научная статья по теме ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОМПАРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА Энергетика

Текст научной статьи на тему «ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОМПАРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА»

2. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта. / Под ред. Д. А. Поспелова. — М.: Наука, 1986. — 312 с.

3. Денисенко В. В. Компактные модели МОП-транзисторов для SPICE в микро- и наноэлектронике. — М.: Физмат-лит, 2010. — 408 с.

4. Барбашов В. М., Трушкин Н. С. Особенности моделирования работоспособности цифровых БИС при воздействии

ионизирующего излучения. В сб.: "Электроника микро- и наноэлектроника" // Научно-технический сборник. — 2013. — Вып. 15. — С. 77—84.

5. Барбашов В. М. Моделирование функциональных отказов цифровых систем при воздействии радиации // Датчики и системы. — 2011. — № 6. — С. 29—34.

6. Нечеткие множества и теория возможностей / Под ред. Р. Р. Ягера. — М.: Радио и связь, 1986. — 408 с.

УДК 681.325.66.523.985.3

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОМПАРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ В УСЛОВИЯХ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА

PREDICTION OF BIPOLAR DEVICES BEHAVIOR DURING SPACE MISSION

Першенков Вячеслав Сергеевич

д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой E-mail: vspershenkov@mephi.ru

Бакеренков Александр Сергеевич

ассистент

E-mail: as_bakerenkov@list.ru

Соломатин Анатолий Владленович

инженер

E-mail: avsolomatin@list.ru

Родин Александр Сергеевич

инженер

E-mail: rodinraven@gmail.com

Беляков Владимир Васильевич

доцент

E-mail: vvbelyakov@mail.ru

Шуренков Владимир Васильевич

доцент

E-mail: vvshurenkov@mephi.ru

Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва

кафедра микро- и наноэлектроники

Аннотация: Приведены результаты численного моделирования изменения входного тока компаратора под воздействием радиации в условиях переменной мощности дозы, соответствующей 12-часовой орбите, переменной температуры и мощных кратковременных импульсных воздействий излучения солнечных вспышек.

Ключевые слова: эффект низкой интенсивности, конверсионная модель, подстроечные параметры, поверхностные состояния, компаратор, солнечная вспышка.

Pershenkov Viacheslav S.

D. Sc. (Technical), Professor, Head of Department E-mail: vspershenkov@mephi.ru

Bakerenkov Aleksandr S.

Lecturer

E-mail: as_bakerenkov@list.ru

Solomatin Anatoly V.

Engineer

E-mail: avsolomatin@list.ru

Rodin Aleksandr S.

Engineer

E-mail: rodinraven@gmail.com

Belyakov Vladimir V.

Associate Professor E-mail: vvbelyakov@mail.ru

Shurenkov Vladimir V.

Associate Professor

E-mail: vvshurenkov@mephi.ru

National Research Nuclear University "MEPHI", Moscow

Department of micro- and nanoelectronics

Abstract: On the base of the proposed conversion model, the radiation degradation of LM111 comparator input current is considered during dose rate variation corresponding 12-hour orbit, cyclic device temperature variation and impact of solar flare during space mission.

Keywords: ELDRS, conversion model, interface states, fitting parameters, comparator, solar flare.

ВВЕДЕНИЕ

С точки зрения радиационной стойкости основным критическим параметром компараторов напряжения на основе биполярных транзисторов (БТ) является входной ток. Прогнозирование сроков работоспособности компараторов в условиях космоса затруднено из-за эффекта низкой интенсивности, который заключается в увеличении деградации входного тока при уменьшении интенсивности излучения. При малых значениях интенсивности деградация возрастает, стремясь к насыщению. Существующие физические модели эффекта НИ в биполярных приборах [1] имеют качественный характер или большое количество трудно экстрагируемых параметров. Невозможность проведения численных оценок существенно ограничивает их практическое использование. Для устранения этого недостатка была разработана конверсионная модель эффекта низкой интенсивности [2, 3], которая помимо рассмотрения доминирующих физических механизмов включает специальную процедуру экстракции подстроечных параметров. Это позволяет проводить численные оценки в широком диапазоне изменения мощности дозы, температуры и полной поглощенной дозы. Конечно, каждый БТ имеет свой специфичный набор подстроечных параметров, и именно для него возможна численная оценка функционирования в заданных условиях эксплуатации.

В данной работе показано использование конверсионной модели для получения численных оценок характеристик компаратора ЬМ111 в условиях переменной мощности дозы, переменной температуры и мощного кратковременного импульсного воздействия излучения солнечных вспышек.

В известных физических моделях эффекта НИ рассматривается воздействие постоянной мощности дозы. В реальных условиях эксплуатации космический аппарат, пересекая радиационные пояса Земли, находится в условиях периодически изменяющейся мощности дозы, и ее усреднение для оценки работоспособности приборов на борту космического аппарата не является очевидным. Так, в [4] (где для оценки влияния НИ рассматривается переключение интенсивности с высокой величины на низкую) в качестве значения мощности дозы при переключении на НИ предлагается использовать значение, соответствующее полетному. В данной работе на основе численного анализа дается ответ на вопрос, как определить это значение, если мощность дозы во время работы прибора непостоянна.

В работе [5] для восстановления характеристик приборов после набора очень больших поглощенных доз предлагается использовать высокотемпературный циклический отжиг. Методика апробирована на приборах с толстым окислом, но, в принципе, может быть распространена на другие классы приборов. В данной работе проведен численный анализ влияния циклического изменения температуры на работоспособность

компаратора ЬМ111 при долговременном функционировании, позволяющий оценить применимость методики циклического обжига. Также численно анализируется необходимый запас в полной поглощенной дозе для обеспечения необходимого времени функционирования на заданной орбите за счет влияния солнечных вспышек. Исходные положения (см. также [6]) дополнены примерами, представляющими практический интерес.

Далее рассмотрены особенности конверсионной модели, связанные с циклическими изменениями мощности дозы, температуры и мощным однократным воздействием.

Особенности конверсионной модели для переменных условий воздействия внешней среды

Предполагая существование мелких и глубоких ловушек [2, 3, 7], кинетику изменения радиационно-ин-дуцированного заряда в окисле и на поверхностных состояниях можно описать следующей системой уравнений, справедливой для произвольной мощности дозы и температуры:

d(QotЬ _ ... (Q0t)n

" KDy - —-;

td

1 (Qot )d

dt

dNtt

—A = Ks y +--

dt S q т d

(1)

(2)

где ( Qoî)d — заряд глубоких ловушек в окисле; y — интенсивность излучения; тд — время конверсии глубоких ловушек; Nit — плотность поверхностных состояний; K's и KD — постоянные.

о /1\ TS* ( Qot) D

В (1) Kd y и -D — темп радиационно индуци-

TD

рованного накопления и отжига положительного заряда в окисле соответственно. Темп встраивания поверх-

dN t

ностных состояний —--- в (2) включает две составляю-dt

щие. Первая ( K's y) характеризует накопление мелких

f 1 ( Qot)d!

ловушек в окисле, а вторая I--DI соответствует тем-

1 q td )

пу отжига положительного заряда в окисле и его конверсии в поверхностные состояния. Рассматривается наихудший случай, когда 100 % заряда в окисле конвертируются в поверхностные состояния.

В данной работе, как и в [2, 3], принято предположение о линейной зависимости радиационно индуцированного приращения тока базы БТ от плотности поверхностных состояний, основанное на численных оценках зависимости тока поверхностной рекомбинации от плотности поверхностных состояний [8]. Результаты [8] показывают, что для полных поглощенных доз, характерных для космических применений (менее 100 крад для SiO2), зависимость тока базы входного транзистора от Nit линейна:

In = ANt. (3)

Решение уравнений (1), (2) и (3) для Iin(t) имеет вид:

In = [aKJ + 1qAKD jyt + 1AKDytd^exp^-j - lj , (4)

где A — коэффициент пропорциональности.

Так как полная доза D = Pt, то соотношение (4) можно переписать следующим образом:

Iin = [aKS + 1 AKb jD + 1 AKbYTD^exp^--D-j - 1].(5)

Сравнивая (5) и (12) (см. ниже решение системы (1), (2) для постоянных внешних условий), получаем:

Ks = AK'S ; (6)

D. (7)

Kd = 1AK

4

Если переписать (1), (2) без , используя только и Кд, экстрагированные для ЬМ111, получим:

= ,KM - ;

dt

1 QOt

-1 = KS y +--

dt q td

(8)

(9)

QOt (t + At) = I qKfff(t) -

Iin(t + At) = I KsY(t) +

t d( t)

1 QOt ( t) q тд( T)

At + QOt (t); (10)

At + Iin(t), (11)

ловиях постоянной мощности дозы. В этом случае решение системы уравнений (8) и (9) для входного тока имеет вид:

iin = (Kd + Ks)D + ytdKdI exp

D

YT

1|,

(12)

где Б = у*; , Кд и тд — подстроечные параметры.

Постоянная времени отжига глубоких ловушек является функцией температуры и может быть описана законом Аррениуса:

(13)

td(T ) = TDoexpI -

kTJ'

где ^ = А(^)д.

Система (8), (9) была положена в основу численных расчетов и позволяет получить численную оценку изменения входного тока от времени для переменных мощности дозы и температуры, т. е. для изменяющихся условий облучения.

За короткий интервал времени А* интенсивность излучения у и температура Тпочти постоянны и из (8), (9) можно получить следующие соотношения:

Q0t (*)

где величины Q0t (*), /„(О соответствуют времени а Q'0t (* + А*), /¿п(г + А*) соответствуют времени (* + А*).

Пошаговое моделирование осуществляется в следующей последовательности: вычисление Q'0t (* + А*) и /¡п(г + А*) из соотношений (10), (11) и начальных значений Q0t (0) и /¡„(0); то же с новыми величинами Q0t и полученными на предыдущем шаге; повторение этой процедуры до достижения заданного времени или полной дозы.

Эта методика применялась для численного моделирования деградации входного тока компаратора ЬМ111 при переменной мощности дозы и температуре во время и после облучения.

Численное моделирование требует знания под-строечных параметров модели, процедура экстракции которых для компаратора ЬМ111 осуществляется в ус-

где тдо — предэкспоненциальный множитель; Ед — энергия активации теплового возбуждения глубоких ловушек; к — постоянная Больцма

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком