Транзисторы

Биполярные транзисторы. Радиационная стойкость в основном определяется деградацией коэффициента передачи по току. Второстепенные эффекты: изменение вольт-амперных характеристик р- -переходов, уменьшение емкостей р-п-перехо-дов. Главная причина деградации параметров биполярных транзисторов при ИИ - радиационные дефекты в полупроводниковом материале.

Максимально допустимый ПИЧ, который может выдержать биполярный транзистор для заданного изменения параметра /igi, определяется из соотношения:

где Ya - граничная частота усиления транзистора по току в схеме с общей базой, Гц; hi - коэффициент передачи транзистора по току в схеме с общим эмиттером до начала ИИ, /iji - коэффициент передачи транзистора потоку в схеме с общим эмиттером после ИИ; К - постоянная, зависящая от типа транзистора, нейтр с/см (для германиевых транзисторов р-п-р-типа К = = (4,2 ± 0,2) - 10 и -р- -типа К = (1,8 ± 0,2) . 10; для кремниевых транзисторов р- -р-типа К = = (0,3 ± 0,04) 10 и ft-р- -типа К = (0,46 ± 0,033) . 10.

При облучении биполярных транзисторов, не имеющих на поверхности кристалла защитных покрытий, наблюдается обратимое возрастание тока /ко из-за ионизационных эффектов. Удовлетворительного метода прогнозирования изменений /цо при ИИ пока не найдено. При прочих равных условиях наиболее устойчивы к ИИ транзисторы с минимальными размерами структуры и ступенчатым распределением примеси в р- -переходах.

,1.ля повышения радиационной стойкости РЭА рекомендуется применять высокочастотные транзисторы с пассивирующими покрытиями на поверхности кристалла и с низкой мощностью рассеяния, работающие в режиме больших токов.

Униполярные транзисторы. Радиационная стойкость определяется из-

Интегральные микросхемы

Действие ИИ проявляется в обратимых нарушениях работоспособности, вызванных ионизационными эффектами, и в необратимой деградации параметров.

достигается при мощности ПДИ, равной 2 . 10 рад/с.

При тепловом поглощении фотонных излучений наблюдаются различные повреждения: от разрушения контактов до полного испарения межсоединений. Степень разрушений возрастает с ПДИ и зависит от атомного веса материала. Надежность алюминиевых соединений существенно не изменяется при действии ПДИ, полностью разрушающей золотые проводники.

Значительный интерес для использования в условиях ИИ представляют ИС на основе керамических элементов (керамические твердые схемы). Такие ИС способны работать при нейтронном ИИ при ПИЧ lOi ... ... 10 нейтр./см и ПДИ фотонных излучений до lOi ... 10 рад.

С помощью конструктивно-технологических мер предполагается в ближайшие годы повысить радиационную стойкость ИС на 3 ... 4 порядка [22 ... 26]. В настоящее время хорошо отработаны и широко используются схемотехнические методы фототоковой компенсации, функциональное резервирование и другие меры, позволяющие повысить радиационную стойкость ИС на один-два порядка.

Данные по допустимым ПИЧ и ПДИ для некоторых материалов и ЭРЭ приведены на рис. 2.4,

Влияние ИИ

на электровакуумные приборы

Основные радиационные дефекты при воздействии ИИ на электровакуумные приборы: комптоновские токи, разгерметизация или разрыв баллона, выделение газов (СО, СОа, Ог пары НгО) с последующим отравлением катода, вторичное ИИ.

Главным источником комптонов-ских электронов является сетка. Анодный ток при воздействии ИИ увеличивается так, как если бы на сетку было подано положительное напряжение. Степень возрастания анодного тока зависит от коэффициента усиления лампы и величины сопротивления между сеткой и катодом.

Степень воздействий ИИ на баллоны из стекла и керамики зависит от сорта материала. Наименее стой-

Основные причины нарушения работоспособности: изменение параметров у входящих в них элементов (резисторов, транзисторов и др.), повреждение межсоединений, ухудшение качества изоляции. Радиационная стойкость конкретных ИС определяется их конструктивно-технологическими и схемными особенностями.

Констру кт ивно-технологические методы повышения радиационной стойкости ИС следующие:

- обеспечение стойкости к ИИ активных и пассивных элементов;

- создание надежной электрической изоляции элементов в условиях воздействия ИИ;

- использование радиационно-стойких проводящих и диэлектрических пассивирующих материалов;

- ослабление первичного ИИ за счет рационального выбора конструкции корпуса и применение материалов, поглощающих энергию ИИ.

Наименее устойчивы к ИИ ИС с изоляцией встречно включенными р- -переходами. Уже при ПДИ 10* ... 10 рад существенно возрастает уровень электрических паразитных связей между элементами. Активизируются также паразитные переключающие четырехслойные структуры, связанные с изолирующими переходами. Все это вызывает сбои или полный отказ ИС. Совершенствование этого способа ведется по пути уменьшения площади изолирующего перехода (метод ионной имплантации и др.) и использования изоляции в виде двуокиси кремния, сапфира, керамики. При использовании сапфировых подложек можно получить ИС, способные работать при мощности ПДИ до 10 рад/с. ИС на поликристаллической подложке выдерживает излучение с мощностью ПДИ до 10 ... 1№ рад/с. Повреждение межсоединений может произойти из-за фототоковой генерации и теплового поглощения материалом межсоединений низкоэнергетических фотонных излучений.

Разрушение межсоединений из-за фототоковой генерации характерно для биполярных ИС, в которых при ИИ плотность тока в металлизации может возрасти в 100 раз. Для алюминиевой металлизации типичной толщины предел термоэлектрической прочности составляет 5 - 10 А/см, что

менениями поверхностных и объемных состояний, обусловленными процессами в окисле, покрывающем поверхность приборов. Униполярные транзисторы выдерживают уровни ИИ меньшие, нежели биполярные. Наиболее чувствительны к воздействию ИИ униполярные транзисторы с изолированным затвором (МДП транзисторы). Уже при ПДИ фотонного излучения менее W рад и ПИЧ, равном 10 част/см*, наблюдается необратимый сдвиг характеристик прямой передачи в сторону более отрицательных смещений затвора (изменение порогового напряжения). Направление сдвига не зависит от типа проводимости канала и напряжения на затворе. Равные дозы различных излучений создают одинаковый сдвиг характеристик. Абсолютная величина сдвига зависит от толщины и материала диэлектрической пленки (чувствительность к ИИ снижается в следующей последовательности: SiOa, SINa, SiO, AIOs), материала электродов, технологии изготовления приборов, напряжения на затворе. Наиболее устойчивыми к ИИ являются МДП структуры с диэлектриком на основе AUOg. Они выдерживают фотонные излучения с ПДИ до 10 рад и уровни быстрых нейтронов ПИЧ до I0 нейтр./см. Униполярные транзисторы с управляющим р- -переходом обладают большей устойчивостью к ИИ, чем МДП транзисторы. Последствия ИИ проявляются в увеличении тока утечки затвора. Минимально изменяются и характеристики транзисторов с р-каналом: ток утечки затвора при ИИ не превышает 10 нА. В транзисторах с -каналом при обратном смещении на затворе ток утечки может достигать 1 мкА.

Таким образом, среди униполярных транзисторов наибольшей устойчивостью к воздействию ИИ обладают приборы с управляющим р- -переходом и р-каналом.

Двуатсь cfMwmma -

Масло /<рем/<ааорга е/чес ов Полистирол

Полиэтиле/<-----

Полу/тровотии Мвталль/

1/оль/ фенольшв--

Смоль/ 3/70ftcudffb/e Стгило

Стеилвттт -

Фторопласт

Бороузлеродасть/е -

fBpuMuvecHue (Бисирвтшг и ашеглальнь/в)

PoAf/ro3uuuof/mie: -пвреме /<ые /7летть/е

- пвреметш оьемше -постояншв

Металло/7летчиб/е -

Проволоше:

-в 3/70f/cuffo/f лотие /е

-на нерами не

То ко/7летчше ишвграль ые Углвродишь/е ллв оу ь/е

Бумажт/е-----

KepaMuvec/fue /1/7е оть/е

Cezvemof/epaMuvecvue -

СтенлоэмалеБыв и слюдяные Элентролитичеснив

Диоь/ дысоночастошьге Дио&ь; низночаототные ДиоЗь/ myfff/ельные Транзисторы $и/7олярнь/е:

-германиевые B.v. -

-германиевые н.ч.

- нремниевые в. v.

- нремниевые h.v. -- -

Транзисторы /Д/1 ШтевралбНб/е микросхемы:

- нерамичесние

-пленочные ---

- пол( 7рово&ниновь/в ТТЛ -на номнлемен/нирных МР транзисторах

- на МД/7 л7ранзисторах овноео тина нроводимости

кими К ИИ являются баллоны из стекла, содержащего бор: при ПИЧ порядка 10 нейтр./см они разгерметизируются. Радиационные дефекты керамических баллонов: повышенное газовыделение и в 2 ... 5 раз больше, нежели у стеклянных, вторичное ИИ (до 100 рад/ч).

Наибольшей стойкостью к ИИ обладают приемно-усилительные лампы (допустимый ПИЧ Ю нейтр./см). Фотоэлементы и электронно-лучевые трубки наименее устойчивы к ИИ (допустимый ПИЧ 10 нейтр./см2): их отказ может произойти как из-за повреждения рабочих элементов, так и из-за изменения свойств защитных стекол.

Защита РЭА от ИИ [18]

На рис. 2.5, а-д показаны характерные варианты защиты РЭА от ИИ. Общая экранировка (а) требует наличия массивного (для эффективности) экрана /, защищающего РЭА 2 от ИИ с любой стороны. Если взаимное положение источника ИИ в РЭА известно и стационарно, то можно применить теневой экран (б). Для защиты от космического ИИ используют многослойные экраны (в) из металлов с высоким куло-новским барьером (например, свинец) 5 и поглощающие прослойки 6, 7. Большее число слоев (г) требует гамма-нейтронная защита, при которой, наряду с кожухом РЭА 8, используют полиэтилено-свинцовый

экран 9 для защиты от v-излучения, термический противонейтронный экран 10 из полиэтилена с окисью бора, полиэтилено-графитовый замедлитель быстрых нейтронов II и нержавеющую сталь 12.

Точная информация о свойствах источника ИИ и специфике РЭА позволяет комплексно применять все приемы защиты с целью минимизации ее размеров и массы. В этом случае наряду с защитным экраном/ и радиационно-стойкими компонентами 2 используют локальную защиту отдельных компонентов РЭА

3 и специальное защитное покрытие

4 (9),

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Анапольская Л. Е. Режим скоростей ветра на территории СССР- Л.: Гидрометеоиздат, 1961.

2. Астафьев А. В. Окружающая среда и надежность радиотехнической аппаратуры. - М.- Л.: Энергия, 1965.

3. Бургсдорф В. В., Муретов Н.С. Гололедные нагрузки воздушных линий электропередачи.- Труды ВНИИЭ, 1960, вып. 10.

4. Бушминский И. П. Изготовление элементов конструкций СВЧ. - М.: Высшая школа, 1974.

5. Вентцель Е. С. Теория вероятностей.- М.: Физматгиз, 1960

6. Гарцман Л. Б., Меламед М. Н., Кривозубов А. В., Плево И. П. Метод расчета интенсивности внешних воздействий на механические устройства радиотехнических систем.- Вопросы радиоэлектроники. Сер. общетехническая, 1975, вып. 6.

Рис. 2.5. Защита РЭА от ИИ общим (а); теневым (б) и многослойным экраном (в) и поглощающей прослойкой (г); схема гамма-нейтронной защиты (д)

Рис. 2.4. Стойкость материалов н ЭРЭ к воздействию переноса ионизирующих частиц ПИЧ (о) Fn, иейтр/см и к поглощенной

дозе D (Д), рад

7. Гарцман Л. Б.; Меламед М. Н.; Кривозубов А. В., Плево И. П.

Расчет комплекса параметров гололедно-ветрового режима для проектирования механических устройств наземных радиотехнических систем. - Вопросы радиоэлектроники. Сер. общетехническая, 1976, вып. 7.

8. Горбунов Н. Д., Матвеев Г. Д. Ферриты и магнитодиэлектри-ки: Справочник.- М.: Сов. радио, 1968.

9. Горячева Г. А., Шапкин А. А., Ширшев Л. Г. Действие проникающей радиации на радиодетали.- М.: Атомиздат, 1971

10. Гуревич Л. Г. Ферриты на сверх высоких частотах - М.: Физ матгиз, 1960.

П. Защита радиоэлектронной ап паратуры от влияния климати ческих факторов: Пер. с нем./ Под ред. Г. Юбиша. - М. Энергия, 1970.

12. Краткий справочник конструк тора радиоэлектронной аппара туры/ Р. X. Вальян, И. А. Бар канов, А. В. Борисов и др.; Под ред. Р. Г. Варламова.- М. Сов. радио, 1972.

13. Конструирование и расчет по

ЛОСКОВЫХ устройств/ в. и. ГО

лубев, И. С. Ковалев, Е. Г, Кузнецов и др.; Под ред. И. С Ковалева.-М.: Сов. радио, 1974

14. Мейнке X., Гундлах Ф. Ра диотехнический справочник. - М.: Госэнергоиздат, 1961.

15. Нагрузки и воздействия: СНиП II-6-75. - М.: Стройиздат, 1975.

16. Преображенский А. А. Теория магнетизма, магнитные материалы и элементы.- М.: Высшая школа, 1972.

17. Плужников В. М., Семенов В. С. Пьезокерамические твердые схемы.-М.: Энергия, 1971.

18. Радиационная стойкость материалов радиотехнических конструкций: Справочник/ Под ред. И. А. Сидорова, В. К- Князева.- М.: Сов. радио, 1976.

19. Фельдштейи А. П., Явич Л. Р.,

Смирнов В. П. Справочник по элементам волноводной техники.- М.: Сов. радио, 1967.

20. Харвей А. Ф. Техника сверхвысоких частот в 2-х т.- М.: Сов. радио. 1965.-Т.1.

21. Штольц Н. Н., Пискарев К. А. Ферриты для радиочастот.- М.: Энергия, 1966.

22. Хасси А. Г., Найман Д., Симон X, Радиационная стойкость тиристоров.- Электроника, 1968, т. 41, Кя 7, с. 65-69.

23. Olson R. J., Alexander D. R., Antonrne R. J. Radiation response study of new radiation - hardened low power TTL series.- IEEE Irans., 1971, V. NS-18, № 6, p. 243-249.

24. Berger R. A., Azarewicz J. L, Eisen H. Hardness assnrance guidelines for moderate neutron environment effects in bipolar transistor and integrated circuits. - IEEE Trans, 1973, v. NS-20, № 6, p. 180-184.

25. Raymond J. P., Pocock D. N. Transient radiation effects in MOS/LSi. - IEEE Trans., 1974, V. NS-21, Ns 6, p. 179- -185.

26. Gwyn G., Gregory B. L. Designing ultrahard bipolar transistors. - Sol.-St. Tech., 1972, V. 15, № 4, p. 50-55.

3. ОБЪЕКТЫ-НОСИТЕЛИ ДЛЯ РАЗМЕЩЕНИЯ РЭА*

Основные аббревиатуры

В - вибрации Вл - влажность относительная ИС - интегральная микросхема КК - космический корабль СА - система амортизации

У - удары (механические) УЛ - ускорения линейные

* Составители В. М, Городилин, Р. Г. Варламов.

3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ УСЛОВИЙ

ЭКСПЛУАТАЦИИ РЭА

В ЗАВИСИ/МОСТИ

ОТ РАЗ/МЕЩЕНИЯ И СВОЙСТВ

ОБЪЕКТА-НОСИТЕЛЯ [1...18]

РЭА может размещаться на поверхности земли, в различных наземных или подземных помещениях (объектах), на разнообразных транс-

и падений, инея и росы, дождя и погружения в воду, пыли и соляного тумана, после обнаружения механических резонансов конструкции, циклических изменений температуры, проверки прочности при транспортировании. Все эти требования формулируются в ГОСТах, ТУ и ЧТУ на РЭА.

3.2. РАЗМЕЩЕНИЕ СТАЦИОНАРНОЙ РЭА [6, 7, 11, 13]

Общие положения

Стационарная РЭА по ГОСТ 16019-78 разделяется на стационарную, работающую в отапливаемых наземных и подземных сооружениях (1 группа) и стационарную, работающую на открытом воздухе или в неотапливаемых наземных и подземных сооружениях (2 группа).

При размещении РЭА 2 группы необходимо учитывать деление территории СССР на четыре климатических района: I, II, III и IV (1 - суровая и длительная зима, короткий световой год, толщина снежного покрова до 1,2 м, среднемесячные температуры января и июля - 32°0 и + 2ГС (241 К и 294 К), П -умеренная зима, толщина снежного покрова до 1 м, среднемесячные температуры - 14°С и -f21°C (259 К и 294 К), III - континентальный климат с холодной зимой и жарким летом, незначительный снежный покров, большая интенсивность солнечной радиации, среднемесячные температуры - 20°С и + 25°С (253 К и 298 К), IV - жаркое лето с интенсивной солнечной радиацией, относительно короткий зимний период, среднемесячные температуры - 15°С и -f 28°С (258 К и 301 К). Кроме четырех климатических районов, различают 16 подрайонов и геофизические показатели (нормативная глубина промерзания грунтов, наличие вечной мерзлоты, карстов, оползней и т. п.), которые определяют как микроклимат в месте расположения РЭА, так и требования к конструкции зданий и отдельных помещений.

Значения дестабилизирующих факторов для РЭА 1 и 2 групп приведены в табл. 3.1.

портных средствах (носителях), на человеке и вьючных животных, для обозначения которых обычно пользуются собирательным термином объект-носитель.

Диапазон дестабилизирующих воздействий объекта-носителя очень широк: от климатических воздействий данного региона при эксплуатации РЭА на поверхности земли до специфических условий радиоотсеков самолетов и ракет. В соответствии с этим по ГОСТ 16019-78, 17167-71, 17785-72, 17412-72 и [1 ... 18] различают:

- стационарную РЭА (объекты-носители - поверхность земли или помещения),

- возимую на наземных транспортных средствах (объекты-носители - автомобильный, гусеничный и железнодорожный транспорт).

- возимую на речных и морских судах (объекты-носители - внутренние помещения, палубы и мачты судов),

- носимую и портативную (объекты-носители - человек или вьючные животные, возможна работа вне помещений и на ходу),

- самолетную и ракетно-космическую (объекты носители -самолеты, вертолеты, ракеты и космические корабли).

В процессе эксплуатации различают два режима: 1) сохранение работоспособности РЭА при воздействии дестабилизирующих факторов с экстремальными значениями (обычно описывают термином устойчивость) и 2) обеспечение работоспособности в нормальных условиях непосредственно после воздействия дестабилизирующих факторов с экстремальными значениями на неработающую РЭА (обычно описывают термином прочность). Сохранение работоспособности РЭА при экстремальных значениях дестабилизирующих факторов обычно требуется при воздействии вибраций в диапазоне частот, ударов, повышенной влажности, пониженной и повышенной температуры и пониженном атмосферном давлении. Работоспособность в нормальных условиях (после воздействия экстремальных значений дестабилизирующих факторов) обычно проверяется при воздействии вибраций на одной частоте или в диапазоне частот, ударов