Микроэлектроника, 2019, T. 48, № 6, стр. 474-480

ВВЕДЕНИЕ

Устройства оптической развязки электрических цепей широко используются при изготовлении электронной аппаратуры, в том числе космического назначения, что накладывает требования по радиационной стойкости данного класса микросхем. Для подтверждения возможности использования микросхемы необходимо проведение радиационных испытаний.

Оптроны, входящие в состав приборов космических аппаратов могут подвергаться воздействию ионизирующего излучения, что приводит к основным эффектам – дозовым, смещения и одиночным [1, 2]. В ходе исследования радиационной стойкости цифровых оптронов был обнаружен низкий уровень стойкости к ионизирующему воздействию, нетипичный для данного класса приборов. В связи с этим предметом данной статьи являются дозовые эффекты.

Некоторые вопросы дозовой стойкости различных элементов оптронов рассмотрены в [3–9]. В данной работе объектом исследований являлся цифровой оптрон с входным светодиодом производства АО “Протон”. Данный класс приборов позволяет организовать электрическую защиту в системах, работающих на частотах порядка 1.0 МГц. В состав оптрона входят светодиод, преобразующий электрический сигнал в световой, оптическая среда, по которой оптический сигнал передается на фотодиод. В результате передачи генерируется фототок, который поступает в базу выходного транзистора, осуществляя его переключение.

Данный класс оптронов обладает достаточно большой дозовой стойкостью (порядка сотен крад [Si]) [10], однако исследованный образец показал меньшие уровни стойкости. Для выявления наиболее радиационно-критичного режима и наиболее радиационно-чувствительного элемента была проведена серия экспериментов с моделированием последствий воздействия протонов и электронов космического пространства гамма и рентгеновским излучением [11, 12].

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Схема включения исследуемых оптронов приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Схема включения оптронов при исследованиях на дозовую стойкость: 1 – исследуемый оптрон; 2 – АПК для контроля работоспособности оптронов под управлением Lab View фирмы National Instruments; 3 – компьютер; А1, А2 – амперметры (в составе АПК); V1, V2, V3 – измерители напряжения (в составе АПК).

Контроль работоспособности оптронов и измерение электрических параметров осуществлялись с использованием специализированного аппаратно-программного комплекса фирмы National Instruments. АПК позволял контролировать входное напряжение, выходные напряжения низкого уровня, выходной ток высокого уровня, ток потребления, а также динамические параметры (времена включения/выключения). Оборудование позволяло контролировать параметры четырех каналов оптронов одновременно [13]. Облучение проводилось на ускорителе электронов У-31/33, работающем режиме генерации тормозного гамма-излучения и рентгеновском источнике РИК−0401 (НОЦ “Стойкость”). В ходе эксперимента были проведены облучения при нормальных климатических условиях, а также при крайних значениях рабочих температур.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ

После облучения исследуемых оптронов гамма-квантами наблюдалась дозовая деградация выходного тока высокого уровня, а также тока потребления. Током потребления (I_ПОТ) считалась величина тока, проходящего при напряжении 18В через фотодиод, при отсутствии светового сигнала. Выходным током высокого уровня (I_ВЫХ) считался ток утечки, проходящий через коллектор выходного транзистора. Результаты исследования деградации выходного тока высокого уровня и тока потребления приведены на рис. 2.

Рис. 2.

Деградация выходного тока высокого уровня и тока потребления оптрона при дозовом воздействии.

Анализ результатов показывает, что наиболее критична пониженная температура. Также в результате анализа рис. 2 видно, что параллельно увеличению тока потребления с определенным коэффициентом увеличивается и выходной ток высокого уровня. Можно предположить, что при воздействии гамма-квантами образуется паразитный канал тока утечки в базу транзистора. Данный эффект часто наблюдается в других классах приборов [14, 15 ] . Однако анализ разреза кристалла не показал наличие потенциальных мест образования каналов утечки.

C целью определения механизма дозовой деградации была проведена серия дополнительных облучений на рентгеновском источнике специально подготовленных образцов оптронов (без светодиода и оптической среды) в нормальных климатических условиях. Воздействию подвергался как весь выходной каскад, так и определенные участки кристалла (не исследуемые области маскировались пластинами свинца толщиной 1 мм согласно рис. 3) – область фотодиода, область транзистора, область трассировки. Результаты эксперимента приведены на рис. 4. Здесь и далее на оси абсцисс на графиках приведены секунды облучения образца на рентгеновском источнике РИК−0401.

Рис. 3.

Варианты маскирования при первом этапе облучения на рентгеновском источнике РИК−0401.

Рис. 4.

Результаты облучения (первый этап) на рентгеновском источнике образцов исследуемых оптронов. Закрашенные маркеры – ток потребления, не закрашенные – выходной ток высокого уровня.

Из графиков видно, что наиболее чувствительная к воздействию область расположена в области трассировки. В результате детального рассмотрения топологии наиболее чувствительного участка, выяснилось, что в кристалле предусмотрены два перехода (эмиттерные перемычки) для более удобной трассировки. В ходе второго этапа облучений были использованы новые маски, приведенные на рис. 6.

Поведение образца под Маской Г (см. рис. 5) сходно с деградацией в отсутствие маскирования – в первую очередь увеличивается выходной ток высокого уровня, ток потребления растет меньше. Маска Д дает аналогичный результат, но деградация оптрона происходит медленнее. Облучение образца под Маской Е дает диаметрально противоположный результат.

Рис. 5.

Варианты маскирования при втором этапе облучения на рентгеновском источнике.

Рис. 6.

Результаты локального облучения (второй этап) на рентгеновском источнике образцов исследуемых оптронов. Закрашенные маркеры – ток потребления, не закрашенные – выходной ток высокого уровня.

В целях анализа полученного результата рассмотрим сечения двух упоминаемых выше переходов (рис. 7).

Рис. 7.

Сечения переходов исследуемых оптронов.

В обоих сечениях наблюдается n-p-n-структура с пассивирующим окислом. В результате воздействия в пассивирующем окисле накапливается радиационно-индуцированный заряд, приводящий к инверсии типа проводимости p-области и образованию канала протекания тока утечки. В случае перехода от общего вывода (сечение А-А) это приводит только к увеличению тока через амперметр А1, в случае перехода от анода фотодиода к базе транзистора наблюдается рост базового тока, приводящий к увеличению тока коллектор-эмиттер.

Результаты дозовых исследований доработанных оптронов при нормальных климатических условиях в наиболее критичном электрическом режиме (U_ПИТ = U_ВЫХ = 18 В) при гамма-воздействии приведены на рис. 8.

Рис. 8.

Деградация выходного тока высокого уровня и тока потребления оптрона при гамма-воздействии после устранения переходов трассировки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате экспериментальных исследований дозовой стойкости цифрового оптрона определен наиболее критичный температурный режим при воздействии (отрицательная температура минус 60°С) и локализованы наиболее радиационно-чувствительные области кристалла (блок трассировки). С помощью локальных облучений поверхности оптронарентгеновским источником выявлено место возникновения каналов утечки. В результате проведенной доработки дозовая стойкость оптрона была повышена более чем в три раза. Рекомендовано избегать при трассировке использования p-карманов при разнесении участков линий с низким и высоким потенциалом из-за потенциального возникновения каналов утечки или паразитных токов.