抗辐射功率集成电路的关键技术研究及实现

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功率集成电路是电路系统的能源“心脏”和动力源,在航空航天、核物理实验、核医疗等辐射环境有着重要的应用价值。因此,对功率集成电路进行抗辐照加固是十分有必要的。本文基于辐射机理,聚焦功率集成电路,提出了标准器件环栅化技术、关键泄漏电流补偿技术、负压加固技术等具有普适性的辐射加固方案,并进行了相关芯片的设计和辐照实验验证。跑道形环栅器件的等效宽长比模型在本文被推导和TCAD验证。根据仿真结果,该计算模型的拟合精度在70%以上,与传统直栅器件相比,在1Mrad(SiO2)仿真剂量下跑道形器件未出现明显的电学特性退化。除此以外,模型参数与计算精度的关系也在文中进行了研究。较小的沟道长度、较大的漏区半径、较大的直栅长度可使模型的计算精度达到95%以上。标准器件环栅化技术分析、研究了几种不同结构环栅器件的寄生电容、版图面积、最小宽长比等电学参数并给出了基于标准工艺的环栅建库的具体流程。关键电路全MOS化技术分析并阐明了动态阈值电压MOS器件具有较低阈值电压的特性,并基于此设计了DTMOS基准和预降压电路。总剂量效应检测电路在文中被首次提出。基于该电路,关键泄漏电流补偿技术被提出并应用于抗辐射振荡器的设计。本文还提出了关键模块负压加固技术,并基于电荷泵设计了一款负压加固芯片。基于0.18μm BCD工艺,环栅器件和电路的辐照加固性能得到了60Co辐照实验验证。1.8V器件在辐照实验后,300krad(SiO2)下截角矩形器件的泄漏电流是传统直栅器件的一半。对于5V器件,截角矩形环栅器件在100k300krad(SiO2)辐照剂量下,其关态泄漏电流在10-710-6量级,而直栅器件的泄漏电流在10-5量级。200krad(SiO2)剂量下跑道形功率管的泄漏电流为10-10量级,而直栅器件的关态泄漏电流在10-2量级。300krad(SiO2)下(Vin=3V),环栅版图预降压电路的输出偏差为20mV,而直栅版图的输出偏差为40mV。负压加固芯片的测试结果也在本文进行了分析,它能正常输出-2.52.5V、-1.82.5V等负压关断的方波信号,达到设计目标。
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