Реферат: Воздействие радиационного излучения на операционные усилители

1) Параметры, характеризующие диффузию и дрейф неосновных носителей,

2) Параметры, характери­зующие 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 транзи­стора, однако перечень параметров, подлежащих учету, зависит от конкретных условий применения.

Действие облучения на униполярные транзисторы.

Влияние ионизирующего излу­чения на параметры униполярных транзисторов как с управляющим p-n-переходом, так и МДП - структур в основном проявля­ется в виде изменений тока затвора I₃ , порогового напряжения U_зи.пор (для МДП - транзисторов с индуцированным каналом) или напряжения отсечки U_зи.отс (для транзисторов с управляющим р-п- переходом и со встроенным каналом) и крутизны характеристики транзистора S_ст .Претерпевают изменение также дифференциаль­ные параметры: сопротивление затвора r_з , внутреннее сопротив­ление транзистора r_{i .}

В отличие от биполярных транзисторов в униполярных тран­зисторах ток в канале образуется потоком основных носителей, поэтому заметные изменения характеристик униполярных тран­зисторов, обусловленные действием эффектов смещения, наблю­даются при уровнях облучения, способных существенно повли­ять 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 иони­зационным эффектам, действие которых, прежде всего, свя­зано 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 радиаци­онных эффектов во многом определяется конструктивно-технологическими особенностями ИМС и в некоторых случаях различается для схем низкой и высо­кой степени интеграции. В частности, для интегральных структур малой и средней степени интеграции, к числу которых относятся аналоговые ИМС, можно пренебречь неравновесностью энерго­выделения, более слабо проявляются дозовые эффекты в бипо­лярных 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 усилитель­ных каскадов применяют каскады с общим эмиттером (ОЭ) и общим истоком (ОИ). Отклонение тока коллектора ΔI_к от своей номинальной величины, обусловленное действие стационарных эффектов смещения и ионизации, можно уменьшить увеличением глубины обратной связи, что приводит к уменьшению как коэф­фициента нестабильности, так и чувствительности схемы.

Усилительные параметры каскада ОЭ: его коэффициент уси­ления по напряжению входное и выходное сопротивление изме­няются главным образом из-за уменьшения коэффициента пере­дачи тока базы b_N .Высокочастотные параметры каскада ОЭ при облучении улучшаются из-за уменьшения b, t_b и С_к .

В каскаде ОИ отклонение тока стока ΔI_к от своей номиналь­ной величины, вызываемое радиационными эффектами, опреде­ляется 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

t_вх » С_вх R_{г ;} t_{в sх} » С_н ._вых R_сн

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

Дифференциальные каскады.

Принято считать, что стойкость аналоговых интегральных микросхем к спецвоздействиям оп­ределяется, прежде всего, радиационными эф­фектами во входных каскадах, в качестве кото­рых, как правило, применяют дифференциаль­ные каскады (за исключением трансимпедансных ИОУ).В дифференциальном каскаде приведенное ко входу откло­нение выходного напряжения от своей номинальной величины, вызываемое действием эффектов смещения и ионизации, опреде­ляется формулой

(где K_вл.ип коэффициент влияния нестабиль­ности напряжений источников питания, обусловленных радиаци­онными эффектами)

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

Благодаря высокому коэффициенту по­давления синфазных сигналов, образуемых пере­падами ионизационных токов как на входах, так и на выходах, разность выходных напряжений и входной ток сдвига из­меняются незначительно. Поэтому отклонение выходного напряжения от нуляопределяется не входным дифференциальным каскадом, а реакцией последующих каскадов.

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

В аналоговых ИМС с дифференциальным каскадом на входе в качестве пары используют униполярные транзисторы с управ­ляющим p-n-переходом. При этом токи затворов определяются токами обратносмещенных p-n-переходов — затворов. Как из­вестно, МДП-транзисторы обладают меньшим входным током, чем транзисторы с управляющим p-n-переходом. Однако МДП-транзисторы очень чувствительны к импульсным помехам, по­этому при использовании их во входных каскадах требуется за­щита входов диодами, токи утечки которых сводят на нет пре­имущества 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 позволя­ет заметно уменьшить I_вхсм и I_вх ._сд определяемые токами утечки диэлектрических затворов.

Действие переходных ионизационных эффек­тов можно оценить при помощи моделей диффе­ренциальных каскадов на биполярных транзис­торах (рис. 1а) и униполярных транзисторах с уп­равляющим 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 дей­ствие подавляется (так же как действие всяких синфазных помех). Косвенное влияние этих фо­тотоков, приводящее к изменению тока I₀ в эмит­терах или истоках транзисторных пар, удобно учитывать наряду с другими причинами измене­ния этого тока, представив, что при облучении

ток I₀ изменяется в (1 + a_ф ) раз (где a_ф - коэффи­циент изменения тока I₀ ).

В модели на рис.1,а действие фототоков, об­разуемых потоком носителей через коллектор­ные переходы, которые генерируются в базах транзисторных пар Т1 и Т2, учитываются посред­ством источников тока I_фкп1 и I_фкп2 (влиянием фо­тотоков, 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, шунтиру­ющих коллекторные и эмиттерные переходы па­разитных транзисторов Т_П1 , Т_П2 и источниками фототоков I_фип1 , I_фип2 . Для упрощения моделей аналогичные паразитные транзисторы, связан­ные диффузионными резисторами, не показаны.

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

Влияние ионизационных эффектов, вызывае­мых воздействием электронного, высокоэнерге­тического нейтронного и g-излучений, проявля­ется прежде всего в виде заметного увеличения токов утечки и канальных токов, что приводит к росту входных токов смещения I_{вх см} и сдвига I_{вх сд} . Происходит также уменьшение коэффициента пе­редачи тока базы b_N , влияющее как на точностные характеристики каскада, так и на его усилитель­ные параметры. Может происходить заметное из­менение выходных потенциалов каскада вследст­вие роста тока I₀ стабилизированного источника.

Анализ влияния поверхностных ионизацион­ных эффектов требует более подробной инфор­мации о топологических и технологических осо­бенностях изготовления элемента ИМС, а также об изменениях заряда в приповерхностных слоях. Для этого обычно используют тестовые структуры.