Объемные ионизационные эффекты в ПП и ИС (ИЭТ) при воздействии импульсного ИИ

1. Объемные ионизационные эффекты в ПП и ИС (ИЭТ) при воздействии импульсного ИИ

Тема Лекции-3

2. Содержание:

1. Переходные ионизационные реакции (ИР) изделий на
воздействия импульса ИИ
2. Зависимость ИР от электрофизических параметров
материала и конструктивных особенностей активной
области изделия)
3. Влияние на ИР спектрально-энергетических (СЭХ) и
амплитудно-временных (АВХ) характеристик импульса
ионизирующего излучения
4. Проблемы учета этого влияния при радиационных
испытаниях (требования стандартов и реальная
ситуация).
5. Учет влияния длительности и формы импульса ИИ на
ИР изделий (отечественный и зарубежный подходы к
проблеме)

3. Первичные эффекты при воздействии ИИ

Формирование фототоков в
биполярном транзисторе
Переходные
ионизационные эффекты в ИС
обусловлены кратковременной
ионизацией объемов элементов
импульсными ИИ и
проявляются в форме
ионизационной реакции.
По причине
возникновения переходные
ионизационные эффекты
разделяют на первичные –
обусловленные
непосредственно энергией
излучения и паразитные
(вторичные) – обязанные своим
происхождением
инициированному излучением
перераспределению энергии
внутренних и сторонних
источников.

4. Первичные эффекты при воздействии ИИ

Мгновенная (1) и запаздывающая (2)
составляющие фототока p-n перехода при
воздействии колоколообразного импульса
ИИ
Пример типичного первичного
ионизационного эффекта –
ионизационного тока коллекторного
перехода биполярного транзистора

5.

Паразитные эффекты в ПП и ИС при воздействии ИИ
В классе биполярных ИС наиболее заметное
влияние на параметры ионизационной реакции
оказывает эффект формирования вторичных
ионизационных токов. Он связан с усилением
первичного
ионизационного
коллекторного
перехода, втекающего в область базы. При
работе в ключевом режиме имеет место
отпирание перехода база-эмиттер при условии,
когда падение напряжения на базовом
сопротивлении от первичного ионизационного
тока
превышает
напряжение
отпирания
транзистора. Именно этот эффект определяет
уровень
бессбойной
работы
цифровых
биполярных
ИС.
Эффект
вторичного
ионизационного тока проявляет себя даже при
нулевом сопротивлении в базовой цепи за счет
падения
напряжении
на
внутреннем
сопротивлении базовой области транзистора. Но
имеет это место при более высоких мощностях
поглощенной дозы ИИ.

6. Типовые формы Рγ и Dγ(t)

1
№1-D
P , D , отн. ед.
№2-D
0.1
№2-P
0.01
№1-P
0.001
0.0001
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
Время, c
10-4

7. Типовые формы Рγ и Dγ(t)

P D
отн. ед.
1
D -№1
P -№2
D -№2
0.1
P -№1
0.01
10-7
2x10-7
3x10-7
4x10-7
Время, c
5x10-7

8. Типовые формы Рγ и Dγ(t)

1.0
P D
отн. ед.
0.8
0.6
D -№1
P -№2
0.4
P -№1
0.2
D -№2
10-7
2x10-7
3x10-7
Время, c
4x10-7
5x10-7

9. Требования практики (определения К, Кт («К7»))

Требования практики
(определения К , Кт («К7»))
Р кр = К ·(1 - )·Р кр (МУ) · Э (МУ)/Э (ТУ)
(УБР, УТЭ)
Р max ни= Кт-1·(1 - ) -1· Р max тр· Э (ТУ)/Э (МУ)
(ВПР, КО)

10. Minority Carrier Buildup and Decay During and After a Square Pulse of Ionizing Radiation

11.

12. Модель структуры идеального диода

13. Модель Вирта-Роджерса

/2
Модель Вирта-Роджерса
Ip (t) = q ∙ Sj ∙ G ∙ Рγ max ∙ [ Wj + Lp∙erf (t/ p)1/2
+ Ln∙erf (t/ n)1/2],
(1)
erf(x) - интеграл функции ошибок
Предельные значения:
Imax(ст.) = q ∙ Sj ∙ G ∙ Pmax ∙ [ Wj + Lp + Ln ].
Imax = q * Sj * G * Pmax * ( /2)1/2 * (D∙Tи)1/2
(2)
(3)
Tи << n, p ( D – в определяющей области собирания НЗ
Imax= q * Sj * G * Pmax * (D∙ )1/2
Tи >> n, p
(4)

14.

Ipp / Ipp max
1
I pp C ( D )1/2
0.1
I
0.01
0.001
0.01
pp C ( D Tимп)
0.1
1/2
1
Tимп/
10

15. Модель структуры идеального биполярного транзистора

НИИП
RI Si

16. Модель J.R.Florian et al. /1

• Принципиальное отличие модели от модели ВиртаРождерса:
• - ограничение объема собирания НЗ :
• - по глубине перехода - низкоомной подложкой n+ - Si,
• - в боковом направлении для интегральных приборов изоляцией кармана (ячейки), в котором сформированы
переходы.
• Решая одномерное уравнение непрерывности для области
нейтрального высокоомного коллектора стандартной
эпитаксиально-планарной n-p-n-n+ - структуры (для p-n-pp+ - аналогично) с граничным условием на левой границе
р(x=0) = 0 и равенством диффузионных потоков дырок на
правой границе с низкоомной подложкой, авторы получили
вклад этой области в Ip:

17. Модель J.R.Florian et al. /2

Стационарный случай:
Ip = q · G· Pmax·Sj · [ Lp·th(W/Lp) +
Ls/ch(W/Lp) ]
(1)
W = Wэп - Xj - Wj,
Lp2 = Dp · p ,
Ls - диффузионная длина дырок в подложке
n+.

18. Модель J.R.Florian et al. /3

Нестационарный случай:
Ip(t) = q·G·Pmax·Sj · [ Lp·th(W/Lp) 8W·B(t,W)],
(2)
EXP [ (-(2n+1)2 · 2 - 4W2 /(Dp · p )) · Dp · t / (4W2 ) ]
B(t,W) = -------------------------------------------------------------------4W2 /Lp2 + (2n+1) · 2

19. Модель МИФИ

I
max(ст.)
= q * G * Pmax *
[ Sj * (Wj + Wn*An + Wp*Ap) + n *Р*Ln2/4]
Wp, Wn - толщины областей собирания НЗ;
Ap = Ln/Wp * th(Wp/Ln) - коэффициент собирания электронов в робласти ( аналогично An для дырок в n-области);
Р - периметр перехода с внешней преобладающей по
вкладу в Imax n-областью.

20. Форма отклика коллекторного перехода БТ на импульс гамма-излучения

Форма отклика коллекторного
перехода БТ на импульс гаммаизлучения

21. Зависимость Ipp в коллекторе БТ от мощности дозы излучения

2Т008
Рmax,Р/с Кр, А с/Р
3.8E8
7.8E-12
3.8Е8
7.9E-12
4.4Е8
9.5E-12
1.8Е9
5.2E-12
6.4Е9
9.1E-12
7.5Е9
9.1E-12
8.1E9
8.9E-12
2.9Е10
8.2E-12
5.0Е10
5.3E-12
6.7Е10
4.2E-12
1НТ001
Рmax,Р/с Кр, А с/Р
1.3E8
4.9Е-10
1.8Е8
6.4Е-10
3.8Е8
4.7Е-10
7.5Е8
5.2Е-10
9.6Е8
4.4Е-10
1.4Е9
4.7Е-10
3.2E9
3.3E-10
6.0E9
2.9E-10
1.4Е10
2.0Е-10

22. Зависимость УБР биполярных транзисторов от длительности импульса излучения

Тип БТ
Ркр, отн. ед .
РИУС
25 нс
ЛИУ
15 нс
ИГУР
140-180 нс
2Т001
1
1,40
0,30
2Т249
1
1,25
0,50
2Т928
1
1,25
0,55

23. Зависимость УБР биполярных транзисторов от длительности импульса излучения

К (ИГУР-1/РИУС-5, Ти (ИГУР)= 150 нс, Ти (РИУС-5)=28 нс
Тип ППП
Материал
Расчёт
Эксперимент
Диод
КЭФ-0,3
2,0
2,1
Диод
КЭФ-5
2-2,3
1.6
Транзистор
15 КЭФ-4
2,4
2,1
Транзистор
10 КДБ-1,35
1,60
1,70

24. Методы расчета К: экспериментальный (аналоговая реакция)

Методы расчета К : экспериментальный
(аналоговая реакция)
*
1
D U
T K
1 m2 и 2
эфф
D U T
2
m1
1
K
D U D U
эфф
2 m1
1 m2
и1

25. Методы расчета К: экспериментальный (пороговая реакция)

Методы расчета К : экспериментальный
(пороговая реакция)
D
1
*
Т
и2
D
УБР
2
Т
и1
К
1
эфф
1
УБР
УБР
К
D
D
эфф
2
1
(Р
УБР
УБР
1
К
1
УБР
Р ) Т Т
эфф
2
и1 и 2
1
УБР
УБР
К
Р
Т Р
Т
эфф
2
и2
1 и1
К
*
1 / Ти ( МУ )
*
1 / Ти ( РУ )

26. УБР цифровых ИС (триггеры)

27. Асимптотическая модель

28. Зависимость УБР от Тимп цифровых биполярных ИС

29. Зависимость УБР МОП ИС от Тимп

30. Зависимость УБР от Тимп (16К RAM, LINAC)

31. УБР БИС в зависимости от Ти (схема временной зависимости эффектов)