На бирже курсовых и дипломных проектов можно найти образцы готовых работ или получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ, диссертаций, рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


Реферат Основные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем. Классификация радиационных эффектов. Действие облучения на биполярные транзисторы. Радиационные эффекты в усилительных и дифференциальных каскадах. Радиационные эффекты в ИОУ.

Информация:

Тип работы: Реферат. Предмет: Схемотехника. Добавлен: 09.03.2007. Сдан: 2007. Уникальность по antiplagiat.ru: --.

Описание (план):


14
И. САМКОВ
Научный руководитель проф. Т.М. АГАХАНЯН
Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет)

Обзор по теме

“Воздействие ионизирующего излучения на ИОУ. Схемотехнические способы повышения радиационной стойкости ИОУ при воздействии импульсного ионизирующего излучения ”

2006

СОДЕРЖАНИЕ

1.Основные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем.

1.1. Классификация радиационных эффектов.

1.2. Действие облучения на биполярные транзисторы

1.3. Действие облучения на униполярные транзисторы

1.4. Специфика эффектов в зависимости от конструктивно-технологических особенностей ИМС

3

2. Радиационные эффекты в усилительных и дифференциальных каскадах

2.1. Усилительные каскады.

2.2. Дифференциальные каскады.

2.2.1. Моделирование эффектов в дифф-каскадах.

2.2.2. Влияние ИИ на шумовые характеристики.
5

3. Радиационные эффекты в ИОУ

3.1. Воздействие ИИ на параметры ИОУ.

3.2. Критериальные параметры.

3.3. Проектирование радиационно-стойких ИОУ.

3.4. Прогнозирование эффектов воздействия ИИИ на ИОУ.

3.5. Имитационные испытания.

3.6. Уменьшение ВПР электронной аппаратуры.
8
5. Список использованной литературы.
15
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 Тирел) 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.
Анализ влияния поверхностных ионизацион-ных эффектов требует более подробной инфор-мации о топологических и технологических осо-бенностях изготовления элемента ИМС, а также об изменениях заряда в приповерхностных слоях. Для этого обычно используют тестовые структуры.
Как показывает анализ, приведенное к входу импульсное отклонение собственного выходного напряжения дифференциального каскада (а не всего ИОУ) от номинальной величины оказыва-ются не столь заметными, несмотря на сущест-венное увеличение входных токов ИОУ при им-пульсном воздействии.
В литературе отмечается, что отклонение вы-ходного напряжения ИОУ от нуля при спецвоз-действии обусловлено не изменением выходных потенциалов дифференциальных каскадов, а в ос-новном происходит из-за нарушения режима по постоянному току выходных повторителей, при-чем это отклонение имеет одну и ту же поляр-ность, т.е. выходное напряжение отклоняется в сторону положительного источника питания. Экс-периментально было проверено, действительно ли влияние фототоков в выходных повторителях яв-ляется определяющим.
Влияние ИИ на шумовые характеристики дифф-каскада.
В каскадах на биполярных транзисторах в области средних и высших частот шумо-вого спектра, где преобладают дробовой шум токораспределения iш.к и тепловой шум объемного сопротивления базы eш.б, при облучении уровень шумов возрастает в результате деградации коэффициента пере-дачи тока базы и увеличения объемных сопротивлений.
Влияние теплового шума сопро-тивления коллекторного слоя eшк, а также шумовых сигналов паразитного транзистора iшфи, iшfи не так существенно. В области низ-ших частот преобаладают шумы со спектром 1/f, а также низкочастотные шумы фототоков. Анализ низкочастотных шу-мов усложняется тем, что их изменение при облучении определяется не только объемными эффектами, но и поверхностными. Действие ионизирующих излучений приводит не тоолько к повышению уровня низкочастотных шумов, но также к увеличению граничной частоты fш, т.е. к сдвигу их спектральной плотности в область более высоких частот.
В дифференциальных каскадах на униполярных транзисторах в об-ласти средних и высших частот, где преобладают тепловой шум ка-нала iшс и дробовой шум тока затвора iш.з шумы при облучении воз-растают из-за уменьшения крутизны характеристики транзистора S и увеличения тока затвора вследствие роста тока генерации в управ-ляющем р-n-переходе. Возрастают также низкочастотные шумы, об-условленные флуктуациями заряда токов генерации--рекомбинации в обедненном слое изолирующего р-n-перехода. При этот относитель-ное увеличение шумового сопротивления практически не зависит от частоты.
Уровень собственных шумов каскада повышается из-за шумов фото-токов, особенно при высоких импедансах источника сигнала.
Уровень шумов дифференциального каскада зависит также от схе-мы подачи входного сигнала и съема выходного напряжения. На практи-ке нередко подают сигнал только на один из входов каскада По отношению к этому входу интенсивность первичного шумового на-пряжения возрастает.
Сравнение дифференциальных каскадов на биполярных и униполяр-ных транзисторах по их шумовым показателям в области средних час-тот показывает, что в первых из них при работе от источников с Rг >> 103 Ом уровень шума выше. Следует иметь в виду, что каскады на униполярных транзисторах менее критичны к выбору оптималь-ного сопротивления источника входного сигнала, а поэтому изме-нение условия оптимальности при облучении не приводит к дополни-тельному увеличению шума.
Радиационные эффекты в ИОУ.

Воздействие ИИ на параметры ИОУ.
Интегральные операционные усилители (ИОУ) представляют собой высококачественные прецизионные усилители, которые относятся к классу универсальных и многофункциональных аналоговых микро-схем. Радиационная стойкость аналоговых ИМС определяется не только влиянием ионизирующих излучений на характеристики элемен-тов микросхемы, но она зависит также от структуры ИМС и схемотехнических особенностей. Поскольку боль-шинство современных аналоговых ИМС построены по структуре ИОУ, то на их примере можно выяснить влияние радиационных э и т.д.................


Перейти к полному тексту работы



Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.