BĚŤÁK, P. Modelování a návrh ESD ochran v integrovaných obvodech [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2009.
Ing. Petr Běťák zahájil doktorské studium na Ústavu mikroelektroniky v roce 2006. Cílem práce bylo navrhnout elektrostatické (ESD) ochrany, které by umožňovaly ladění spoustěcího a udržovacího napětí. Na tomto výzkumu spolupracoval s návrhovým centrem firmy ON Semiconductor v Rožnově pod Radhoštěm. Ing. Běťák se aktivně zapojoval do vyuky na Ústavu mikroelektroniky. Spolupracoval na vyuce předmětu Elektronické součástky a Nové obvodové principy.Dvakrát se také účastnil studentské konference a soutěže EEICT pro doktorské projekty, kde dvakrát po sobě získal cenu IEEE a jednou první cenu v kategorii "Fyzika, Teoretická elektrotechnika a mikroelektronika". Ing. Petr Běťák se dobře orientoval v problematice a pracoval samostatně. Díky aktivnímu nasazeni při spolupráci s firmou ON Semiconductor, získal praktické výsledky pro svou disertační práci a již ve 3. ročníku studia sepsal svou disertační práci.
1 Katedra fyziky, Pedagogická fakulta, Masarykova univerzita Poříčí 7, 603 00 Brno ____________________________________________________________ Posudek doktorské disertační práce Název práce: Modelování a návrh ESD ochran v integrovaných obvodech Doktorand: Ing. Petr Běťák Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Vysoké učení technické v Brně Oponent: Doc. RNDr. Petr Sládek, CSc. Předložená disertační práce se zabývá aktuální tématikou návrhu eletrostatických ochran v integrovaných obvodech. Má přiměřený rozsah 97 stran bez příloh a je logicky rozčleněna do pěti hlavních kapitol. Práce dále obsahuje 72 odkazů na literaturu, vč. publikací doktoranda. K práci jsem zaujal níže uvedené stanovisko. a) Aktuálnost zvoleného tématu Při návrhu integrovaných obvodů je poslední dobou pozornost zaměřena na kvalitní návrh ochranných prvků v obvodu, které nemají přímý vliv na funkci obvodu, ale aktivují se pouze v případě vzniku elektrostatického výboje (např. při manipulaci s obvodem). Hlavním cílem předložené doktorské práce je modelování, simulace a návrh elektrostatických ochran, které by byly laditelné pomocí změny topografie součástky. Současné ochranné prvky se navrhují pro konkrétní aplikaci a není možné jejich vlastnosti dále měnit. Zvolené téma má disertabilní charakter, plně odpovídá moderním trendům v oboru doktorského studia a přispívá k rozvoji v oblasti návrhu integrovaných obvodů. b) Splnění cíle disertace Hlavní cíle práce byly formulovány v kap. 3 disertační práce do následujících částí: a) Modelování a návrh tyristorových ESD ochran a realizace návrhu v konkrétní technologii. Ověření funkčnosti tyristorových ochran měřením jejich AV charakteristik. b) Návrh tyristorové ESD ochrany, která umožňuje ladění vlastností změnou topografie součástky. c) Návrh tyristorové nebo tranzistorové ESD ochrany pro napájení. Práce je rozdělena do dvou celků - teoretického základu práce s kapitolami 1 a 2 a praktické části v kapitolami 4, kde je podrobně rozvedeno, jak byly jednotlivé cíle splněny. V kapitole 1 je proveden úvod do problematiky. Kapitola 2 se zabývá dosavadním vývojem v oblasti návrhu ESD ochran. Jednotlivé návrhy struktur a jejich charakteristiky jsou představeny v kapitole 4, která vytváří jádro celé práce. Jsou zde detailně rozebírány a popsány jednotlivé ampérvoltové charakteristiky získané ze simulací a z měření, dále je zde popsáno teplotní chování a chování při změnách kmitočtu. Navržené struktury byly realizovány v technologii CMOS a BiCMOS. Závěr tvoří kapitolu 5. c) Metody zpracování Jak je možno vypozorovat z doktorské disertační práce, Ing. Běťák se zabýval tématem disertační práce dlouhodobě, systematicky a velmi podrobně. V práci postupoval od známých skutečností potupně k řešení vlastního disertabilního jádra práce. K řešení práce doktorand využil metod vědecké práce - analýza současného stavu, návrh řešení, modelování a simulace a experimentální ověření. Vycházel z fyziky polovodičů a metodiky návrhu integrovaných obvodů za podpory příslušného matematického aparátu a programových prostředků. d) Výsledky disertační práce a nové poznatky Přínos práce z předložených výsledků (a jak je shrnuto v závěru) lze formulovat zejména v: 1. Návrhu nových tyristorových struktur HVASCR, VLSCR pro integrované obvody, které plní funkci ESD ochran. 2. Realizaci tyristorových struktur v technologiích CMOS a BiCMOS. 3.Realizaci ochrany napájení pomocí struktury HVASCR a pomocí struktury s bipolárním tranzistorem. 4. Návrhu topologie jednotlivých ochranných prvků a přehled jejich laditelnosti. Práce je realizována na 106 stranách, dále jsou přiloženy 2 přílohy, které dokumentují spolupráci s průmyslem a ukazují praktický návrh a výsledky. Teoretické kapitoly jsou uvedeny na 32 stranách, stěžejní kapitola 4 obsahující jádro práce na 57 stranách a závěr na 5 stranách. Lze říci, že práce je z hlediska informací v ní obsažených dobře vyvážená. Vyjádření k publikacím doktoranda Práce obsahuje také seznam 10 publikací, kde je Ing. Běťák autorem (6x) nebo spoluautorem (4x). Jde o dva články ve vědeckém časopise, 3 příspěvky na významných zahraničních konferencích, 5 příspěvků na domácích konferencích. Ve všech případech se články týkají problematiky související s disertační prací. Je tedy možné konstatovat, že se Ing. Běťák během doktorského studia zapojil do výzkumné a vývojové práce a publikoval dosažené výsledky. Počet publikací je přiměřený. Formální úpravě disertační práce a jazykové úrovni Autor vytvořil práci srozumitelnou a jasnou. Vůči odbornému slohu a terminologii nemám námitek. Přiměřená je i grafická úroveň práce. Výhrady mám k čitelnosti obr. 4.24.- 4.27, 4.41, 4.42, 4.59, 4.60, 4.70 a 4.72. Otázkou je počeštění převzatých obr. zejména z práce [3]. V práci jsem zaznamenal jen drobné překlepy- např. v kap. 4.3.. e) Význam pro praxi nebo rozvoj vědního oboru Práce má přímé praktické uplatnění jak ve vývoji, tak v praxi. Disertant přináší návod pro vývoj a výrobu nových ochranných struktur pro integrované obvody. Vlastní navržené a vyrobené vzorky ESD ochran jsou použitelné již nyní a mohou být základem pro další vývoj. f) Shrnutí Oponovaná práce je zaměřena na modelování a návrh ochranných struktur pro integrované obvody. V disertační práci jsou uvedeny principy ladění vlastností ochran změnou jejich topologie, dále jsou uvedeny konkrétní topologie včetně rozměrů, které byly simulovány a vyrobeny. Vlastní podíl disertanta je zřetelný. Byly navrženy nové dosud nepublikované struktury, které umožňují ladění svých vlastností. V oponované práci nejsou patrny zásadní chyby teoretického charakteru a podstatné nedostatky. Nicméně mohla být do práce zakomponována výraznějších informace o vzorcích, které dokladovaly použitelnost simulací (aspoň v míře, jak je to prezentováno v příloze). Práce má také nesporný význam pro seznámení s oblastí. Disertace splňuje podmínky samostatné tvůrčí vědecké práce a obsahuje původní výsledky, které byly publikovány. Práce splňuje podmínky §47, odst. 4 zákona č. 111/98 Sb. a předpisů platných na Vysokém učení technickém v Brně. Proto doporučuji disertační práci Ing. Petra Běťáka k obhajobě. V Brně dne 12.12.2009 Doc. RNDr. Petr Sládek, CSc. Otázky do rozpravy: 1. Komentujte, na základě čeho jste získal představu o možné podobě závislosti spouštěcího a udržovacího napětí - obr.4.4. 2. Jak je to s označením odporů na obr. 4.6 . 3. Komentujte koeficienty ve vztahu (4.12) - je zde vazba na konkrétní materiál, použité jednotky? 4. V kap. 4.5.1 jste za návrhový parametr volil L. Proč byla současně měněna i vzdálenost x, jak vyplývá např. z obr. 4.18 ? Projeví se tato skutečnost nebo ji můžeme zanedbat a vytvořit křivku laditelnosti v obr. 4.19 ? Obdobně pro další simulace. 5. V jakém vzájemném poměru jsou koncentrace příměsí na anodě pro obr. 4.54 a 4.55 ?
Ing. Zdeněk Bartoň, Ph.D. CEDO, spol. s r.o. Vídeňská 147, 619 00 Posudek doktorské disertační práce Doktorand: Ing. Petr Běťák Název práce: Modelování a návrh ESD ochran v integrovaných obvodech Oponent: Ing. Zdeněk Bartoň, Ph.D. Oponovaná disertační práce se zabývá aktuální tématikou funkce a návrhu elektrostatických ochran v moderních nízkonapěťových integrovaných obvodech. Aktuálnost zvoleného tématu Návrh ochranných obvodů je v současné době stěžejní částí při návrhu integrovaných obvodů, protože zabírají významnou část plochy čipu a zvyšují tak jeho cenu. Se snižováním napájecího napětí je navíc potřeba hledat nové struktury nebo podstatně modifikovat struktury stávající. Téma disertační práce je tak velmi aktuální z hlediska teorie i praxe a odpovídá oboru disertace - Mikroelektronika a technologie a jako téma má disertabilní charakter. Cíle disertace Na str. 32 (a navazujících) disertační práce byly formulovány následující cíle práce: a) Modelování a návrh tyristorových elektrostatických (EDS) ochran a realizace návrhu v konkrétní technologii. Ověření funkčnosti tyristorových ochran měřením jejich AV charakteristik. b) Návrh tyristorové elektrostatické ochrany, která umožňuje změnu vlastností změnou topografie součástky. c) Návrh tyristorové nebo tranzistorové elektrostatické ochrany pro napájení. Tyto cíle byly stanoveny na základě rozboru problematiky a aktuálních potřeb návrhu integrovaných obvodů, jsou směrovány k získání nových poznatků a jsou tedy disertabilní. Metody zpracování, výsledky disertační práce a nové poznatky Teoretický základ práce a přehled dosavadního stavu zahrnují kapitoly 1 a 2 a praktické části s kapitolami 3 až 5, kde je podrobně popsáno, jak byly jednotlivé cíle řešeny. Doktorand vyšel z heuristického modelování tyristorových struktur, realizoval potřebné počítačové simulace a následně prakticky navrhl a ověřil elektrostatické ochrany, které mají proměnné spouštěcí a přídržné napětí (změnou geometrických rozměrů výrobních masek). Současné ochranné prvky se navrhují pro konkrétní aplikaci a není možné jejich vlastnosti během návrhu měnit. V kapitole 4 jsou detailně rozebírány a popsány jednotlivé ampérvoltové charaketeristiky tyristorových a tranzistorových struktur získané ze simulací a z měření, a to při změnách teploty podle specifikací pro realizační technologie CMOS a BiCMOS. Tím kapitola představuje disertabilní jádro práce. Ing. Běťák v práci postupoval od známých skutečností postupně k řešení vlastního disertabilního jádra práce. K řešení práce doktorand využil fyziky polovodičů a metodiku návrhu integrovaných obvodů za podpory příslušného matematického aparátu a programových prostředků. Přínos práce z výsledků popsaných v práci a v závěru (od str. 93 práce) lze formulovat do následujících čtyř oblastí: 1. Návrhu nových tyristorových struktur HVASCR, VLSCR pro integrované obvody, které plní funkci elektrostatických ochran. 2. Realizaci tyristorových struktur v technologiích CMOS a BiCMOS. 3. Realizaci ochrany napájení pomocí struktury HVASCR a pomocí struktury s bipolárním tranzistorem. 4. Návrhu topografie (včetně variabilního rozměru) jednotlivých ochranných prvků a možnosti změny (laditelnosti) spouštěcího a udržovacího napětí. Navržené a odzkoušené struktury představují nové a původní výsledky, jsou tedy disertabilní. Výsledky disertační práce byly také dostatečně publikovány. Na str. 99 je seznam 10 publikací, kde je Ing. Běťák spoluautorem. Publikace se týkají problematiky související s disertační prací. Jedná se o 5 příspěvků na konferencích v České republice, 3 příspěvku na konferencích v zahraničí a především dva články ve vědeckých časopisech. Formální úpravě disertační práce a jazykové úrovni: Autor vytvořil práci průměrně srozumitelnou a jasnou. Kvůli snaze o stručnost je místy obtížné porozumět výkladu. Vůči odbornému slohu a terminologii nemám závažnějších námitek. Přiměřená je i grafická úroveň práce. Význam pro praxi nebo rozvoj vědního oboru: Disertační práce přináší a ověřuje metodiku pro návrh nových ochranných struktur pro integrované obvody. Práce má tak přímé praktické uplatnění pro návrh nových nízkonapěťových integrovaných obvodů. Závěr Obsahem předložené doktorské práce bylo heuristické modelování, počítačová simulace, praktický návrh a ověření elektrostatických ochran, které mají proměnné spouštěcí a přídržné napětí. Obě tato napětí jsou měnitelná změnou topografie součástky, tj. změnou jednoho (maximálně dvou) rozměrů (jako variabilních parametrů návrhu) na masce při zachování technologických parametrů. Současné ochranné prvky se navrhují pro konkrétní aplikaci a není možné jejich vlastnosti během návrhu měnit. Vlastní podíl disertanta je zřetelný. Byly navrženy nové dosud nepublikované struktury, které umožňují změnu svých vlastností. V oponované práci nejsou patrny zásadní chyby teoretického charakteru a podstatné nedostatky. Disertace splňuje podmínky samostatné tvůrčí vědecké práce a obsahuje původní výsledky, které byly publikovány. Práce splňuje podmínky §47, odst. 4 zákona č. 111/98 Sb. a předpisů platných na Vysokém učení technickém v Brně. Proto doporučuji disertační práci Ing. Petra Běťáka k obhajobě. V Brně dne 10.12.2009 Otázky 1. Vysvětlete rozdíl mezi primární, sekundární ESD ochranou a ochranou pro napájení. 2. Proč byl výzkum prováděn na relativně velké (1,5um) technologii? Je možné použít stejný princip i pro novější technologie, např. 0,35um? 3. Jaká je výhoda v praxi toho, že použiji jako ESD ochranu laditelný tyristor namísto výběru z několika Zenerových diod. 4. Pro jaké technologie jsou výsledky tohoto výzkumu nejvýhodnější?
eVSKP id 24945