Воздействие радиационного излучения на операционные усилители

Воздействие радиационного излучения на операционные усилители

14

И. САМКОВ

Научный руководитель проф. Т.М. АГАХАНЯН

Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет)

Основные радиационные эффекты в элементах аналоговых интегральных микросхем.

Классификация радиационных эффектов.

Воздействие ионизирующих излучений (ИИ) на какое-либо вещество сопровождается выделением энергии частицей ИИ. Дальнейшая релаксация полученной энергии и распределение её по объёму вещества происходят в форме различных радиационных эффектов. Принято выделять два вида основных эффектов: смещения (обусловленные смещением атомов из своего нормального положения) и ионизации (связаны с образованием свободных носителей заряда под действием ИИ).

Реакция интегральных микросхем (ИМС) на ионизирующее излучение обусловлена, в первую очередь, зависимостью параметров её элементов от эффектов смещения и ионизации. В свою очередь, конкретный вид энерговыделения (однородное, равновесное и т.п.) может приво-дить к появлению различных эффектов в микросхеме, особенно-сти проявления которых определяются специфическими для нее технологическими и схемотехническими решениями. По причине возникновения эти эффекты можно подразделить на первичные - обусловленные непосредственно энергией излучения, поглощен-ной в ИМС (дефекты смещения, модуляция проводимости и т.п.), и вторичные - обязанные своим происхождением инициирован-ному излучением перераспределению энергии внутренних и сто-ронних источников (радиационное защелкивание, вторичный фо-тотек, пробой и т.п.).

С точки зрения функционирования ИМС в аппаратуре в зависимости от соотношения между длительностью воздействия излучения Ти и временем релаксации вызванного им возбуждения в системе Трел разли-чают остаточные (долговременные Трел>>Ти) и переходные (кратковременные Ти>Трел) изменения параметров приборов.

Одним из основных параметров, характеризующих переход-ные ионизационные эффекты в элементах ИМС при равновесном энерговыделении, является величина ионизационного тока р-n-переходов, который можно представить в виде двух составляю-щих: 1)мгновенная составляющая, связанная с дрейфом избыточных носителей из обедненной области перехода;

2)запаздывающая составляющая, связанная с диффузией и дрейфом неравновесных носителей заряда из областей, прилегающих к обедненной области р-n-перехода. Соотношение амплитуд запаздывающей и мгновенной со-ставляющих определяется параметрами р-n -перехода.

Долговременные изменения параметров транзисторов обу-словлены эффектами смещения и ионизации.

Эффекты смеще-ния, связанные с изменением кристаллической структуры полу-проводника вследствие перемещения атомов из своего положе-ния, вызывают изменение электрофизических свойств полупро-водника: времени жизни, подвижности носителей заряда и их концентрации. Соответственно изменяются и параметры транзи-сторов, определяемые указанными величинами.

Эффекты ионизации, связанные с накоплением заряда в ди-электрических слоях и изменением плотности поверхностных состояний при ионизации полупроводника, также приводят к де-градации параметров транзисторов.

Действие облучения на транзисторы удобно установить на основании его физических параметров, характеризующих про-цессы в транзисторной структуре.

Действие облучения на биполярные транзисторы.

Физические параметры биполярного транзистора можно разбить на четыре группы:

1)Параметры, характеризующие диффузию и дрейф неосновных носителей,

2)Параметры, характери-зующие рекомбинацию и генерацию,

3)Параметры, определяющие изменение пространственного заряда в области p-n- переходов и его влияние на характеристики транзисторов (это зарядные емкости коллекторного и эмиттерного переходов, а также емкость изолирующих p-n-переходов)

4)Параметры, характеризующие падение напряжения в объеме полупроводника и включающие объемные сопротивления эмиттера, базы и коллектора, а при высоких уровнях инжекции также диффузионное падение напряжения (ЭДС Дембера).

Ионизирующие излучения влияют на все физические параметры транзи-стора, однако перечень параметров, подлежащих учету, зависит от конкретных условий применения.

Действие облучения на униполярные транзисторы.

Влияние ионизирующего излу-чения на параметры униполярных транзисторов как с управляющим p-n-переходом, так и МДП - структур в основном проявля-ется в виде изменений тока затвора I3, порогового напряжения Uзи.пор (для МДП - транзисторов с индуцированным каналом) или напряжения отсечки Uзи.отс (для транзисторов с управляющим р-п-переходом и со встроенным каналом) и крутизны характеристики транзистора Sст. Претерпевают изменение также дифференциаль-ные параметры: сопротивление затвора rз, внутреннее сопротив-ление транзистора ri.

В отличие от биполярных транзисторов в униполярных тран-зисторах ток в канале образуется потоком основных носителей, поэтому заметные изменения характеристик униполярных тран-зисторов, обусловленные действием эффектов смещения, наблю-даются при уровнях облучения, способных существенно повли-ять на подвижность основных носителей и их концентрацию. Для кремниевых ИМС при облучении нейтронами это происходит при флюенсах, превышающих 1015-1016 нейтр./см2. Вместе с тем приповерхностный характер происходящих в МДП-транзисторах процессов обусловливает их сильную чувствительность к иони-зационным эффектам, действие которых, прежде всего, свя-зано с накоплением положительного пространственного заряда в слое подзатворного диэлектрика, модулирующего проводимость канала МДП-транзистора.

Специфика эффектов в зависимости от конструктивно-технологических особенностей ИМС.

Специфика проявления радиаци-онных эффектов во многом определяется конструктивно-технологическими особенностями ИМС и в некоторых случаях различается для схем низкой и высо-кой степени интеграции. В частности, для интегральных структур малой и средней степени интеграции, к числу которых относятся аналоговые ИМС, можно пренебречь неравновесностью энерго-выделения, более слабо проявляются дозовые эффекты в бипо-лярных структурах и т.п.

Уменьшение размеров структур в условиях радиационного воздействия также приводит к принципиальным изменениям физики работы приборов. Эти изменения связаны с тем, что: 1) характерные пространственные масштабы изменения электрического поля сопоставимы с длинами релаксации энергии и импульса электронов и длиной свободного пробега электронов; 2) характерные размеры рабочих областей приборов сравнимы с расстоянием между кластерами радиационных дефектов (КРД); 3) характерные размеры рабочих областей приборов сопоставимы с размерами КРД; 4) ионизирующее излучение разогревает электронный газ, который не успевает остывать за времена пролета рабочей области приборов; 5) при облучении нейтронами происходит перестройка протонированных изолирующих областей ИС, что сказывается на процессах протекания тока и фоточувствительности; 6) взаимодействие ионизирующих излучений (особенно лазерных) с нанометровыми металлическими объектами имеет особенности; 7) радиационные технологические процессы (например, геттерирование) существенно изменяют электрофизические характеристики полупроводника, что заметным образом сказывается на процессах формирования радиационных дефектов в субмикронных приборах; 8) электроны, разогнанные до энергий 0,5...1 эВ большими электрическими полями (~ 100 кВ/см) в субмикронных приборах, могут проникать сквозь КРД, что принципиально меняет подход к моделированию радиационной стойкости приборов.

Радиационные эффекты в усилительных и дифференциальных каскадах.

Усилительные каскады.

В качестве простейших усилитель-ных каскадов применяют каскады с общим эмиттером (ОЭ) и общим истоком (ОИ). Отклонение тока коллектора ДIк от своей номинальной величины, обусловленное действие стационарных эффектов смещения и ионизации, можно уменьшить увеличением глубины обратной связи, что приводит к уменьшению как коэф-фициента нестабильности, так и чувствительности схемы.

Усилительные параметры каскада ОЭ: его коэффициент уси-ления по напряжению входное и выходное сопротивление изме-няются главным образом из-за уменьшения коэффициента пере-дачи тока базы N. Высокочастотные параметры каскада ОЭ при облучении улучшаются из-за уменьшения , и Ск.

В каскаде ОИ отклонение тока стока ДIк от своей номиналь-ной величины, вызываемое радиационными эффектами, опреде-ляется изменением смещения на затворе, сдвигом напряжения отсечки и изменением статической крутизны характеристики.

Усилительные характеристики каскада ОИ изменяются из-за изменений крутизны характеристики транзистора S, его входного и выходного сопротивлений. Постоянные времени

вх СвхRг ; вsх Сн.выхRсн

характеризующие высокочастотные свойства каскада ОИ, могут изменяться, если наблюдается заметное изменение паразитных емкостей Свх и Сн.вых которые складываются из межэлектродных емкостей транзистора, емкостей монтажных площадок и емкости нагрузки.

Дифференциальные каскады.

Принято считать, что стойкость аналоговых интегральных микросхем к спецвоздействиям оп-ределяется, прежде всего, радиационными эф-фектами во входных каскадах, в качестве кото-рых, как правило, применяют дифференциаль-ные каскады (за исключением трансимпедансных ИОУ). В дифференциальном каскаде приведенное ко входу откло-нение выходного напряжения от своей номинальной величины, вызываемое действием эффектов смещения и ионизации, опреде-ляется формулой

(где Kвл.ип коэффициент влияния нестабиль-ности напряжений источников питания, обусловленных радиаци-онными эффектами)

Представленное соотношение применимо для диффе-ренциальных каскадов, включенных в аналоговые ИМС с изоля-цией диэлектрической пленкой. В ИМС с изоляцией р-п-переходом в ряде случаев требуется учет паразитного р-п-р-транзистора, образуемого базовым и коллекторным слоями рабо-чего транзистора и подложкой ИМС.

Благодаря высокому коэффициенту по-давления синфазных сигналов, образуемых пере-падами ионизационных токов как на входах, так и на выходах, разность выходных напряжений и входной ток сдвига из-меняются незначительно. Поэтому отклонение выходного напряжения от нуля определяется не входным дифференциальным каскадом, а реакцией последующих каскадов.

Существенно меняется входной ток смещения; это ток, который определяется не разностью токов, а их средним значени-ем, изменение которого определяется изменением N. Отклонение выходного напряжения происходит также из-за радиацион-ной нестабильности тока в эмиттерах.

В аналоговых ИМС с дифференциальным каскадом на входе в качестве пары используют униполярные транзисторы с управ-ляющим p-n-переходом. При этом токи затворов определяются токами обратносмещенных p-n-переходов -- затворов. Как из-вестно, МДП-транзисторы обладают меньшим входным током, чем транзисторы с управляющим p-n-переходом. Однако МДП-транзисторы очень чувствительны к импульсным помехам, по-этому при использовании их во входных каскадах требуется за-щита входов диодами, токи утечки которых сводят на нет пре-имущества МДП-транзисторов. Необходимость диодной защиты отпадает в ИМС с внутрисхемной связью входа аналоговой части схемы с предшествующими схемами. При этом использование МДП-транзисторов в качестве дифференциальной пары позволя-ет заметно уменьшить Iвхсм и Iвх.сд определяемые токами утечки диэлектрических затворов.

Действие переходных ионизационных эффек-тов можно оценить при помощи моделей диффе-ренциальных каскадов на биполярных транзис-торах (рис. 1а) и униполярных транзисторах с уп-равляющим p-n-переходом (рис. 16).

Рис. 1. Модели дифференциальных каскадов для анализа переходных ионизационных эффектов: (а) - на биполярных транзисторах; (б) - на униполярных транзисторах с управляющим p-n-переходом.

В этих схемах фототоки источников стабилизированного тока I0 непосредственно не учитываются, так как их дей-ствие подавляется (так же как действие всяких синфазных помех). Косвенное влияние этих фо-тотоков, приводящее к изменению тока I0 в эмит-терах или истоках транзисторных пар, удобно учитывать наряду с другими причинами измене-ния этого тока, представив, что при облучении

ток I0 изменяется в (1 + ф) раз (где ф - коэффи-циент изменения тока I0).

В модели на рис.1,а действие фототоков, об-разуемых потоком носителей через коллектор-ные переходы, которые генерируются в базах транзисторных пар Т1 и Т2, учитываются посред-ством источников тока Iфкп1 и Iфкп2 (влиянием фо-тотоков, образуемых потоком носителей через эмиттерные переходы Т1 и Т2, пренебрегаем). Фототоки, которые возникают в коллекторных слоях транзисторов Tl, T2 и прилегающих к ним областях подложки с изолирующими р-п-переходами, учитываются источниками токов, шунтиру-ющих коллекторные и эмиттерные переходы па-разитных транзисторов ТП1, ТП2 и источниками фототоков Iфип1, Iфип2. Для упрощения моделей аналогичные паразитные транзисторы, связан-ные диффузионными резисторами, не показаны.

В модели на рис.1,б учтены фототоки, возни-кающие в каналах транзисторов Tl, T2 и прилегающих к каналам слоях подложки и изолирующих р-n-переходах. Действие ионизирующих излуче-ний приводит к отклонению от нуля выходного напряжения дифференциального каскада.

Влияние ионизационных эффектов, вызывае-мых воздействием электронного, высокоэнерге-тического нейтронного и -излучений, проявля-ется прежде всего в виде заметного увеличения токов утечки и канальных токов, что приводит к росту входных токов смещения Iвх см и сдвига Iвх сд. Происходит также уменьшение коэффициента пе-редачи тока базы N, влияющее как на точностные характеристики каскада, так и на его усилитель-ные параметры. Может происходить заметное из-менение выходных потенциалов каскада вследст-вие роста тока I0 стабилизированного источника.

Страницы: 1, 2