Копылова Ю.А. , Каменская М.А. , Юдаев Д.М.

Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ), Россия

Исследование воздействия радиационных факторов на интегральные микросхемы

В современной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) используется большое многообразие интегральных микросхем (ИМС), вследствие этого, затрудняется выработка общего подхода к анализу воздействия на них радиационных факторов.

ИМС представляет собой сложную неоднородную систему, которая включает в себя материалы с металлическими, диэлектрическими и полупроводниковыми свойствами. Разработка ИМС, стойких к радиационному облучению, предусматривает выбор материалов, конструктивных решений, уменьшающих влияние радиации.

По результатам исследований при воздействии радиационного облучения наиболее уязвимыми частями ИМС являются:

1) диодные и транзисторные элементы, помехоустойчивость и статический коэффициент передачи тока транзисторов в схеме с общим эмиттером будут изменяться из-за уменьшения времени жизни неосновных носителей тока;

2) полупроводниковые слои с низкой концентрацией легирующей примеси, в которых облучение будет быстро изменять концентрацию основных носителей тока, а также их подвижность;

3) диэлектрические слои, в которых при облучении может накапливаться объемный заряд, а также возникать дефектные локальные состояния, резко увеличивающие сквозные токи через диэлектрик;

4) переходные области металл-диэлектрик, металл-полупроводник, полупроводник-диэлектрик и p-n – переходы. В этих областях и вблизи них облучение будет создавать центры рекомбинации и захвата носителей заряда. Здесь также могут возникать локальные поверхностные состояния и существенно изменяться профиль распределения нескомпенсированных доноров и акцепторов.

Экспериментальные данные по влиянию облучения на основные параметры ИМС представлены на рисунке 1.

Рис.1. Зависимости нормированного коэффициента передачи тока и нормированного коэффициента усиления напряжения от интегрального потока облучения нейтронами реактора

Зависимости нормированного коэффициента передачи тока h_21э / h_21э0 транзисторов (кривая 1) и нормированного коэффициента усиления напряжения К_y,и/ К_{y,и 0} (кривая 2) для усилительных ИМС от интегрального потока облучения нейтронами реактора. Эти зависимости иллюстрируют монотонное уменьшение коэффициента усиления по мере набора интегрального тока. Такие параметры как коллекторный ток I_к, входное напряжение U_вх и выходное U_вых изменяются незначительно в том же диапазоне потоков.

Заметное изменение в процессе воздействия радиации испытывают динамические параметры. Быстродействие логических ИМС, выполненных на насыщенных транзисторах, улучшается на начальных стадиях облучения из-за уменьшения глубины насыщения, но при больших дозах начинает ухудшаться.

Импульсные параметры ИМС при облучении: время задержки включения t^1,0_зд, время нарастания t_нар, время рассасывания при выходе из режима насыщения t_рас, время спада t_сп, у различных видов ИМС могут быть разнообразны. Однако имеется общая закономерность – увеличение t^1,0_зд , t_нар и резкое уменьшение t_рас. В результате это приводит к увеличению времени включения t_вкл и уменьшению времени выключения t_выкл ИМС.

Из анализа изменений основных параметров ИМС под влиянием радиационного воздействия следует, что создание радиационно-стойких микросхем может осуществляться проведением следующих мер:

1) уменьшение отношения числа активных элементов ИМС по отношению к пассивным;

2) уменьшение рассеиваемой в ИМС мощности, т. е уменьшение уровней инжекции в активных элементах;

3) расширение числа функциональных возможностей;

4) снижение зависимости выходных параметров ИМС от величины коэффициентов усиления входящих в ее состав транзисторов.