При использовании корректирующих средств (СНС, датчики температуры и др.) возможно применение датчиков более низкого класса, чем требуется для комплекса. Так, для системы малого времени работы без СНС со случайными составляющими дрейфа гироскопов 0,005 град/с и дрейфа акселерометров 1 mg ошибка определения углов ориентации за 300 с будет достигать 0,5°; ошибка определения координат может превышать 1000 м. Исходя из предложенной классификации, такие результаты соответствуют системе низкой точности. При иссле-
довании моделей ошибок датчиков с включением в систему СНС и комплексной обработки информации величина погрешности определения углов ориентации за 300 с может быть уменьшена до 0,2 град, ошибка определения координат до 10 м.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алешин Б. С, Веремеенко К. К, Черноморский А. И. Ориентация и навигация подвижных объектов. — М.: Физматлит, 2006. — 424 с.
2. ГОСТ20058—80. Динамика летательных аппаратов в атмосфере. Термины, определения и обозначения.
3. Mohinder S. G, Lawrence R. W., Angus P. A. Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration:
Second edition. — New Jersey: Wi-ley-Interscience, 2007.
4. Новицкий П. В, Зограф И. А. Оценка погрешностей результатов измерений: 2-ое изд. — Л.: Энергоато-миздаг, 1991. — 304 с.
Работа выполнена в ГОУ ВПО "Московский государственный институт электроники и математики (технический университет)".
Алексей Федорович Каперко — д-р техн. наук, профессор, проректор по учебной работе;
® (495) 917-13-86 E-mail: Kaperko@miem.edu.ru. Владимир Леонидович Легостаев — аспирант.
® 8-903-626-86-57
E-mail: LegostaevVL@gmail.com □
УДК 551.521.64.621.396.664
СТАТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ЭНЕРГИИ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА
В. Н. Устюжанинов
Рассмотрены теоретические основы, принципы функционирования и особенности технической реализации датчиков пороговых значений линейной потери энергии (ЛПЭ) для тяжелых заряженных частиц космического пространства, вызывающих одиночные эффекты инвертирования логических состояний в цифровых устройствах космических аппаратов.
Ключевые слова: линейные потери энергии, тяжелые заряженные частицы, одиночные ионизационные эффекты, датчики тяжелых заряженных частиц.
Повышение сроков активного существования космических аппаратов (КА) является приоритетной задачей развития и совершенствования современных телекоммуникационных систем. Одна из основных проблем для решения такой задачи — обеспечение стойкости электронной аппаратуры КА к воздействию тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) космического пространства — преимущественно протонов высоких энергий и ионов с атомными номерами Z >2. Источники и характеристики корпускулярных ионизирующих излучений космического пространства (КП), классификация и
параметры вызываемых ими одиночных эффектов (ОЭ) рассмотрены в статье [1].
Одним из условий получения количественной оценки вероятности формирования одиночных эффектов (ОЭ) в структуре БИС является наличие данных о пороговых значениях энергии космических частиц, пороговых значениях линейных потерь энергии (ЛПЭ) ионов для каждого вида ОЭ. На это ориентированы существующие расчетные алгоритмы и методики [2]. Пороговые значения энергии и ЛПЭ для различных тяжелых частиц КП зависят от конструктивно-технологических и
топологических параметров микросхем, электрических режимов функционирования, частотного диапазона, особенностей схемотехнических решений и алгоритмов работы. При отсутствии достаточного объема данных о реальных наработках до отказа в условиях КП эти параметры в настоящее время могут назначаться лишь с практически неопределенной степенью приближения. Поэтому разработка методов и средств оценки пороговых уровней радиационных воздействий для различных ОЭ в рамках конкретных проектных решений является необходимым условием решения глобальной
ТЗЧ
ТЗЧ
а
>а ' in -j шшв. шёёш ш [ "а
\ i 2d
\ 2d/sina f*
б )
Рис. 1. Области локализации неравновесных носителей заряда в базе планарного биполярного транзистора при нормальном (а) и произвольном, под углом а, (б) падении тяжелой заряженной частицы на границу эмиттерного перехода
задачи обеспечения заданного срока активного существования.
Многопараметрическая зависимость пороговых уровней обуславливает необходимость разработки теоретических моделей одиночных эффектов и средств метрологического обеспечения мониторинга ОЭ в условиях КП. Конечной целью теоретических и экспериментальных исследований является разработка датчиков пороговых уровней энергий протонов и ионов КП для различных видов одиночных эффектов применительно к ИМС с различными конструктивно-технологическими параметрами. Возможность реализации такого подхода для цифровой аппаратуры на биполярных ИМС покажем на примере ОЭ, классифицируемого как 8Би, т. е. как кратковременную смену состояния логического элемента (ЛЭ) или структуры (обратимый сбойный эффект).
Физические основы и количественные характеристики сбойных эффектов могут быть рассмотрены на примере нормального падения ТЗЧ на базовую область толщиной й пла-нарного биполярного интегрального транзистора, рис. 1, а.
Табличные значения ЛПЭ иона с заданным атомным номером и энергией [2] позволяют определить скорость V налетающей частицы на границе эмит-терного перехода и обусловленную потерей энергии на толщине й скорость VI частицы на границе коллекторного перехода.
В результате время пролета области базы тяжелой частицей определится соотношением
¿о = -2й-. (1)
V + VI
Диффузионный механизм обуславливает перенос неосновных неравновесных носителей (НН) через область базы за время
¿б = ¿2/А (2)
где Б — коэффициент диффузии НН.
Из (1) и (2) следует соотношение
t6 _ d(v + vl)
t,
о
2 D
(3)
Расчеты по (3) для реальных значений параметров приводят к оценке ~ 105...107. Это означает, что на фоне относительно медленных диффузионных процессов ионизационное действие ТЗЧ следует рассматривать как мгновенное, что позволяет упростить анализ процессов накопления, переноса и экстракции заряда НН из базовой области биполярного транзистора.
Основным физическим фактором, обуславливающим возникновение ОЭ в структуре биполярных цифровых микросхем, является генерируемый ТЗЧ заряд НН в области базы. Достижение критического значения этого заряда сопровождается инвертированием логического состояния транзисторного ключа в составе ЛЭ. Такое событие может быть латентным или, в зависимости от особенностей схемо-
техники, сопровождаться изменением логического состояния выхода ЛЭ. Определение количественных характеристик ионизационных эффектов является необходимым условием метрологического обоснования возможности применения логических элементов как сенсоров в датчиках пороговых уровней энергии и ЛПЭ ТЗЧ для аппаратуры космического базирования.
Амплитудно-временные характеристики переходных ионизационных токов и напряжений обусловлены величиной ЛПЭ (йЕтзч/йх)о, конфигурацией объема локализации НН, закономерностями пространственно-временного распределения НН в области базы и направлением смещения эмиттерного и коллекторного переходов транзистора. Для случая нормального падения ТЗЧ (см. рис. 1, а), пространственно-временное распределение НН в области локализации с учетом принципа электротепловой аналогии может быть найдено в виде известного решения задачи Коши [3] при распространении теплового импульса в бесконечном стержне
f ( P(Y, T) = Po 1 - erf
— I
2JTJ
.(4)
где erf — функция интеграла ошибок; T = t/т, Y = y/L, — нормированные переменные времени и координаты; т — время
жизни НН; L = JDr — диффузионная длина НН; D — коэффициент диффузии НН в базовой области. Для анализа решения задачи (4) необходимо учесть физически обусловленные пределы изменения аргументов: о m т m 1; о m y m 1, что позволяет представить приближенное решение (4) в виде:
P(Y, T) = Po
1 - -
2YTJ
(5)
Область существования решений (4) и (5) ограничена топологическими особенностями
8
Sensors & Systems • № 12.2010
относительно тонкой базовой области планарного биполярного транзистора. При неограниченных значениях площади поперечного сечения базы процессы рассасывания НН обусловлены механизмом диффузионного переноса носителей на границы эмиттерного и коллекторного перехода по оси х. Поэтому эффекты боковой диффузии по оси у могут проявляться лишь на временном интервале с длительностью tб (2), равной времени диффузионного переноса носителей через толщу базы. С учетом этого оценка (5) концентрации НН на границе области боковой диффузии принимает вид
р(|, Т) = 0,5Ро. (6)
Оценки (4)—(6) позволяют для случая нормального падения ТЗЧ определить область собирания НН в виде цилиндра высотой и радиусом й и объемом этой области V = пй3. С учетом (6) линейная аппроксимация (5) позволяет рассматривать концентрацию НН в области локализации не зависящей от координаты и равной Р = 0,75Ро, где Ро определяется как отношение числа пар генерируемых ТЗЧ НН к объему области локализации V. Для кремния
<йЕТ йх
P» = Ш o 2. (7)
В общем случае при известном угловом распределении налетающих частиц (см. рис. 1, б). длина трека частицы в базовой области транзистора изменяется по закону синуса от угла падения. В результате величина генерируемого заряда с учетом (7) определяется по уравнению
Q = 0 , 22dq ídEj34\ . (8) sin a ^ dx J o
Величина ионизационного заряда Q в области базы может достигнуть критического значения, определяемого как порого-
вое значение заряда переключения, при котором произойдет смена логического состояния ключевого транзисторного каскада в составе логического элемента. Такое событие может произойти, если эмиттерный и коллекторный переход транзистора смещен в запорном направлении и на коллекторе транзистора фиксируется высокий уровень потенциала. Одиночное событие проявляется в виде смены единичного состояния вентиля на нулевое, т. е. переходом ключа в открытое состояние. В зависимости от схемотехнических особенностей ЛЭ и функционального назначения сбойного транзисторного каскада внутрисхемное одиночное событие фиксируется на информационном выходе в виде неалгоритмической смены состояний
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.