МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2008, том 37, № 1, с. 60-66
УДК 621.382
МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ
ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ИОНИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В ТРАНСИМПЕДАНСНЫХ ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЯХ
© 2008 г. Т. М. Агаханян
"Экспериментальное научно-производственное объединение Специализированные электронные системы" pkskor@spels.ru Поступила в редакцию 09.04.2007 г.
Исследуется поведение трансимпедансных интегральных операционных усилителей (ИОУ) при воздействии мощного импульсного ионизирующего излучения (ИИИ), приводящего к образованию всплесков напряжения в ИОУ. Рассматриваются возможности предотвращения временной потери работоспособности спецаппаратуры на трансимпедансных ИОУ при воздействии ИИИ.
ВВЕДЕНИЕ
Как известно [1-5], в электронных устройствах на ИОУ, применяемых в аппаратуре спутниковой связи, ядерных установках, аппаратуре военного и специального назначения при воздействии ИИИ из-за образования мощных импульсов фототоков в элементах микросхемы нарушается нормальная работа аппаратуры. При этом продолжительность времени потери работоспособности (ВПР) составляет десятки микросекунд и более [6]. В целом ряде устройств столь длительное ВПР оказывается опасным, поэтому проблема предотвращения нарушения нормальной работы такой аппаратуры является актуальной проблемой.
Технологические средства, применяемые специально для повышения радиационной стойкости ИОУ [7], такие как использование диэлектрической изоляции между элементами (вместо изоляции р-п-переходом), применение тонкопленочных резисторов взамен диффузионных, способствующие заметному уменьшению фототоков, а также включение дополнительных диодов для закорачивания фототоков, как это было реализовано в ИОУ цА744 [8], не приводят не только к предотвращению потери работоспособности ИОУ, но даже к заметному уменьшению ВПР.
Дело в том, что действительной причиной нарушения нормальной работы ИОУ с дифференциальным каскадом на входе при воздействии ИИИ является асимметричная схема преобразования двухфазного сигнала в однофазный во входной секции, выходное напряжение которой поступает на вход промежуточного усилителя [6]. Под воздействием этого сигнала происходит нарушение нормальной работы последующих каскадов в том числе и выходного повторителя напряжения. По-
этому предотвратить нарушение нормальной работы устройств на указанных ИОУ применением рекомендуемых [9] схемотехнических способов не удается; они лишь способствуют некоторому уменьшению ВПР.
Рассмотренные проблемы можно разрешить на основе ИОУ, не содержащего каскада преобразования двухфазного сигнала в однофазный. Такой микросхемой является трансимпедансный ИОУ представляющий собой двухканальную структуру на комплиментарных парах транзисторов, в котором сложение выходных напряжений каналов производится в двухтактном повторителе напряжений без какого-либо каскада преобразования.
Как известно [10], наиболее эффективным способом уменьшения фототоков, генерируемых при воздействии ИИИ, является применение диэлектрической изоляции. Изготовление ТИОУ непременно связано с необходимостью изоляции п-р-п- и р-п-р-транзисторов, образующих комплементарные пары, реализация которых заметноу-прощается при изготовлении ТИОУ на подложках разного типа по бикристальной технологии. Очевидно, что использование для этой цели диэлектрической изоляции не приведет к заметному усложнению технологического процесса. При этом упростится и изготовление пленочных резисторов (вместо диффузных), применение которых также способствует уменьшению фототоков.
Для повышения стойкости АИМС к ИИИ применяют также схемотехнические меры - это шунтирование коллекторных переходов транзисторов противонаправленными диодами, как это раелизо-вано в операционном усилителе цА744 [8]. Использование в ТИОУ комплементарных пар п-р-п-и р-я-р-транзисторов, чередующихся друг за дру-
гом, автоматически обеспечивает реализацию этой меры, предотвращающего выход из строя транзисторов при высоком уровне ИИИ. Кроме того, применение комплементарных пар способствует существенному уменьшению амплитуды фототоков во внешних цепях; в выходном и входном, так как протекающие в них фототоки п-р-п-и р-п-р-транзисторов противонаправлены. При этом если бы удалось реализовать п-р-п- и р-п-р-транзисторы точно одинаковыми параметрами, то фототоки во взаимодействующих цепях полностью отсутствовали бы.
Применение диэлектрической изоляции способствует также улучшению шумовых характеристик микросхемы, так как при этом не образуются шумы, связанные с возникновением фототоков через изолирующие р-п-переходы. Этому способствует также применение пленочных резисторов вместо диффузионных.
1. РЕАКЦИЯ ТРАНСИМПЕДАНСНЫХ
ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Проблемы, возникающие при прогнозировании радиационного поведения интегральных микросхем и, в особенности, связанные с повышением радиационной стойкости электронной аппаратуры на интегральных микросхемах, наиболее эффективно можно разрешить на основании макромоделей отдельных блоков микросхемы, образуемых группой элементов, радиационное поведение которых является определяющим для рассматриваемой микросхемы в целом [11]. На рис. 1 представлена упрощенная модель п-р-п транзистора в АИМС с диэлектрической изоляцией. Верхняя часть модели описывает активное действие транзистора, которое характеризуется параметрами базовой области: нормальным аш и инверсным а л/ коэффициентами переноса неосновных носителей заряда, диодами эмиттерного Дэп и коллекторного переходов Дка с тепловыми токами /кТп и /эТп, определяемыми для электронных составляющих потоков носителей [12].
Фототоки, образуемые потоком неосновных носителей (дырок), которые генерируются ИИИ в эмиттерной и коллекторной областях, ограниченными металлическими невыпрямляющими контактами учитываются источниками токов /фдм и /фкм. Первичные фототоки, которые формируются потоком основных носителей, генерируемых в обедненных слоях эмиттерного и коллекторного переходов, в модели определяются источниками
т°к°В 4фп и /фкп.
При анализе практических схем фототоком эмиттера /фэп, /фэм и /эфп не учитываются, так как
а Т11кп
п5п
э
Дэ
а тА
«5
и
диф.к
1ф
I ф™
ФКП{«Н-
Дк
Дк
к
Б
Рис. 1. Упрощенная модель п-р-п-транзистора АИМС с диэлектрической изоляцией.
они не оказывают заметного действия. Поэтому эти токи не включены в упрощенную модель транзистора (см. рис. 1). Первый из них /эфп определяется потоком электронов, генерируемых в базе, поэтому практически /фэп = 0. Фототоки /фэм и /эфп, образуемые потоком неосновных носителей в эмиттере и эмиттерном переходе, также не принимаются во внимание из-за незначительности этих токов, поскольку /фэм и /эфп формируются в небольшом объеме эмиттерной области и эмиттерного перехода соответственно.
При определении приращения тока эмиттера
^эф — I'
эфп = а77гкфп + гэд, наряду с передаваемой ча-
стью фототока коллектора <хл/1кфп учитывается приращение тока эмиттерного диода Дэп, обусловленное изменением напряжения на эмиттерном переходе иэ, приняв
/
шэ фг
где /э пос - постоянная составляющая тока эмиттера без учета фототоков.
При образовании фототоков большой амплитуды приходится учитывать не только омическое падение напряжения в объемных сопротивлениях гб,
гк, но также диффузионные (демберовские) [13] падения напряжения в коллекторном и эмиттерном слоях. Особенно существенно действие диффузионного перепада напряжения в коллекторном
1
1
кп
Г
кп
ЙЛ ± С1
Й2 С2
Рис. 2. Схема ТИОУ с резистивно-емкостной обратной связью.
слое ^диф.к (см. рис. 1), где перепад концентрации носителей заряда, величиной которого определяется идиф.к, оказывается наибольшего значения. Это напряжение может приводить к смещению в прямом направлении коллекторного перехода транзистора, нарушая его нормальную работу. Такая опасность реальна для р-п-р-транзисторов, у которых идиф.к может превысить (1-2) В, тогда как для п-р-п-транзистора идиф.к обычно меньше; (0.2-0.5) В, что объясняется [13] меньшей подвижностью дырок по сравнению с электронами.
Для оценки действия фототоков в трансимпедансных ИОУ (рис. 2) были составлены схемы замещения входного (рис. 3) и выходного (рис. 4) блоков микросхемы, анализ на основе которых позволяет делать следующие выводы.
Перепад напряжения на обоих входах ТИОУ определяется разностью фототоков п-р-п-транзи-сторов. На неинвертирующем входе этот перепад определяется разностью фототоков в базовых цепях транзисторов Т2 и Т1:
/вх. ин = /бф2 - ^бф1 = /фкп2 + ^фкм2 + ^фкп2 — - (/фкр1 + ^фкм1 + 1фкп1).
Практически фототоки в базовых цепях /бф1 и /бф2 образуются в основном из потоков неосновных носителей, генерируемых в базовых областях (1фкр1 и /фки2), потоков основных носителей, генерируемых в коллекторных областях (/фкм1 и 1фкм2) и коллекторных переходах (^ и /ф^) транзисторов Т1 и Т2. Причем фототоки противонаправлены составляющим токов /б1 и /б2.
Перепад напряжения на неинвертирующем входе приводит к изменению смещений на эмиттерных
переходах входных транзисторов; у п-р-п-транзистора Т2 оно повышается, способствуя увеличению тока эмиттера на величину г'эд2, а у р-п-р-тран-зистора Т1, наоборот, к уменьшению тока эмиттера г'эд1. Поскольку эти изменения определяются разностью фототоков
/бф1 - /бф2, то их влияние не ощутимо, поэтому опасность эмиттерного пробоя р-п-р-транзистора исключается даже при работе на высокоомные датчики сопротивлением Яд, составляющим сотни килоом.
В ИОУ с дифференциальным каскадом на входе, во-первых, перепады напряжения в базовых цепях входных транзисторов, вызываемые фототоками /бф, приводят к уменьшению смещения на эмиттерных переходах. Во-вторых, поскольку перепады напряжения определяются не разностью фототоков (как ТИОУ), то при работе от датчиков с Яд всего единицы и десятки килом происходит пробой эмиттерных переходов, сопровождаемый выходом их строя микросхемы.
Фототок, вытекающий из инвертирующего входа тоже определяется разностью фототоков эмиттерв п-р-п (Т3)- и р-п-р (Г4)-транзисторов. Перепад напряжения н
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.