книги / Основы проектирования РЭС в жестких условиях эксплуатации
..pdf1)стабильные конденсаторы, емкость которых остается по стоянной в пределах + 1% в диапазоне доз до 3*10® рад (СН) и флюенса нейтронов до 10*® см-^ , к ним относятся слюдяные конденсаторы;
2)конденсаторы, емкость которых изменяется в пределах
+10% в том же диапазоне доз и флюенсе нейтронов, в состав этой группы входят керамические конденсаторы и. конденсаторы с органическим диэлектриком;
3)алюминиевые оксидные электролитические конденсаторы, которые при аналогичном воздействии показывают снижение емко сти до 20% и более.
Изменение сопротивления резисторов при воздействии флю енса нейтронов до 10*® см~^ невелико и не превышает пределов технологического разброса номиналов (включая прецизионные ре зисторы) .
Предполагается /ё/> что в трансформаторах и дросселях
сучетом их конструкции и работы не будет каких-либо изменений параметров, влияющих на работоспособность в условиях воздей ствия импульсной проникающей радиации.
Б изделиях из ферромагнитных материалов больше изменяются
структурно-чувствительные свойства - проницаемость, коэрци тивная сила, остаточная намагниченность,-причем изменения этих свойств происходят в зависимости от изменения степени упорядоченности структуры*
Воздействие импульса гамма-излучения с мощностью дозы до 10*® Р с”1 не вызывает списывания информации с ферритовых сер дечников и с устройств памяти, выполненных на стандартных ку бах памяти.
В электрических соединителях наиболее чувствительными эле ментами к воздействию непрерывного и импульсного гамма-нейт ронного излучения являются опорные шайбы и контактные проме жутки на различных органических диэлектриков и пластмасс. На именее радиационно стойкими являются соединители с опоршаяшайбами из фторпласта - 4.
2.3.Радиационные аффекты в полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах
Наменение характеристик диодов при облучении зависит от их технологии, конструкции к электрического режима работы.
Падение напряжения на диоде в случае прямого смещения
Щ складываете^ 4з напряжения на р-п |
переходе |
V p .n и |
на |
||||
пряжения, падающего на пассивных областях диода |
(в основном |
||||||
на области |
базы |
1ЛГ ). Vp -n |
зависит |
от режима работы и |
элек |
||
трофизических свойств материала диода (времени жизни ННЗ |
Г ). |
||||||
Уменьшение |
€ |
приводит к уменьшению |
Vp . n |
. Падение |
напря |
||
жения на базе определяется удельным сопротивлением базовой области ж уровнем инжекции. Следовательно, по мере роста флю-
енса 'Ц г |
возрастает. Таким образом, при облучении на началь |
||||
ном участке ВАХ |
будет уменьшаться за счет преобладания |
|
|||
1'р.„ |
у |
а затем |
по мере увеличения тока через диод |
увеличи |
|
ваться пе сравнению с дооблученным значением |
|
|
|||
Обратный ток определяется генерацией НЗ в области р-п |
|
||||
перехода, |
генерацией НЗ в объеме материала на глубине |
А |
и |
||
последующей диффузией, а также поверхностными-токами утечки |
|
||||
за счет |
образования каналов ж инверсионных слоев. |
|
|
||
Для кремниевых диодов преобладает генерационная состав ляющая
-$г>-п п __________________ рде
г V , c A[(£t-Е.рТ>1 / „ Ж
1 Л dp -n - ширина р-п перехода;
Яр -п ~ площадь; £ { - уровень Ферми, соответствующий уровню
рекомбинации.
При облучении образца ток растет с ростом дозы, т.к. снижается Тр-п . Для планарно-эпитаксиальных приборов силь ное влияние на 1оЗр. оказывают поверхностные токи утечки.
Величина пробивного напряжения с***'сит от концентрации основных носителей. Поэтому при облучении напряжение пробоя возрастает.
- а -
Окончательный вид ВАХ представлен на рис. 2.1.
Рве. 2 Л .Вольт^емперная характеристика диода до (I) я после (2) облучения
Основный эффектом в транзисторах является уменьгение ко эффициента передать тока базы в схеме с общим эмиттером ham i
5 общем случае эта деградация описывается уравнением
где |
'ЗГЗСР *' т Ьг*ььа ‘ |
- время переноса НЗ через базу. |
Изменение параметров интегральных микросхем (ИКС) в пер вую очередь определяется деградацией параметров входящих в их состав транзисторов.
По аналогии можно записать
|
|
^ |
^ ^ |
j |
|
где У?о » -&дз - |
параметр Ш Ю |
до ж после облучения» |
|||
К |
- |
коэффициент деградации |
этого параметра. |
||
Доя логических микросхем облучение приводит к снижению |
|||||
быстродействия» |
увеличению |
входных токов |
и токе потребления»- |
||
уменьшению коэффициента нагрузки по выходу, возрастанию напря кения лог. "О” и снижению лог. "I".
Среди биполярных логических микросхем наибольшей стойко стью к стационарному излучению обладают ЭСЯ ИМС « Р ~ 5 10Х4см*
J>r ~ 5 I 0 6 P), |
ТТЛ ИМС |
« ^ I O * 4 |
Г * .Я |
lo6.. - ю7 *p /,); |
C H * i^ r |
||||
наименьшей |
И^ЛИМС |
~ 10 |
4 I(T CM~ |
, Dp * ICP+IQ |
рад (X' ) ).
Деградация параметров ОДДП-транзисторов в основном обу словлена изменением заряда в подзатворном окисле под действи ем гамма-излучения.
Для р-канального транзистора ВАХ "СТОК-ЗАТВОР" сдвигает ся в отрицательную сторону, снижается крутизна характеристик.
ВАХ п-канального транзистора, |
сначала сдвигается в область |
от |
|
рицательных значений V} , а затем после |
л 10^ рад ( |
) |
|
начинается обратный сдвиг при |
снижении крутизны. |
|
|
При этом степень деградации характеристик МОП полевых транзисторов (ПТ) зависит не только от дозы, но и от мощности дозы, наличия напряжения на затворе и температуры.
В КМОП микросхемах это приводит к увеличению уровней лог. "О" на выходе ИМС, т.к. п-канальный транзистор остается вклю чении!, уменьшению токов утечки, снижению помехоустойчивости.
Импульсное излучение характеризуется большой мощностью до зы и мальм временем действия. В результате долговременные эф фекты практически не наблюдаются. Основной эффект при такбм ре жиме облучения - ионизация материала полупроводниковых прибо ров.
В общем случае, ток протекающий через р-п переход, опре |
|
деляется скоростью генерации тока в полупроводнике 6 |
(для |
кремния 6 ** 6,4 1 0 А см~^ рад (*£' ) с~^,), активным |
объе |
мом р-п перехода |
I |
и мощностью дозы V f |
|||
|
|
I |
- G |
, |
|
|
Для импульса ИИ прямоугольной формы длительностью in |
||||
3 * |
- SA p-a jo /s *lPl e r f ( j ^ - ) ~ e r f |
) У > |
|||
где |
e r f f*> ’~ |
а Г |
'/е |
|
|
|
Jp -n - площадь р-п перехода; QIB |
- толщина обедненной |
|||
области; У.р , 1р |
- диффузионная длина и время жизни дырок |
||||
в п-обяасти. |
|
|
|
|
|
|
В диодах амплитуда ионизациог. 4х с тока может достигать |
||||
величины десятков миллиампер при |
- 10** Р/с. |
||||
Вторичный фототок в транзисторах образуется за счет уси ления первичного фототока
1р - 7 ц ~ ( / * b3f } ) 1ц
Таким образом, фототек транзистора может достигать вели чины нескольких Ампер.
Среди переходных ионизационных эффектов в ИМС следует от метить эффект "защелкивания", т,е. срабатывание паразитных че тырехслойных тиристорных структур р-п-р-п, имеющихся в микро схемах с изоляцией элементов обратносмещенными р-п переходами Г 9 J . На рис. 2.2 приведены топология инвертора, выполненного по КМОП-технологии и эквивалентная схема паразиткой тиристор ной структуры, которая образована р-областьо защитного диода (анод), подложкой п-типа, область» р-кармана и истоком п-ка нального транзистора (катод).
Рис. 2.2. Четырехслойная структура в КМОП И Х (а.. я ее эквивалентная схема- (б)
Для появления аффекта "защелкивания" обязательны следую-
сие условия:
-транзисторы работают в активной области;
-произведение коэффициентов передачи тока базы транзи
сторов ( h рпр • ft э/эр/тр |
) больше единицы; |
|
- мощность источника питания достаточна |
для поддержания |
|
структуры в низкоимпедансном |
состоянии. |
|
При облучении происходит переход ДОС в |
низкоимпедансное |
|
состояние. В результате источник питания закорачивается на че тырехслойную структуру, через которую протекает большой ток, вызывающий в схеме необратимые изменения - перегорание ^лоев металлизации, вторичный пробой полупроводниковых структур.
Для возвращения структуры в исходное высокоимпедансное сос тояние необходимо отключить на некоторое время питание.
Исследования аффекта "защелкивания" показали, что он мо жет проявляться как в КМОП, так и в биполярных ИМС, но веро ятность выхода из строя КМОП ИМС вследствие этого эффекта су щественно выше.
2.4. Радиационная стойкость волоконно-оптических систем передачи
Возрастающая потребность в эффективных системах связи оп- ^эеделяет повышенный интерес к волоконно-оптическим системам передачи информации (ВОСП). В общем случае B0CQ состоит из не скольких компонентов: схема управления источником излучения, лазерный или светодиодный излучатель, волоконно-оптическая ли ния, фотоприемник, предусилитель, а также различные элементы волоконной оптики - переключатели, соединители и т.д.
Источники оптического излучения (светодиоды и лазерные ди оды) являются наиболее стойкими компонентами ВОСП. Результаты исследований показывают, что воздействие импульсного f ' -излу чения с Р » Ю 12 Р/с не влияет на рабочие характеристики СД на основе Жб-0-fis ( J • 0,82 мкм). Е}цинственный эффект - возни кновение Р -стимулированной фотолюминесценции в приборах большого объема
- 27 - Большую опасность представляет долговременные радиацион
ные эффекты в СД и ЛД, обусловленные смещением атомов кристал лической решетки в активной области прибора под действием об лучения. Известно» что срок службы и КПД светодиодов опреде ляется преобладающим механизмом рекомбинации инжектированных носителей. В случае преобладания излучательной рекомбинации СД имеет большую эффективность» если преобладает фононная ре комбинация КЦД. СД будет низким. Центрами безызлучательной рекомбинации являются различные дефекты структуры кристалли ческой решетки».в т.ч. радиационные дефекты. Поэтому наиболее критичным параметром для СД является время жизни неосновных
носителей заряда (ННЗ).
Повышение стойкости СД может быть достигнуто за счет уменьшения to путем повышения скорости либо фононной, либо я; лучательной рекомбинации. Первый путь является бесперспектив ным» т.к. заключается в преднамеренном уменьшении КОД СД в
процессе изготовления. Второй путь совпадает с .общей |
тенденци |
|
ей в разработке СД. На рис. 2.3 приведены результаты |
экспери |
|
ментальных исследований некоторых типов |
светодиодов, |
которые |
существенно отличаются друг от друга по |
характеру отклика на |
|
облучение. |
|
|
Рис. 2.3. Изменение интенсивности излучения светодиодов при их облучении
Наименее стойким из рассмотренных является светодиод,из готовленный на основе &а J s путем амфортерного легирования кремнием. Эти светодиоды имеют большое время жизни НИЗ (200 - 400 нс), очень низкую концентрацию центров безызлучательной рекомбинации и высокую начальную светоотдачу. Поэтому введение даже относительно небольшого числа радиационных дефектов при водит к снижению светоотдачи.
Большинство эффектов, связанных с деградацией лазерных диодов, вызвано образованием дополнительного пути безызлуча
тельной |
рекомбинации и связанным с этим уменьшением времени жиз |
|
ни неосновных носителей. На рис. 2.4 приведены |
характеристики |
|
Q oJs |
лазерных диодов при различных уровнях |
Ф |
Рис. 2.4 Световые характеристики лазерного диода до и после облучения.
В области подпорогового режима лазер ведет себя,как све
тодиод, имея аналогичную зависимость интенсивности излучения от флюенса нейтронов.
На участке перехода в режим лазерной генерации мощность выходного излучения очень сильно зависит от тока,и поэтому об лучение вызывает резкое падение выходной мощности.
В области глубокого лазерного режима облучение, напротив, не вызывает существенного изменения мощности оптического излу чения. Это объясняется тем, что время жизни ННЗ в режиме ин тенсивной генерации вынужденного излучения в 10^ раз меньше, чем в светодиодном режиме,и равно I—10 нс.
При облучении оптических кабелей возникает явление окра шивания стекла. Это объясняется формированием центров окраски вследствие захвата свободных электронов или дырок -в центрах захвата частиц. Такие центры, могут либо существовать в стекле,
либо образовываться при облучении.
При облучении высокочистого кварцевого стекла образуются зоны поглощения, максимумы которых соответствуют энергии фото
нов 7,6; 5,8 и |
5,4 эВ |
и лежат а ультрафиолетовой области. |
J |
В случае |
наличия |
примесей возможно появление центров |
ок |
раски вблизи примесных атомов. Такие центры окраски образуют дополнительные максимумы поглощения, соответствующие энергии фотонов в диапазоне 4...5 эВ. Вследствие этого радиационная чувствительность оптического волокна возрастает по мере увели чения концентрации примесей в кварцевом стекле.
Таким образом, все максимумы поглощения, обусловленные
созданием центров окраски, лежат в ультрафиолетовой области. На рис. 2.5 приведены результаты исследования РОУ некото
рых типов оптического волокна /1 1 /. Наименее стойким является
волокно на основе |
кварцевого стекла с добавками свинца - коэф |
|||
фициент |
затухания сигнала с |
/1 = 820 |
нм составляет |
|
5*10^ * |
10^ дБ/нм |
при J i f * |
рад |
(S*. ). |
В общем случае, для стекловолокна с добавками наблюдается прямо прошэрдаояалБваязависимость между наведенным коэффици ентом затухания и накопленной дозой. Для волокна на основе чистого кварцевого стекла на такой характеристике имеется явно
оптжческого-всшокна при облучении