В.Е. Чумаков1, А.М. Пилипенко2, Д.В. Клейменкин3, В.Н. Бирюков4

1,3 Донской государственный технический университет (г. Ростов-на-Дону, Россия)

2,4 Южный федеральный университет (г. Таганрог, Россия)

1 chumakov.dssa@mail.ru; 2 pilipenko-am@mail.ru; 3 K-Dima-01@mail.ru; 4 vnbiryukov@yandex.ru

Постановка проблемы. Для моделирования схем при температурах до 450 °С разработаны шаблонные модели (ШМ) транзисторов на основе карбида кремния (SiC) с применением методики шаблонного моделирования, при котором постоянные параметры модели заменяются дробно-рациональными функциями (аппроксимация Паде), позволяющими более точно описать физические процессы в JFET (Junction gate field-effect transistor) без нарушения характера их изменения.

Цель. Исследовать схемотехнические решения высокотемпературных базовых аналоговых функциональных узлов, реализуемых на основе полевых SiC-транзисторов с использованием разработанных ШМ.

Результаты. Для свободно распространяемой среды моделирования LTspice разработана инструкция по применению ШМ. Приведены параметры SiC-двухполюсников источников опорного тока и динамических нагрузок усилительных каскадов операционных усилителей с разным числом последовательно включенных SiC JFET транзисторов, которые могут применяться в высокотемпературной аналоговой схемотехнике. Исследованы основные характеристики прецизионных истоковых SiC-повторителей напряжения, дифференциальных SiC-каскадов и простейших операционных SiC-усилителей с парафазным выходом на их основе при 25 и 452 °С. 

Практическая значимость. Полученные результаты рекомендуется использовать при проектировании высокотемпературных операционных и инструментальных усилителей в космическом приборостроении, при бурении глубоких скважин, автомобилестроении, атомных реакторах для обработки сигналов датчиков физических величин и преобразования радиотехнических сигналов.

Чумаков В.Е., Пилипенко А.М., Клейменкин Д.В., Бирюков В.Н. Шаблонные модели карбид-кремниевых JFET и их практические приложения в задачах проектирования высокотемпературных аналоговых микросхем в среде LTspice // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 9. С. 178-187. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202409-17

1. Lien, Wei-Cheng. Harsh Environment Silicon Carbide UV Sensor and Junction Field-Effect Transistor. 2013. https://escho-larship.org/uc/item/4vp770tp#main.
2. Vert Alexey Chen, Cheng-Po Paul, A. Saia, Rich Andarawis, Emad Kashyap, Avinash Zhang, Tan Shaddock, David Shen, Zhenzhen Johnson, R. Normann, Randy. Silicon Carbide High Temperature Operational Amplifier // Proceedings - IMAPS International Conference and Exhibition on High Temperature Electronics (HiTEC 2012). 2012. Р. 378-383. 10.4071/HITEC-THP12.
3. Bhuyan S.A. Design of a High Performance Silicon Carbide CMOS Operational Amplifier, Graduate Theses and Dissertations Retrieved from https://scholarworks.uark.edu/etd/2042.
4. Yang, Jie Fraley, John Western, Bryon Schupbach, Marcelo Lostetter, Alexander. An All Silicon Carbide High Temperature (450+ °C) High Voltage Gain AC Coupled Differential Amplifier. Materials Science Forum. V. 2011. Р. 746-749. DOI: 10.4028/www.scien-tific.net/MSF.679-680.746.
5. Stum Z. et al. 300 °C silicon carbide integrated circuits. Materials Science Forum // Trans. Tech. Publications Ltd. V. 679. Р. 730-733.
6. Clark David T., Ramsay Ewan P., Murphy A.E., Smith D.A., Thompson R.F., Young R.A.R., Cormack J. D., Zhu C., Finney S., Fletcher J. High Temperature Silicon Carbide CMOS Integrated Circuits // Materials Science Forum. V. 2011. Р. 726-729.
   DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.679-680.726.
7. Neudeck Philip G, Spry David J, Chen Liang-Yu, Chang Carl W., Beheim Glenn M., Okojie Robert S., Evans Laura J., Meredith Roger D., Ferrier Terry L., Krasowski Michael J., Prokop Norman F. Prolonged 500 C Operation of 6H-SiC JFET Integrated Circuitry // Materials Science Forum. 2009. Р. 929-932. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.615-617.929.
8. Vert, Alexey Andarawis, Emad Chen, Cheng. Reliability of Silicon Carbide Integrated Circuits at 300 °C // Materials Science Forum. 2012. Р. 1265-1268. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.717-720.1265.
9. Kashyap S., Chen C.P., Tilak V. Compact modeling of silicon carbide lateral MOSFETs for extreme environment integrated circuits // 2011 International Semiconductor Device Research Symposium (ISDRS). College Park. MD. USA. 2011. Р. 1-2. DOI: 10.1109/ISDRS.2011.6135185.
10. Girardi M.A., Peterson K.A., Vianco P.T. Thick Film Process Characterization for Thin Film Metallized LTCC // Journal of Microelectronics and Electronic Packaging. 2016. Р. 136–142. https://doi.org/10.4071/imaps.512.
11. Patil A.C. et al. Fully-monolithic, 600 C differential amplifiers in 6H-SiC JFET IC technology // IEEE Custom Integrated Circuits Conference. IEEE. 2009. Р. 73-76.
12. Hedayati R., Lanni L., Rodriguez S., Malm B.G., Rusu A., Zetterling C.M. A Monolithic, 500 °C Operational Amplifier in 4H-SiC Bipolar Technology // IEEE Electron Device Letters. July 2014. V. 35. № 7. Р. 693-695. DOI: 10.1109/LED.2014.2322335.
13. Patil, Amita. Silicon Carbide JFET Integrated Circuit Technology for High-Temperature Sensors. Thesis for PhD. 2009.
14. Lauenstein J.M. et al. Room Temperature Radiation Testing of a 500 °C Durable 4H-SiC JFET Integrated Circuit Technology // 2019 IEEE Radiation Effects Data Workshop. San Antonio. TX. USA. 2019. Р. 1-7. DOI: 10.1109/REDW.2019.8906528.
15. Patil A.C., Fu X., Anupongongarch C., Mehregany M., Garverick S.L. 6H-SiC JFETs for 450 °C Differential Sensing Applications // Journal of Microelectromechanical Systems. Aug. 2009. V. 18. № 4. Р. 950-961. DOI: 10.1109/JMEMS.2009.2021831.
16. Mudholkar M. Characterization and Modeling of 4H-SiC Low Voltage MOSFETs and Power MOSFETs // Graduate Theses and Dissertations Retrieved from https://scholarworks.uark.edu/etd/268.
17. Bergmann J., ten Have A. High temperature operational amplifier with low offset voltage // Proceedings of ISSE'95 - International Symposium on Signals, Systems and Electronics. San Francisco. CA. USA. 1995. Р. 451-454. DOI: 10.1109/ISSSE.1995.498029.
18. Habib H., Wright N.G., Horsfall A.B. Complementary JFET Logic for Low-Power Applications in Extreme Environments // Materials Science Forum. 2013. V. 740-742. Р. 1052-1055. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.740-742.1052.
19. Allen S.T., Palmour J.W., Alcorn T.S. Silicon carbide metal-semiconductor field effect transistors. Patent US 6.686.616. Feb.3, 2004.
20. Tomana M., Johnson R.W., Jaeger R.C., Dillard W.C. A hybrid silicon carbide differential amplifier for 350 degrees C operation // IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology. Aug. 1993. V. 16. № 5. Р. 536-542. DOI: 10.1109/33.239885.
21. Jouha W., Oualkadi A.E., Dherbécourt P., Joubert E., Masmoudi M. Silicon Carbide Power MOSFET Model: An Accurate Parameter Extraction Method Based on the Levenberg–Marquardt Algorithm // IEEE Transactions on Power Electronics. Nov. 2018. V. 33. № 11. Р. 9130-9133. DOI: 10.1109/TPEL.2018.2822939.
22. Biryukov V.N., Pilipenko A.M., Prokopenko N.N., Dvornikov O.V. Template model of complementary field-effect transistors with a control p-n-junction // J. Radio Electronics. 2019. № 8. Р. 10. DOI: 10.30898/1684-1719.2019.8.5.