Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем

Особенности 1,5 мкм БиПТП- технологии
Применение известных конструктивно-технологических способов увеличения радиационной стойкости (полной диэлектрической изоляции, тонкопленочных резисторов, вертикальных p-n-p- транзисторов с тонкой активной базой и др.) приводит к существенному удорожанию ИС.
При создании на ОАО «Интеграл» (г. Минск, Беларусь) маршрута изготовления микросхем с биполярными (БТ), полевыми транзисторами с p-n- переходом (ПТП) и проектной нормой 1,5 мкм использован компромиссный подход, ориентированный на одновременное увеличение быстродействия, уменьшение шумов и стоимости, обеспечение радиационной стойкости, а именно:
формирование комбинированной изоляции элементов диэлектриком и p+- скрытым слоем для уменьшения площади p-n- переходов и предотвращения «защелкивания» транзисторных структур при радиационном воздействии;
Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

уменьшение всех топологических размеров;
уменьшение глубины залегания базовой и эмиттерной областей n-p-n- транзистора и максимальное увеличение концентрации примеси в них;
конструктивное исключение соприкосновения областей n+- эмиттера и диэлектрической изоляции для предотвращения тока утечки между коллектором и эмиттером n-p-n- транзистора по окислу;
формирование резисторов на сильнолегированных полупроводниковых областях;
повышение плотности тока в транзисторных структурах до границы наступления эффектов высокого уровня инжекции.
Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Вид структуры кристалла

Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Данные по изготовлению отдельных слоев структуры

Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Параметры транзисторов и тестовых элементов

Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Параметры транзисторов и тестовых элементов

Радиационно-стойкий базовый матричный кристалл «АБМК_1_3»
На основе 1,5 мкм БиПТП- технологии создан базовый матричный кристалл (БМК) типа «АБМК_1_3» для изготовления малошумящих и широкополосных аналоговых ИС. «АБМК_1_3» содержит четыре идентичных канала, каждый из которых состоит из двух макрофрагментов.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Радиационно-стойкий базовый матричный кристалл «АБМК_1_3»

По периметру БМК расположены сложнофункциональные контактные площадки, которые используются для соединения кристалла проводниками с траверсами корпуса или в качестве элементов ИС:
PAD2Q – два многоэмиттерных малошумящих n-p-n-транзистора;
PADJ – малошумящий p-ПТП;
PADJDG – два двухзатворных p-ПТП;
PADC – МОП- конденсатор с номиналом 2,3 пФ.
Каждый макрофрагмент включает один изолированный карман, в котором размещены резисторы с номиналом от 650 Ом до 15,1кОм и 70 Ом; n-p-n-транзисторы (NPNC) для источников стабильного тока; МОП- конденсаторы с емкостью 0,95 пФ; функционально-интегрированные элементы (PNPJF), представляющие собой каскодное соединение p-n-p-транзистора и p-ПТП; n-p-n-транзисторы с объединенными коллекторами (GC); 4-х- слойные полупроводниковые структуры (TW), позволяющие с помощью различного выполнения межсоединений областей получить два n-p-n- или p-n-p-транзистор.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Радиационно-стойкий базовый матричный кристалл «АБМК_1_3»

Результаты радиационных испытаний
Место испытаний: установка ИБР-2, канал №3, Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна, РФ).
Экспериментальная установка описана в Сообщении ОИЯИ, Р13-96-403. Испытания проведены совместно с Замятиным Н.И. (CMS-RDMS/JINR meeting, Dubna, 15.04.1998).
Объект испытаний: тестовые транзисторы, резисторы, микросхема «Тетрод-Б», изготовленные по 1,5 мкм БиПТП- технологии.
Условия испытаний: гамма-источник - 137Cs, комнатная температура, без электрического режима.
Интегральный Поглощенная доза, Плотность потока
поток нейтронов, Мрад или мощность дозы
н/см2, En>100 кэВ
2*1014 0,12 2*1010 н/(см2*с)
9*1012 - 2*1010 н/(см2*с)
- 1,0 180 крад/ч
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора p-n-p- транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия потока нейтронов 9*1012н/см2
Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора p-n-p- транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия потока нейтронов 2*1014н/см2
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора малошумящего n-p-n транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия потока нейтронов 9*1012н/см2
Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора малошумящего n-p-n транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия потока нейтронов 2*1014н/см2
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора малосигнального n-p-n транзистора: 1– до облучения, 2 - после воздействия потока нейтронов 9*1012н/см2
Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора малосигнального n-p-n транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия потока нейтронов 2*1014н/см2
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора малошумящего n-p-n транзистора: 1– до облучения, 2 - после гамма- облучения, поглощенная доза 1Мрад
Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора малосигнального n-p-n транзистора: 1 – до облучения, 2 - после гамма- облучения, поглощенная доза 1Мрад
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
Электрическая схема усилителя Тетрод-Б

Зависимость эквивалентного шумового заряда (ENC) ИС «Тетрод- Б» от емкости детектора (Cd) при времени формирования Tp=0,5 мкс:
1 – до облучения,
2 - после воздействия потока нейтронов 9*1012н/см2,
3 - после гамма- облучения, поглощенная доза 1 Мрад,
4 - после воздействия потока нейтронов 2*1014н/см2
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
где αS1, αS2 – коэффициенты, характеризующие форму импульса на выходе фильтра, соединенного с ИС «Тетрод- Б»

Выводы по результатам испытаний:
n-p-n, p-ПТП сохраняют свою работоспособность при поглощенной дозе гамма-излучения 1 Мрад и потоке нейтронов 2*1014 н/см2, а горизонтальные p-n-p- транзисторы - при потоке нейтронов до 9*1012 н/см2.
Изменение величины сопротивления резисторов при поглощенной дозе гамма-излучения 1 Мрад и потоке нейтронов 2*1014 н/см2 не происходит в пределах погрешности измерений.
Среднее изменение параметров p-ПТП составляет
условия облучения изменение изменение
максимального напряжения
тока стока, % отсечки, %
2*1014 н/см2 -18,6 -8,5
9*1012 н/см2 -10,0 -3,4
1,0 Мрад -10,6 -6,0.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Выводы по результатам испытаний:
Коэффициент усиления паразитного транзистора (коллектор-коллектор близко расположенных n-p-n- транзисторов) чрезвычайно мал (0,1-0,2), не изменяется при гамма- облучении и уменьшается до 0,02 при воздействии потока нейтронов.
Пробивное напряжение транзисторов при воздействии радиации не ухудшилось.
Радиационная стойкость разработанных n-p-n- транзисторов незначительно уступает зарубежным аналогам, изготовленным по DMILL и H2CMOS-технологиям.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Место испытаний: канал PS-T8 ускорителя PS, стенд IRRAD2, Европейский центр ядерных исследований (г. Женева, Швейцария).
Объект испытаний: ИС 8-ми канального усилителя-формирователя-дискриминатора «АНОД», изготовленная по 1,5 мкм БиПТП- технологии. Испытания проведены Чеховским В.А., Солиным А.В.
Условия испытаний: Облучение ИС проводилось в течение нескольких экспозиций, в перерывах между которыми измерялись основные характеристики схемы. Спектр нейтронов - аналогичный ожидаемому на установке LHC. Во время облучения осуществлялся контроль напряжения питания и тока потребления ИС, а также регистрировались срабатывания каждого канала.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Схема проведения эксперимента
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Зависимость постоянного напряжения на выходе формирователя от интегрального потока нейтронов
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Зависимость длительности выходного импульса от интегрального потока нейтронов
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Зависимость среднего значения коэффициента преобразования усилителя от интегрального потока нейтронов
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Зависимость порога срабатывания дискриминатора от интегрального потока нейтронов
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Зависимость шумов от интегрального потока нейтронов
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Исследование “эффектов одиночных событий” (SEE) при облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВ
Схема проведения эксперимента
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Исследование “эффектов одиночных событий” (SEE) при облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВ
Исследование эффекта «защелкивания» (SEL)
Назначение схемы - защита ИС по току. Порог компаратора подбирался таким образом, чтобы при превышении заданной величины тока источника питания ток потребления ИС ограничивался на время срабатывания одновибратора Т~10мс. Сигнал с выхода одновибратора подавался на счетчик, контролируемый в процессе облучения.
Результаты эксперимента показали отсутствие эффекта «защелкивания» (SEL), вплоть до интегрального потока нейтронов 6*1011н/см2 с энергией Еn>20МэВ.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Исследование “эффектов одиночных событий” (SEE) при облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВ
Исследование кратковременных сбоев (SEU)
Регистрация событий проводилась с каждого канала облучаемой ИС в течение 5 часов. На рисунке представлена зависимость среднего значения сечения σseu для 4-х облученных ИС (32 канала) от величины интегрального потока нейтронов при значении порога дискриминатора, равного Tresh =18 фК (100 мВ).
σseu=Nseu/Fn,
где Nseu- количество зарегистрированных SEU- событий,
Fn- интегральный поток нейтронов.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Исследование “эффектов одиночных событий” (SEE) при облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВ Исследование кратковременных сбоев (SEU)
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
Исследование “эффектов одиночных событий” (SEE) при облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВ
Зависимость среднего значения сечения SEU-эффекта от напряжения управления порогом дискриминатора

Подробная методика и результаты опубликованы
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний

Основные направления работ
Основные направления работ при создании радиационно-стойких микросхем:
разработка комбинированных моделей, адекватно описывающих радиационное изменение параметров интегральных элементов;
схемотехнический синтез аналоговых ИС с минимальным изменением характеристик при воздействии проникающей радиации;
совершенствование методик радиационных испытаний.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

Подход к проектированию радиационно-стойких микросхем
При проектировании радиационно-стойких микросхем целесообразно применение следующего подхода:
1. Выявление параметров моделей интегральных элементов, оказывающих наиболее сильное влияние на характеристики аналоговых микросхем.
2. Определение взаимосвязи параметров моделей с конструктивно-технологическими параметрами типовой структуры.
3. Разработка соотношений, связывающих параметры моделей и излучения (вид излучения, энергия, поглощенная доза, интегральный поток частиц) с помощью эмпирических коэффициентов.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

При проектировании радиационно-стойких микросхем рекомендуется применение следующего подхода:
4. Разработка методов идентификации основных параметров моделей из измерений и методик радиационного воздействия на элементы и аналоговые компоненты в режимах близких к рабочим.
5. Измерение вольт- амперных характеристик (ВАХ) облученных интегральных элементов, идентификация основных параметров моделей, корректировка эмпирических коэффициентов для выбранного технологического маршрута изготовления микросхем.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Подход к проектированию радиационно-стойких микросхем

При проектировании радиационно-стойких микросхем рекомендуется применение следующего подхода:
6. Схемотехническое моделирование аналоговых ИС, выявление каскадов наиболее чувствительных к воздействию ПР и их модернизация (введение цепей компенсации входных токов, стабилизация режима работы, уменьшение изменения напряжения смещения нуля, применение новых методов построения сложно-функциональных аналоговых компонентов).
7. Выявление интегральных элементов критически чувствительных к воздействию ПР, их топологическая модернизация или замена на радиационно-стойкие.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Подход к проектированию радиационно-стойких микросхем

Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС
Подход к проектированию аналоговых ИС со средним уровнем радиационной стойкости:
использование дифференциальной структуры ИС;
увеличение плотности эмиттерного тока;
использование горизонтальных p-n-p-транзисторов только в источниках тока или в схемах с общей базой (ОБ);
формирование резисторов на сильнолегированных полупроводниковых слоях;
схемотехническая модернизация каскадов (введение цепей компенсации входных токов, стабилизация режима работы, уменьшение изменения напряжения смещения нуля).
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

Электрическая схема трансрезистивного усилителя Amplifier_1
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС

Напряжение на выходе усилителя Amplifier_1 до и после воздействия потока нейтронов
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС
до модернизации
после модернизации

Электрическая схема программируемого операционного
усилителя Amplifier_5
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС

Передаточная характеристика усилителя Amplifier_5 до и после воздействия потока нейтронов
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС
до модернизации
после модернизации

Электрическая схема компаратора Comparator_1
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС

Выходное напряжение компаратора Comparator_1 до и после (штриховая) воздействия потока нейтронов Fn=1014sm-2
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС
Передаточная характеристика компаратора Comparator_1 до и после воздействия потока нейтронов

Входные токи компаратора Comparator_1 до и после воздействия потока нейтронов
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС
до модернизации
после модернизации

Особенности ОУ с высоким уровнем радиационной стойкости
(раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Требования к схемотехнике ОУ с высоким уровнем радиационной стойкости :
1. В качестве критерия качества при схемотехническом синтезе и оптимизации следует выбирать минимальное изменение определяющего параметра ИС при радиационном воздействии (например, для быстродействующего ОУ – скорости нарастания выходного напряжения, для прецизионного – напряжения смещения или уровня шумов).
2. Не применять горизонтальные Lp-n-p-транзисторы для усиления, заменять их p-ПТП.
3. Источники вытекающего тока целесообразно выполнять на p-ПТП, а втекающего – на n-p-n-транзисторах.
4. Для двухкаскадного ОУ входной дифференциальный каскад рекомендуется выполнить на:
n-p-n-транзисторах с источником втекающего тока;
на p-ПТП с источником вытекающего тока;
комбинации n-p-n- и p-ПТП с перекрестными связями (ток дифференциального каскада определяется напряжением затвор-исток p-ПТП.

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
5. Промежуточный каскад может быть реализован на:
- n-p-n-транзисторах, если дифференциальный каскад выполнен с использованием p-ПТП;
- симметричном "перегнутом каскоде" с использованием p-ПТП;
- на несимметричном "перегнутом каскоде" с использованием p-ПТП.
6. Выходной каскад должен быть выполнен по схеме двухтактного повторителя напряжения с использование комбинации p-ПТП и n-p-n-транзисторов.
7. При проектировании программируемого ОУ следует выбирать схемную конфигурацию с минимальным количеством источников тока, задающих статический режим, причем желательно, чтобы все источники тока были либо втекающего либо вытекающего тока. Программируемые источники вытекающего тока целесообразно сформировать на p-ПТП или p-n-p-транзисторах, однако необходимо предусмотреть компенсацию деградации их усиления при радиационном воздействии, например, использовать отрицательные обратные связи для стабилизации тока коллектора p-n-p- транзистора.
Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости
(раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Электрическая схема источника опорного напряжения ref_3
Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости
(раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Выходное и нормированное выходное напряжение ref_3 до и после воздействия потока нейтронов
Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости
(раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Электрическая схема источника опорного напряжения ref_5
Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости
(раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Выходное и нормированное выходное напряжение ref_5 до и после воздействия потока нейтронов
Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости
(раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Электрическая схема источника опорного напряжения ref_ST
Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости
(раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Выходное и нормированное выходное напряжение ref_ST до и после воздействия потока нейтронов
Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости
(раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

Заключение
1. Для обеспечения производства радиационно-стойких аналоговых микросхем выполнен ряд работ, в том числе:
модернизирован технологический маршрут изготовления БиПТП ИС;
создан базовый матричный кристалл «АБМК_1_3»;
проведены радиационные испытания тестовых транзисторов, резисторов, микросхемы «Тетрод-Б», изготовленных по БиПТП- технологии, на установке ИБР-2, ОИЯИ (г. Дубна, РФ); ИС 8-ми канального усилителя-формирователя-дискриминатора «АНОД» - на установке IRRAD2, CERN (г. Женева, Швейцария).
2. Радиационные испытания позволили установить, что:
n-p-n, p-ПТП сохраняют свою работоспособность при поглощенной дозе гамма-излучения 1 Мрад и потоке нейтронов 2*1014 н/см2, а горизонтальные p-n-p- транзисторы - при потоке нейтронов до 9*1012н/см2;
примененные конструктивно-схемотехнические решения обеспечили отсутствие в ИС «АНОД» эффекта «защелкивания», вплоть до интегрального потока нейтронов 6*1011н/см2 с энергией Еn>20МэВ.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

Заключение
3. Сформулирован и реализован комплексный подход к проектированию радиационно-стойких микросхем:
описано влияние проникающей радиации на характеристики интегральных элементов в “Spice- подобных” программах, которое проверено при моделировании ВАХ элементов «АБМК_1_3»;
разработаны требования к синтезу аналоговых ИС со средним уровнем и ОУ с высоким уровнем радиационной стойкости;
уточнены методики дистанционного контроля работоспособности аналоговых ИС, создана экспериментальная установка для измерений ИС при радиационном облучении и методика регистрации одиночных событий, позволяющая отдельно зафиксировать кратковременные сбои и «защелкивания».
4. Для элементов «АБМК_1_3» спроектированы ИС трансрезистивного и операционного усилителей, компаратора, источников опорного напряжения малочувствительные к воздействию потока нейтронов величиной до 1013 см–2.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

Особенности радиационных испытаний
аналоговых микросхем
О.В. Дворников
д.т.н., доц. (ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн",
г. Минск, Беларусь)
[email protected]

Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
Контроль функционирования ОУ при облучении
Схема включения ОУ в режиме
усиления напряжения
Возможное изменение выходного сигнала
ОУ при радиационном воздействии и Uвх=0, uвх=const
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

Контроль функционирования компаратора при облучении
Схема включения компаратора
напряжения
Возможное изменение выходного сигнала
компаратора при радиационном воздействии
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)

При регистрации одиночных событий (SEE-эффекты) необходимо различать тиристорный эффект (SEL) и кратковременные сбои (SEU).
При SEU-эффекте на выходе аналогового устройства появляется «ложный» кратковременный импульс напряжения и происходит изменение тока потребления, но ИС не теряет работоспособность.
Для регистрации SEU-эффекта рекомендуется считать импульсы выходного напряжения аналогового устройства при постоянном напряжении на его входах.
Инженерный критерий SEU-эффекта: SEU-событие происходит, если при входном постоянном напряжении на выходе аналогового устройства появляется кратковременный импульс с размахом более 10% типового выходного сигнала.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
Регистрация одиночных событий

SEL-эффект вызывает значительное и продолжительное увеличение тока потребления и прекращение функционирования ИС, которое может быть устранено только при выключении и повторном включении источников напряжения питания.
При регистрации SEL-событий рекомендуется использовать следящий порог: за оговоренное количество периодов входного синусоидального напряжения определяется среднеквадратическое значение тока потребления (IПСКЗ) и устанавливается величина порогового тока (IПОР), при превышении которого источники напряжения питания автоматически отключаются и находятся в выключенном состоянии до повторного включения (перезапуска). Каждый перезапуск источников напряжения питания рассматривается как SEL-событие. IПОР = (1,5…2)IПСКЗ.
Предполагаемое изменение тока потребления IП
и следящего порога IПОР при радиационном воздействии
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)

Блок-схема установки для измерений во время облучения и регистрации одиночных событий при использовании радионуклидных (не импульсных) источников
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
МО - Модуль основной
ЭМО – электронный модуль с образцом
СУ - согласующее устройство
ГС – генератор сигналов произвольной формы
ИП – источник питающих уровней
Сч – счетчик импульсов
Х –электрические разъемы
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)

Установка для измерений во время облучения и регистрации одиночных событий
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
Стандартное оборудование:
Осциллограф В-423.
Генератор сигналов произвольной формы В-332 и аналого-цифровой порт В-381 в составе измерительного многофункционального комплекса «УНИПРО»
Специализированное оборудование:
ИП – источник питающих уровней
МО - модуль основной
ЭМО – электронный модуль с образцом
СУ - согласующее устройство
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)

Специализированное оборудование в составе установки для измерений во время облучения и регистрации одиночных событий
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
ИП:
Четыре канала (по два положительных и отрицательных уровня)
Линейный выход в каждом канале для независимого измерения тока потребления
Регулировка выходного уровня напряжения
Регулировка уровня срабатывания схемы защиты от «защелкивания»
TTL -выход для регистрации момента «защелкивания»
МО + ЭМО:
Монтаж образца в зоне облучения
Подключение кабелей для подачи/съема сигналов и уровней питания
Быстрая замена образцов в зоне облучения
Унифицированная схема подключения ИС для паспортизации параметров до/во время/после облучения
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)

Основные параметры установки для измерений во время облучения и регистрации одиночных событий при использовании радионуклидных (не импульсных) источников
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
Диапазон регулировки выходных уровней питания: 3.5 ÷ 7.0 В ( -3.5 ÷ -7.0 В)
Максимальный выходной ток : до 100мА/канал
Минимальный порог срабатывания
схемы защиты от «защелкивания» : <2мА
Средняя задержка срабатывания схемы защиты : <2мкс*
Интервал времени между моментом срабатыванием защиты и
повторным включением канала ИП : 40 – 120 мкс (регулируется)
Точность измерения тока потребления, не хуже: 25 мкА
Емкость нагрузки (на канал): от 10 до 200 нФ
*) при среднем токе потребления 20 мА/канал и емкости нагрузки <20 нФ
Количество образцов ИС, находящихся в зоне облучения: 2 шт.
Максимальная частота регистрации SEE событий: 10 кГц
Входные сигналы ЭМО: импульсное и синусоидальное напряжение
Измеряемые параметры: ток потребления образцов (по 4 каналам),
амплитуда (размах), частота и
коэффициент заполнения выходного
сигнала ЭМО

Осциллограммы в основных узлах ИП и ЭМО (с ТИУ Ampl-1.14)
(тестовый режим)
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
Сверху вниз:
Импульс тока нагрузки при имитации «защелкивания» (масштаб по вертикали 20мА/дел.)
Напряжение на шине уровня питания Vcc (масштаб по вертикали 5В/дел.)
Форма сигнала на дифференциальном выходе ТИУ Ampl-1.14. (масштаб по вертикали 5В/дел.).
Входной сигнал: синусоидальный

Осциллограммы в основных узлах ИП и ЭМО (с компаратором напряжения
Cmp-1.17)
(тестовый режим)
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
Сверху вниз:
Импульс тока нагрузки при имитации «защелкивания» (масштаб по вертикали 10мА/дел.)
Напряжение на шине уровня питания Vcc (масштаб по вертикали 5В/дел.)
Форма сигнала на дифференциальном выходе компаратора напряжения Cmp-1.17. (масштаб по вертикали 1В/дел.).
Входной сигнал: синусоидальный

Осциллограммы в основных узлах ИП и ЭМО (с ТИУ Ampl-1.14)
(тестовый режим)
Влияние емкости нагрузки: шина Vcc ЭМО шунтирована конденсатором >200нФ
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
Сверху вниз:
Импульс тока нагрузки при имитации «защелкивания» (масштаб по вертикали 20мА/дел.)
Напряжение на шине питания Vcc (+5В) (масштаб по вертикали 5В/дел.)
Форма сигнала на дифференциальном выходе ТИУ Ampl-1.14. (масштаб по вертикали 5В/дел.).
Входной сигнал: синусоидальный

Предварительные измерения параметров образцов
Коэффициент заполнения выходного сигнала в зависимости от входного тока инвертирующего входа (InInv) при различных амплитудах входного синусоидального напряжения.
R1=10 Ом, R2=10 кОм
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
ИС компаратора Cmp-1.17
Оценка точности измерений в зависимости от амплитуды и частоты входного сигнала.

Учет влияния проникающей радиации в «Spice-подобных» программах
О.В. Дворников
д.т.н., доц. (ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн",
г. Минск, Беларусь)
[email protected]

Радиационное изменение «SPICE-параметров» n-p-n БТ
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации
Радиационное изменение «SPICE-параметров»

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации
Зависимость скорости поверхностной рекомбинации vSF от дозы поглощенного излучения DE быстрых электронов. Штриховая линия – известные экспериментальные данные, сплошная линия – примененная аппроксимация
Радиационное изменение «SPICE-параметров» n-p-n БТ

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации
Радиационное изменение «SPICE-параметров» n-p-n БТ

Радиационное изменение «SPICE-параметров» ПТП
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации

Радиационное изменение основных параметров полупроводников
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации
Учет фототоков в интегральных элементах

Работоспособность моделей проверена при моделировании ВАХ элементов «АБМК_1_3».
Кроме деградации β при воздействии потока нейтронов и гамма-излучения, выявлено:
отсутствие изменения выходного малосигнального сопротивления n-p-n- транзисторов и уменьшение выходного малосигнального сопротивления горизонтальных p-n-p-транзисторов при воздействии потока нейтронов, что может быть объяснено существенно большей концентрацией примеси в базе n-p-n, по сравнению с p-n-p;
отсутствие изменения характеристик p-ПТП при гамма- облучении и небольшое уменьшение напряжения отсечки при воздействии потока нейтронов, что может быть объяснено незначительным изменением подвижности и уменьшением концентрации основных носителей заряда в канале p-ПТП.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации

Зависимость β от эмиттерного тока n-p-n- транзистора типа 2GC
a) при различной величине интегрального потока нейтронов Fn
б) при различной величине поглощенной дозы гамма-излучения Dg
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3»
Учет влияния проникающей радиации

ВАХ в схеме с ОЭ n-p-n- транзистора типа 2GC
a) при различной величине интегрального потока нейтронов Fn
б) при различной величине поглощенной дозы гамма-излучения Dg
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3»
Учет влияния проникающей радиации

Нормированная ВАХ в схеме с ОЭ n-p-n- транзистора типа 2GC
a) при потоке нейтронов Fn=1014см–2
б) при поглощенной дозе Dg= 1 Мрад
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3»
Учет влияния проникающей радиации

Зависимость β от эмиттерного тока p-n-p транзистора типа PNPJFpnp
a) при различной величине интегрального потока нейтронов Fn
б) при различной величине поглощенной дозы гамма-излучения Dg
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3»
Учет влияния проникающей радиации

ВАХ в схеме с ОЭ p-n-p транзистора типа PNPJFpnp
a) при различной величине интегрального потока нейтронов Fn
б) при различной величине поглощенной дозы гамма-излучения Dg
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3»
Учет влияния проникающей радиации

Нормированная ВАХ в схеме с ОЭ p-n-p транзистора типа PNPJFpnp
a) при потоке нейтронов Fn=1014см–2
б) при поглощенной дозе Dg= 100kрад
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3»
Учет влияния проникающей радиации

Результаты моделирования ВАХ
Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при различной величине интегрального потока нейтронов Fn
a) p-ПТП типа PNPJFjfet
б) p-ПТП типа PADJ
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3»
Учет влияния проникающей радиации