора // IV международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика - 2002» 2002 г., Москва - С. 111-112

10. Попов С. А., Петров М. Н., Корчагин А. Ф., Капралов С. А., Кожевникова В. А. Оценивание параметров эквивалентной схемы многополюсников с помощью измерительного комплекса // III всероссийская научно-практическая конференция «Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2004)» 2004 г., г. Анжеро-Судженск - С.76-78

11. Капралов С. А., Смуров А. М. Идентификация параметров макромодели IGBT транзистора // 7-я Научная молодежная школа по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наноструктур» 2005 г., Санкт-Петербург.-С.41

Работа поддержана:

- персональным грантом 2003 года для студентов, аспирантов и молодых специалистов по исследованиям в области технических наук Администрации Санкт-Петербурга Министерства образования Российской Федерации Российской Академии наук Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы», номер диплома АСП №303154, номер гранта М03-3.11К-272.

- научной работой НИР092/ФТТМ-34 «Разработка и изготовление программно-аппаратного комплекса измерения статических параметров полупроводниковых приборов».

05. ?Л

Изд. лиц. ЛР № 020815 от 21.09.98. Подписано в печать 11.04.2005. Бумага офсетная. Формат 60х84 1/16. Гарнитура Times New Roman. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,2. Тираж 100 экз. Заказ № 49. Издательско-полиграфический центр Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 173003, Великий Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, 41. Отпечатано в ИПЦ НовГУ. 173003, Великий Новгород, ул. Б. Санкт-Петербургская, 41.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 БАЗОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.

1.1 Понятие идеального ключа.

1.2 Общие положения о мощных полупроводниковых приборах.

1.2.1 История развития транзисторных ключей.

1.2.2 Силовые биполярные транзисторы.

1.2.3 Мощные МОП транзисторы.

1.2.4 IGBT структуры.

1.3 Области применения современных дискретных мощных электронных компонентов.

1.4 Системы автоматизированного проектирования электроники.

1.4.1 Средства САПР и уровни проектирования.

1.4.2 Развитие САПР PSpice.

1.4.3 SPICE модели мощных биполярных транзисторов.

1.4.4 SPICE модели мощных полевых транзисторов.

1.4.5 SPICE модели IGBT транзисторов.

1.5 Выводы.

ГЛАВА 2 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ИЗМЕРЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ СТАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ SPICE МОДЕЛЕЙ МОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР.

2.1 Соотношение аппаратного и программного обеспечения.

2.2 Разработка аппаратной части автоматизированного измерителя.

2.2.1 Методы измерения характеристик на постоянном токе.

2.2.2 Постановка задачи.

2.2.3 Интерфейсная плата.

2.2.4 Коллекторный источник напряжения.

2.2.5 Модуль базового (низковольтного) источника сигнала.

2.2.6 Обоснование выбора элементной базы.

2.2.7 Импульсные блоки питания.

2.3 Разработка программного обеспечения.

2.3.1 Требования к программному обеспечению.

2.3.2 Программное обеспечение внутренней системы управления микроконтроллера.

2.3.3 Программное обеспечение для управления измерительным комплексом.

2.3.4 Программное обеспечение тестирования работоспособности и калибровки аппаратных модулей прибора.

2.4 Проведение измерений.

2.4.1 Измерение вольт-амперных характеристик двухполюсников.

2.4.2 Измерение статических характеристик транзисторов.

2.4.3 Элементы управления комплекса.

2.4.4 Проведение измерений.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ SPICE МОДЕЛИ МОЩНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ.

3.1 Общие принципы идентификации параметров моделей по экспериментально измеренным характеристикам.

3.2 Методы упрощения нелинейных уравнений модели.

3.3 Методы формирования целевых функций.

3.4 Методы оптимизации.

3.5 Алгоритм идентификации параметров SPICE модели.

3.5.1 Выбор характеристик, по которым проводится идентификация.

3.5.2 Уменьшение размерности пространства.

3.5.3 Алгоритм разделения В АХ диода на характерные участки.

3.5.4 Выбор вектора начальных приближений.

3.5.5 Масштабирование.

3.6 Идентификация модели мощного биполярного транзистора.

3.6.1 SPICE-модель биполярного транзистора.

3.6.2 Алгоритм определения параметров модели биполярного транзистора.

3.6.3 Расчет параметров Pf, Ise и пЕ.

3.6.4 Расчет напряжения Эрли.

3.6.5 Расчет сопротивлений эмиттера и коллектора.

3.6.6 Расчет сопротивления базы.

3.6.7 Расчет параметров высокого уровня инжекции.

3.6.8 Моделирование режима квазинасыщения.

3.6.9 Апробация методики.

3.7 Идентификация модели мощного МОП-транзистора.

3.7.1 SPICE-модель МОП-транзистора первого уровня.

3.7.2 Алгоритм идентификации параметров модели первого уровня.

3.8 Выводы.

ГЛАВА 4 - ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ IGBT ТРАНЗИСТОРА С ПОМОЩЬЮ МНОГООТКЛИКОВЫХ РЕГРЕССИОННЫХ МОДЕЛЕЙ.

4.1 Постановка задачи оценивания параметров эквивалентной схемы с помощью многооткликовой регрессионной модели.

4.2 Эквивалентная схема IGBT транзистора.

4.3 Расчет статического режима.

4.4 Расчет оценок параметров эквивалентной схемы.

4.5 Проверка адекватности модели.

4.6 Программа расчета статического режима IGBT транзистора.

4.7 Программа расчета оценок параметров эквивалентной схемы IGBT транзистора.

4.8 Методика проведения эксперимента и результаты расчетов.

4.9 Выводы.

ГЛАВА 5 ИНФОРМАЦИОННОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ САПР.

5.1 Общие положения.

5.2 Сравнительный обзор серверов SQL.

5.3 Обзор средств разработки приложений.

5.4 Delphi как среда разработки информационных приложений.

5.5 Методы работы с базами данных InterBase.

5.5.1 Общие характеристики InterBase.

5.5.2 Технология InterBase Express.

5.6 Необходимые требования к структуре базы данных.

5.7 Организация взаимодействия приложения с базой данных.

5.8 Проектирование схемы реляционной базы данных.

5.8.1 Реляционные базы данных.

5.8.2 Проектирование структуры реляционной базы данных.

5.9 Программирование базы данных в InterBase.

5.9.1 Организация интерфейса прикладной программы.

5.10 Выводы.

Анализ режимов работы мощных импульсных устройств, которые приобретают все большее распространение в связи с развитием полупроводниковой элементной базы, является весьма сложным процессом. Такой анализ, на сегодняшний день, становится возможен только с использованием компьютерного моделирования, точность которого определяется качеством математических моделей элементов, входящих в состав схемы. Развитие средств автоматизированного проектирования привело к создания специального класса моделей полупроводниковых приборов и элементов ИС, известных под названием SPICE-моделей. Количество параметров, необходимых для описания таких моделей определяется уровнем развития технологии, характеризуемой величиной топологической нормы.

На сегодняшний день большинство крупных фирм-производителей микроэлектронных компонентов наряду с традиционным способом представления параметров выпускаемых приборов дает в руки разработчиков их SPICE-модели. Современные пакеты автоматизированного проектирования включают в себя обширные библиотеки моделей компонентов электронной техники, выпускаемых иностранной промышленностью. Однако в библиотеках SPICE-моделей заданы усредненные параметры прибора и, как правило, не указан их допустимый разброс. Для использования современных САПР при разработке схем, содержащих микроэлектронные компоненты отечественного производства, необходимо создание адекватных им SPICE-моделей с последующей реализацией на их базе библиотек отечественных компонентов. В этой связи принципиальное значение приобретает разработка методик измерения и идентификации параметров SPICE-моделей.

Для проведения эффективного и точного моделирования электронных схем необходимо обеспечение следующих возможностей:

- наличие обширных библиотек моделей;

- возможность модификации моделей библиотечных элементов;

- создание иерархии моделей, позволяющих выбирать между точностью и скоростью расчета;

- наличие средств построения моделей, так как ни одна библиотека не может содержать набор моделей, удовлетворяющий всех пользователей;

-наличие измерительных средств, позволяющих проводить измерения характеристик приборов с целью создания моделей.

Для успешного решения задачи идентификации статических параметров SPICE-моделей мощных полупроводниковых приборов необходима разработка измерительной базы и соответствующего программного обеспечения, включающего методы расчета параметров и их статистических характеристик по экспериментальным данным.

В большинство публикаций, посвященных вопросам идентификации параметров SPICE-моделей, рассматриваются в основном проблемы расчета параметров моделей транзисторов малой и средней мощности. В меньшей степени развито направление мощных полупроводниковых структур. Практически важным является интеграция методов идентификации параметров моделей с измерительными приборами в единый комплекс.

Цель работы. Цель данной работы — разработка методик измерения и идентификации статических параметров SPICE-моделей мощных полупроводниковых и микроэлектронных приборов.

Для достижения поставленной цели ставились следующие задачи:

- разработка автоматизированного измерительного комплекса, работающего под управлением персонального компьютера IBM PC и обеспечивающего измерение статических вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов;

- разработка методик идентификации параметров SPICE-моделей мощных полупроводниковых приборов на основании измеренных вольт-амперных характеристик;

- разработка программного обеспечения, предназначенного для управления измерительным комплексом, обработки экспериментальных результатов и выполнения идентификации параметров моделей;

- разработка информационного приложения на платформе клиент-сервер, интегрирующего программно-аппаратный комплекс измерения и идентификации параметров SPICE-моделей и стандартные средства САПР в единую среду в масштабе предприятия для решения задач имитационного моделирования, анализа и диагностики потенциально ненадежных компонентов и поддержки жизненного цикла изделий.

Методы исследования. Для решения поставленных задач выполнено следующее. С целью сопряжения аналогового измерительного комплекса с персональным компьютером использовалось аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование, а так же построенная на базе микроконтроллера

AVR и входящая в состав автоматизированного измерителя интерфейсная плата, обменивающаяся данными с компьютером через стандартный последовательный интерфейс синхронной и асинхронной передачи данных (СОМ порт). За основу метода нелинейного моделирования взят метод наименьших квадратов. Для минимизации целевой функции использовались метод сопряженный направлений Пауэлла, методы переменной метрики Бройдена - Флетчера -Шанно и Дэвидона - Флетчера - Пауэлла, а также ньютоновский метод Левен-берга - Маркварта. Для задания ограничений области определения целевой функции использовался методы штрафных функций. Применялись оригинальные методы декомпозиции целевой функции, позволяющие повысить эффективность оптимизации. Для расчета оценок параметров IGBT транзистора использовался подход на базе многооткликовой модели, описывающей эквивалентную схему транзистора, по результатам измерений наблюдаемых токов и напряжений ВАХ.

Решение поставленных задач осуществлялось автором на кафедре физики твердого тела и микроэлектроники Новгородского государственного университета.

Научная новизна. Диссертационная работа характеризуется следующей научной новизной:

1. Для идентификации статических параметров мощных полупроводниковых приборов адаптирована методика декомпозиции вольт-амперных характеристик на характерные участки, в основе которого лежит выделение различных механизмов токопереноса, включая участок высокого уровня инжекции и квазинасыщения.

2. Предложен метод экстракции параметров SPICE модели IGBT транзисторов, основанный на статистическом анализе многооткликовых моделей этих транзисторов, позволяющий получать параметры модели с заданной точностью по результатам измерений ВАХ. Для обеспечения высокой точности в этом случае требуется большое количество измерений, что возможно только с использованием автоматизированного измерительного комплекса.

Обоснованность и достоверность технических и экспериментальных исследований доказывается широким практическим апробированием основных результатов работы в лаборатории отказов ФГУП ПО «Квант» и рассмотрением теоретических изысканий на конференциях и семинарах различного ранга, включая публикации в рецензируемых журналах.

Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:

- разработан и внедрен в производство программно-аппаратный комплекс измерения статических параметров полупроводниковых приборов.

- на базе алгоритма декомпозиции вольт-амперной характеристики, формирования целевой функции и последующего её решения с применением методов оптимизации, предложена и апробирована методика оценки ряда параметров мощного биполярного транзистора, необходимых для моделирования режима квазинасыщения.

- разработана методика расчета параметров эквивалентной схемы IGBT транзистора на основании многооткликовых моделей данных структур, позволяющая выполнять проверку адекватности таких моделей, рассчитывать SPICE параметры и их ковариационные матрицы. Представленный метод реализован в виде программ на алгоритмическом языке Visual Basic.

- реализован проект автоматизации процессов регистрации и анализа качества, производительности и конкурентоспособности на предприятиях электронной промышленности.

Результаты диссертационной работы представляют практический и научный интерес для специалистов:

- работающих в области систем автоматизированного проектирования,

- производителей элементной базы силовой электроники с целью корректировки режимов технологических процессов, анализа качества выпускаемых приборов и экстракции параметров их моделей,

- потребителей данной продукции с целью входного контроля для выявления потенциально ненадежных компонентов и экстракции их параметров для обеспечения адекватного моделирования изделий силовой электроники.

Материалы исследований используются в учебном процессе для студентов специальности "654100 - электроника и микроэлектроника", а так же при дипломном проектировании в Новгородском государственном университете. Перечень публикаций приведен в заключении.

На конкурсе персональных грантов кандидатского проекта Администрации Санкт-Петербурга, Министерства образования Российской Федерации и Российской Академии наук при участии Федеральной целевой программы «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки» получен диплом АСП № 303154, номер гранта М03-3.11К-272.

Научные положения, выносимые на защиту. В результате проведенных исследований получены новые научные результаты, позволяющие сформулировать следующие научные положения, выносимые на защиту:

- интеграция аппаратных средств измерения и программного обеспечения, включающего методы идентификации параметров моделей полупроводниковых приборов и информационного приложения в виде СУБД в единый программно-аппаратный комплекс привело к созданию инновационного продукта, позволяющего повысить эффективность измерения, идентификации и коррекции параметров моделей;

- предложен и реализован практически алгоритм идентификации статических параметров с использованием метода декомпозиции уравнений модели, основанного на физических особенностях работы прибора;

- метод оценивания статических параметров для сложных эквивалентных схем на основе статистического анализа многооткликовых моделей ВАХ по экспериментальным данным позволяет получать оценки всех параметров эквивалентных схем и их статистические характеристики.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. Конкурс персональных грантов для студентов, аспирантов и молодых специалистов по исследованиям в области технических наук / Администрация Санкт-Петербурга Министерство образования Российской Федерации Российская Академия наук Федеральная целевая программа «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы» 2003 г.

2. VIII Всероссийские Туполевские чтения студентов «Актуальные проблемы авиастроения» 1998 г., Казань.

3. VI Международная студенческая школа-семинар "Новые информационные технологии" 1999 г., Москва.

4. Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" 2000 г., Рязань.

5. Пятая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов 2000 г., Санкт-Петербург.

6. VIII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов

2001 г., Великий Новгород.

7. IX научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов

2002 г., Великий Новгород.

8. IV международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика - 2002» 2002 г., Москва.

9. VII научная молодежная школа по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наноструктур» 2003 г., Санкт-Петербург.

10. III всероссийская научно-практическая конференция «Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2004)» 2004 г., Анжеро-Судженск.

11. 7-я Научная молодежная школа по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наноструктур» 2004 г., Санкт-Петербург.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 2 статьи в научно-техническом журнале "Измерительная техника" (государственного комитета Российской Федерации по стандартизации и метрологии), одна - в научно-техническом и прикладном журнале Вестник Новгородского Государственного университета, а так же ряд публикаций в сборниках трудов конференций и семинаров. Перечень публикаций приведен в заключении.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы, содержащего 82 наименований и приложения. Объем диссертации составляет 203 страницы, включая 88 рисунков, 17 таблиц, 2 листинга программ.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

1. Разработка информационного приложения для входного контроля полупроводниковых приборов Вестник Новгородского Государственного университета/Научно-технический и прикладной журнал. - Великий Новгород: № 19 декабрь 2001 -С.61-65

2. Измерение и идентификация параметров SPICE-моделей полупроводниковых диодов Измерительная техника/ Научно-технический журнал. - Москва: № 5 май 2002 - С.53-57

3. Измерение и идентификация параметров SPICE-модели биполярного транзистора Измерительная техника/ Научно-технический журнал. - Москва: №3 май 2003.-С.41-46

4. VIII Всероссийские Туполевские чтения студентов «Актуальные проблемы авиастроения» 1998 г., Казань - С.115

5. VI Международная студенческая школа-семинар "Новые информационные технологии" 1999 г., Москва - С. 120

6. Всероссийская научно-техническая конференция студентов, молодых ученых и специалистов "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" 2000 г., Рязань - С. 196

7. Пятая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов 2000 г., Санкт-Петербург - С.36

8. VIII научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов

2001 г., Великий Новгород - С.76-77

9. IX научная конференция преподавателей, аспирантов и студентов

2002 г., Великий Новгород - С.113

10. IV международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика - 2002» 2002 г., Москва - С.111-112

11. VII научная молодежная школа по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наноструктур» 2003 г., Санкт-Петербург.

12. Ill всероссийская научно-практическая конференция «Информационные технологии и математическое моделирование (ИТММ-2004)» 2004 г., г. Анжеро-Судженск - С.76-78

13. 7-я Научная молодежная школа по твердотельной электронике «Физика и технология микро- и наноструктур» 2004 г., Санкт-Петербург. - С.41

Работа поддержана:

1. персональным грантом 2003 года для студентов, аспирантов и молодых специалистов по исследованиям в области технических наук Администрации Санкт-Петербурга Министерства образования Российской Федерации Российской Академии наук Федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 годы», номер диплома АСП №303154, номер гранта М03-3.11К-272.

2. НИР092/ФТТМ-34 «Разработка и изготовление программно-аппаратного комплекса измерения статических параметров мощных полупроводниковых приборов».

Свидетельство призера получено за выступление на Седьмой Международной студенческой школе-семинаре "Новые информационные технологии" в 1999 году.

Доклад по одному из разделов диссертационной работы на Всероссийском конкурсе научных работ студентов по радиотехнике, электронике и связи в 2001 году отмечен дипломом президиума центрального совета Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.Попова.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю М.Н.Петрову, соруководителю проекта С.А.Попову, всем сотрудникам кафедры ФТТМ, ректору ИЭИС Б.И.Селезневу за помощь в проведении исследований и обсуждении результатов работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современные электронные системы достигли такого уровня сложности, что их проектирование невозможно без использования средств вычислительной техники. На сегодняшний день разработаны эффективные средства автоматизированного проектирования электронных схем, позволяющие осуществить полный цикл сквозного проектирования. Построение точных моделей цепей - важное условие успешной разработки электронной схемы. В настоящее время решены основные проблемы, связанных с моделированием электрических цепей: разработаны эффективные алгоритмы формирования и решения систем уравнений, описывающих электронные схемы, созданы точные модели большинства компонентов схем. Однако слабым звеном в моделировании электронных схем остается моделирование отдельных полупроводниковых элементов в различных режимах работы. Для этого кроме точной модели прибора требуется надежный метод сбора информации, на основании которой строится модель.

На основании проведенных исследований методов определения параметров SPICE-моделей мощных полупроводниковых приборов установлено следующее:

1. Разработано и изготовлено аппаратное исполнение автоматизированного измерительного комплекса, имеющее интерфейс с персональным компьютером IBM и позволяющее задавать требуемые статические режимы работы, а так же снимать вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов в диапазонах напряжения до 1,5 кВ и тока от 10 нА до 10 А.

2. Разработан и реализован в виде программного обеспечения измерительного комплекса метод оценивания статических параметров эквивалентных схем приборов и их статистических характеристик на основе многооткликового статистического анализа, позволяющий выполнять оценивание этих параметров с заданной точностью по результатам измерений ВАХ. Для получения значимых оценок определяемых параметров описанным методом необходимо проведение не менее 200-300 измерений и более, если требования к точности оценок высоки, что возможно только при автоматизации процесса измерений.

3. Осуществлена интеграция средств измерения и методов идентификации параметров моделей полупроводниковых приборов в единый программно-аппаратный комплекс, что повышает эффективность расчета параметров моделей.

4. Для идентификации статических параметров мощных полупроводниковых приборов применен метод декомпозиции вольт-амперных характеристик на характерные участки, связанные с физическими особенностями их работы, который позволяет увеличить точность и уменьшить время расчета параметров модели.

1. Петров В. Н., Петров М. Н. Автоматизированный измеритель статических параметров полупроводниковых приборов // Измерительная техника. — 1996. — № 12. — с. 22-26.

2. Петров В. Н., Петров М. Н. Автоматизированный характериограф // Вестник НовГУ. — 1996. — № 3. — с. 101-102.

3. Banzhaf W. Computer aided circuit analysis using PSPICE. Prentice Hall, 1989.

4. Hines J. R. Circuit simulation with PSPICE. Prentice Hall, 1989.

5. McCalla W. J. Fundamentals of computer-aided circuit simulation. Klu-wer Academic, 1998.

6. Nilsson J. W., Riedel S. A. Introduction to PSPICE. A Supplement to Electric Circuits. Forth Edition. Addison-Wesley Publishing Company, Inc., 1993, 154 p.

7. Sussman-Fort S. E., Narasimhan S., Mayarman K. A complete GaAs MESFET computer model for PSPICE // IEEE Transactions on microwave theory and techniques/ 1984/MTT-32. P. 471-473

8. Разевиг В. Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice). М.: СК Пресс, 1996. - 272 е., ил.

9. Баталов Б.В., Егоров Ю. Б., Русаков С. Г. Основы математического моделирования больших интегральных схем на ЭВМ. М.: Радио и связь, 1982.

10. Чахмахсазян Е. А., Мозговой Г. П., Силин В. Д. Математическое моделирование и макромоделирование биполярных элементов электронных схем. М.: Радио и связь, 1985.

11. MicroSim PSpice A/D. Circuit Analysis References Manual. Ver. 6.2 MicroSim Corporation. California, 1995. 431 p.

12. Valouyans S. Компьютерные модели SPICE для силовых МОП ПТ. Силовые полупроводниковые приборы. Воронеж. 1995. International Rectifier. Перевод английского.

13. Shichman H., Hodges D. A. Modeling and simulation of insulated gate field effect transistor switching circuits // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 1968. CS-3. 285.

14. Маллер P., Кейминс Т. Элементы интегральных схем: Перевод с английского. М: Мир, 1989. - 630 е., ил.

15. Getreu I. Е. Modeling the Bipolar Transistor. — Amsterdam: Elsevier Scientific Publishing Company, 1978 — 261 p.

16. Ashburn P. Design and realization of bipolar transistors. — NY: John Wiley & Sons. — 198 p.

17. Sischka F. Eine Methode zur Bestimmung der SPICE-Parameter fur bipolar Transistoren // AEU. — 1985. — B. 39. — №. 4. — p. 225-232.

18. Kiyoyuki Yokoyama, Akira Yoshii, Tohru Adachi, Ryota Kasai Application of Fletcher-Powell's Optimization Method to Process/Device Simulation of MOSFET Characteristics // Solid-State Electronics. — 1982. — V. 25. — № 3. — p. 201-203.

19. Ward D. E., Doganis K. Optimized Extraction of MOS Model Parameters // IEEE Transaction on Computer-Aided Design of Integrated Circuit and Systems. — 1982. — V. CAD-1. — № 4. — p. 163-168.

20. Doganis K., Scharfetter D. L. General Optimization and Extraction of 1С Device Model Parameters // IEEE Transaction on Electron Devices. — 1983. — V. ED-30. — № 9. — p. 1219-1228.

21. Yang P., Chatterjee P. K. An Optimal Parameter Extraction Program for MOSFET Models // IEEE Transaction on Electron Devices. — 1983. — V. ED-30.9. —p. 1214-1219.

22. Conway P., Cahill C. G., Lane W. A., Lidholm S. U. Extraction of MOSFET Parameters Using the Simplex Direct Search Method // IEEE Transaction on Computer-Aided Design of Integrated Circuit and Systems. — 1985. — V. CAD-4. —№4. —p. 694-698.

23. De La Moneda F. H., Kotecha H. N., Shatzkes M Measurement of MOSFET Constants // IEEE Electron Device Letters. — 1982. — V. EDL-3. — № 1.p. 10-12.

24. Pieczynski J., Vogt H. Automatic Parameter Extraction System with Process Failure Diagnostics for CMOS Process // Proc. IEEE Conference on Microelectronic Test Structures. — 1989. — V. 2. — № 1. — p. 205-210.

25. Bendix P. Subtleties of SPICE MOSFET Parameter Extraction // Proc. IEEE Conference on Microelectronic Test Structures. — 1989. — V. 2. — № 1. — p. 65-68.

26. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация: Пер. с англ. — М: Мир, 1985. — 509 с.

27. Носач В. В. Решение задач аппроксимации с помощью персональных компьютеров. — М: МИКАП, 1994. — 382 с.

28. Валеев С. Г. Регрессионное моделирование при обработке наблюдений. — М: Наука, 1991.

29. Бахвалов Н. С., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. Численные методы. — М: Наука, 1987.

30. Cahill С. G., McCarthy К., Lane W. A. MOS Model Parameter Extraction Techniques: A Comparison // IEEE Transaction on Computer-Aided Design of Integrated Circuit and Systems. — 1985. — V. CAD-4. — № 4. — p. 16-29.

31. Fernandez J., Hidalgo S., Berta F., Paredes J., Rebollo J., Millan J., Serra-Mestres F. Parameter Extraction for a SPICE II VDMOS Model // Proc. IEEE Conference on Microelectronic Test Structures. 1989. - V. 2. - № 1. - p. 35-37.

32. Destine J. Estimation des parametres statiques d'un modele de transistor a effet de champ par une methode d'optimalisation // Journee d'etude de SITEL. — 1982.—p. 45-54.

33. Hornung R. Discrete Minimax Problem: Algorithms and Numerical Comparisons // Computing. — 1982. — V. 28. — № 2. — p. 139-154.

34. Sussman-Fort S. E. Approximate Direct-Search Minimax Circuit Optimization // International Journal for Numerical Methods in Engineering. — 1989. — V.28. —p. 359-368.

35. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. — М: Мир, 1975.— 534 с.

36. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Регсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ. — М: Мир, 1986. — 349 с.

37. Cuthbert Т. R. Optimization Using Personal Computers. — NY: John Willey & Sons, 1987. — 474 p.

38. Математика и САПР: В 2-х кн. Кн. 2. Пер. с франц. / Жермен-Лакур П., Жорж П. Л., Пистр Ф., Безье П. — М: Мир, 1989. — 264 с.

39. Feiring В., Phillips D., Hogg G. Computational Experience with an Exact Penalty Function Technique // Computers and Industrial Engineering. — 1981. — V. 5.—№3. —p. 205-216.

40. Ross G. J. Uses of non-linear Transformation in non-linear Optimization Problems // Proc. Comput. Statist. 4-th Symp. — Edinburgh. — 1980. — p. 382-388.

41. Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. — М.: Мир, 1982. — 512 с.

42. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 2-х т. Т.1: Пер. с англ. — М.: Мир, 1983. — 590 с.

43. The Design Center. Circuit Analysis Reference Manual. MicroSim Corporation, 1994. — 560 p.

44. Ashburn P. Design and realization of bipolar transistors. — NY: John Wiley & Sons. — 198 p.

45. Getreu I. E. Modeling the Bipolar Transistor. — Amsterdam: Elsevier Scientific Publishing Company, 1978 — 261 p.

46. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схем: Материалы, приборы, изготовление. Пер. с англ. — М: Мир, 1985. — 501 с.

47. Ebers J. J., Moll J. L. Large-Signal Behavior of Junction Transistors. — Proc. IRE. — Dec. 1954. — V. 42. — p. 1761-1762.

48. Gummel H. К., Poon H. C. An Integral Charge Control Model of Bipolar Transistor. — Bell Syst. Tech. J. — May 1970. — V. 49. — p. 827-852.

49. Nagel L. W. SPICE2: A Computer Program to Simulate Semiconductor Circuits. — Electronics Research Laboratory Report. — № ERL-M520, Berkeley: University of California. — 1975.

50. Разевиг В. Д. Применение программ P-CAD и PSpice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ.

51. Малиньяк Л. Программа аналогового моделирования схем с предельной сложностью более 50 тыс. транзисторов // Электроника. — 1991. — № 13. —с. 68-69.

52. Разевиг В. Д., Блохин С. М. Система PCAD 8.5. Руководство пользователя. — М: ООО «ИЛЕКСА», 1996. — 288 с.

53. Малиньяк Л. Дальнейшее расширение функциональных возможностей С АПР// Электроника. — 1991. — № 11-12. —с. 15-23.

54. Hodges D. A., Schichman Н. Modeling and Simulation of Insulated-Gate Field-Effect Transistor Switching Circuits // IEEE Solid-State Circuit. — 1968. — V. SC-2. — p. 285.

55. Зи С. Физика полупроводниковых приборов: В 2-х кн. — Кн. 1.— М.:'Мир, 1984.—456 с.

56. Петров В. Н., Петров М. Н. Программные компоненты интегрированной сквозной САПР ИМС: Моделирование и идентификация параметров SPICE-моделей МОП транзисторов: Учеб. пособие / НовГУ им. Ярослава Мудрого. — Новгород, 1997. — 63 с.

57. Дуплякин Е. IGBT или MOSFET оптимальный выбор // Электронные компоненты, №1, 2000.

58. Колпаков А. Силовые приводы. Компоненты для выходных каскадов //ChipNews, 1999, №1 (34).

59. Управление данными проектирования средствами инфраструктуры САПР // Электроника. — 1991. — № 11-12. — с. 23-31.

60. Кейвин Р. К., Хилберт Дж. JI. Проектирование интегральных схем: направления и проблемы // ТИИЭР. — 1990. — Т. 78. — № 2. — с. 213-235.

61. Ullman J. D. Principles of Database Systems. — Rockville. — MD: Computer Press, 1982.

62. Харрисон Д. С., Ньютон А. Р., Спикелмайр Р. Л., Варне Т. Дж. Среда САПР для проектирования интегральных схем и электронных схем // ТИИЭР. — 1990. —Т. 78.—№2. —с. 185-212.

63. Беляков Ю. Н., Руденко А. А., Топузов И. Г. Проблемы интеграции данных в САПР БИС // Микроэлектроника. — 1989. — Вып. 3. — 80 с.

64. Silburt A. L., Laurent R. S. Interactive Circuit Simulation and Model Parameter Extraction for the CAD Work Station // IEEE Custom Integrated Circuit Conference. — NY. — 1984. — p. 221-225.

65. Каратыгин С. А., Тихонов А. Ф. Программирование в FoxPro для Windows на примерах: М.: БИНОМ. — 496 с.

66. Paradox for Windows: Практическое руководство / Под редакцией Оспищева Д. А. — Издательство АОЗТ "Алевар", 1993 (2 части).

67. Попов С.А., Корчагин А.Ф. Использование многооткликовых моделей для расчета параметров электронных приборов // Измерительная техника, №4,2003, с. 47-51

68. Попов С.А., Корчагин А.Ф. Планирование эксперимента для идентификации многооткликовых моделей // Сб. трудов VII Международного семинара «Современные проблемы прочности» им. В.А. Лихачева. В 2-х томах, т 2. -Великий Новгород, 2003.- С. 184 190

69. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров.-М.: Наука, 1968.- 720 с.

70. Бард Й. Нелинейное оценивание параметров. М.: Статистика, 1979. - 349 с.

71. Автоматизация проектирования БИС. В 6 кн.: Практ. пособие. Кн. 1. Г. Г. Казенное, А. Г. Соколов. Принципы и методы построения САПР БИС / под. ред. Г. Г. Казеннова. — М: Высш. шк., 1990. — 142 с.

72. Петров В. Н., Петров М. Н. Интегрированная САПР биполярных интегральных схем на базе пакетов PSpice и AutoCAD // Тез. докл. Всероссийской научно-технической конференции "Электроника и информатика". — Москва, 1996. —с. 99.

73. Петров В. Н., Петров М. Н. Интегрированная САПР интегральных схем // Вестник НовГУ. — 1997. — № 5. — с. 44-47.

74. Петров В. Н., Петров М. Н. Программные компоненты интегрированной сквозной САПР ИМС: автоматизация проектирования печатных плат и матричных БИС с помощью САПР PCAD: Учеб. пособие / НовГУ им. Ярослава Мудрого. — Новгород, 1997. — 59 с.

75. Петров В. Н., Петров М. Н. Макромоделирование цифровых схем. — М., 1994. — 8 с. — Деп. в ВИНИТИ 25.10.94, № 2419-В94.

76. Петров В. Н., Петров М. Н. Автоматизация определения функциональных параметров цифровых микросхем. — М., 1994. — 7 с. — Деп. в ВИНИТИ 25.10.94, № 2418-В94.

77. Spice для чайников или революция Педерсона / Колпаков А. / «Электронные компоненты» № 3/2000 год

78. IRGPC40F Fast Speed IGBT INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR / International Rectifier p.86

79. Измерение и идентификация параметров SPICE-модели биполярного транзистора / В. Н. Петров, М. Н. Петров, С. А. Капралов / «Измерительная техника» 2002 год

80. G. М. Kull et al, "A unified circuit model for bipolar transistors including quasi-saturation effects", IEEE Trans. El. Dev., Vol. ED-32, No 6, 1985191