Радиационная устойчивость оптронов компании Avago Technologies

Основные сведения о радиации

Характеристики оптрона, как и любого полупроводникового электронного устройства, под воздействием радиации ухудшаются. Степень такого ухудшения зависит от типа излучения, уровня и длительности воздействия.

Типы радиации: потоки элементарных частиц и фотонов

Существует два основных типа радиации: это потоки элементарных частиц и потоки фотонов. Элементарные частицы (нейтроны, протоны и электроны) имеют массу, энергию и иногда заряд. Фотоны (гамма- и рентгеновские) представляют сгустки электромагнитной энергии, не имеющие массы и заряда. В случае элементарных частиц мерой радиации является интегральный поток, или флюенс (число частиц на единицу площади), а в случае потока фотонов — суммарная доза излучения (в радах [Si]) и мощность дозы излучения (в радах [Si]/с). Один рад — это поглощенная доза излучения, приводящая к высвобождению 100 эрг энергии на один грамм поглощающего материала, в данном случае кремния (Si).

Радиационные среды: космическая и военная отрасли

Как правило, в радиационной среде присутствуют и элементарные частицы, и фотоны. Естественная космическая радиация содержит гамма-лучи высоких энергий, протоны и электроны Ван Аллена (James Alfred Van Allen), которые в совокупности с течением времени дают значительную суммарную дозу излучения. Максимальные значения интегрального потока составляют 10⁴ протонов/см² (эквивалентная мощность дозы излучения 3 рад/ч) и 10¹⁰ электронов/см² (эквивалентная мощность дозы излучения 100 рад/ч) [2]. Для сравнения: время жизни радиационной среды, сформированной ядерным взрывом (военная отрасль), составляет менее одной микросекунды. Эта среда характеризуется огромными значениями интегрального потока нейтронного излучения (101² нейтронов/см²) и мощностями дозы гамма-излучения порядка 10⁹ рад [Si]/с [3].

Ущерб от воздействия радиации: смещение атомов и ионизация

Способность радиации проникать в материю и вызывать повреждения зависит от массы, энергии и заряда соответствующих частиц. Нейтроны и протоны имеют большую массу, чем электроны, и поэтому наносят больший ущерб. Облучение происходит в широком спектре (рис. 1), но значимый ущерб наносят элементарные частицы и фотоны с энергией 0,1 МэВ и выше. Заряженные частицы (протоны, электроны) имеют гораздо меньшую глубину проникновения, чем нейтроны и гамма-лучи той же энергии. Нейтронное излучение ответственно в основном за необратимое смещение атомов в полупроводниках, а ионизация обусловлена главным образом гамма-излучением.

Рис. 1. Номограмма спектра излучения

НейТроны высоких энергий, ударяясь об атомы, смещают их из естественного положения в кристаллической решетке, что приводит к появлению вакансий и междоузельных атомов. Эти дефекты эквивалентны наличию примесей в полупроводниках; у них имеются энергетические уровни в запрещенной зоне, которые могут играть роль рекомбинационных центров [4]. Соответственно, время жизни носителей заряда сокращается и эффективное удельное сопротивление материала возрастает. В совокупности эти эффекты вызывают необратимое ухудшение характеристик устройства. Воздействие на оптрон нейтронного излучения с интегральным потоком свыше 10¹² нейтронов/см² приводит к снижению яркости свето-диода, коэффициента пропускания оптического канала, КПД фотодиода и коэффициента усиления транзистора [6].

Гамма-лучи высоких энергий сообщают энергию электронам и дыркам в кристаллической решетке, возбуждая их до неравновесных (ионизированных) состояний. Под действием излучения в обедненных областях обратно-смещенных р-n-переходов возникают броски фототока. Эти броски зависят от мощности дозы излучения и могут приводить к ошибочному переключению выхода с высокого уровня («выключено») на низкий («включено»). При мощности дозы свыше 10⁹ рад ([Si])/с вырабатываются фототоки в диапазоне 1-1000 мА, которые могут вызывать эффект защелкивания и выгорание устройства. При любых мощностях дозы накопленная суммарная доза излучения приводит к заметному (но не необратимому) ухудшению характеристик. При величине суммарной дозы излучения порядка 10⁴ рад (Si) характеристики оптрона могут ухудшиться за счет роста токов утечки [6].

Отклик оптрона на воздействие радиации

За последнее десятилетие ряд оптронов компании Avago Technologies был подвергнут радиационным испытаниям в широком диапазоне условий. Во всех случаях основной вывод состоял в том, что конструкция фотоэлектрических интегральных схем Avago Technologies обеспечивает повышенную устойчивость к высоким уровням радиации.

На рис. 2 показаны различия между оптро-нами на базе фотодиода и фототранзистора. В первом случае функции оптического детектирования и усиления разнесены и выполняются отдельными фотодиодом и транзистором. Такая конструкция позволяет использовать меньшую глубину диффузии и меньшую площадь базы транзистора. В оп-тронах на базе фототранзисторов площадь базы делается как можно большей для улучшения оптической связи. Такая схема делает оптрон уязвимым для радиации. При одном и том же уровне радиации устройство с меньшей площадью пораженной области пострадает в меньшей степени и, следовательно, будет функционировать лучше [7].

Рис. 2. Схемы оптронов на базе фотодиода и фототранзистора

Удобной количественной мерой качества оптрона является коэффициент усиления по току. Он определяется как отношение выходного тока коллектора (I_C) к входному прямому току светодиода (Ip), выраженное в процентах. Эта общая передаточная характеристика дает нам усиление устройства во включенном состоянии. Рассмотрим снижение коэффициента усиления по току, выраженное в виде разности между конечным и начальным значениями этого параметра, деленной на его начальное значение. Герметичные оптроны компании Avago Technologies не демонстрируют снижения коэффициента усиления по току, существенно ухудшающего функционирование устройства, под действием следующих уровней радиации [8]:

1. 6N134 (двухканальный оптрон с логическим выходом, тип. коэффициент усиления по току 400%, I_p = 10 мА).

• Суммарная доза гамма-излучения: 3,0·10³ рад (Si) (+).
• Интегральный поток нейтронного излучения: 4,0·10¹² нейтронов/см² (+).

• Суммарная доза гамма-излучения: 3,5·103 рад (Si).
• Интегральный поток нейтронного излучения: 4,0·101² нейтронов/см² (*).

• Суммарная доза гамма-излучения: 3,0·103 рад (Si) (+).
• Интегральный поток нейтронного излучения: 4,0·101² нейтронов/см² (*).

Все результаты были получены при минимальном рекомендуемом входном прямом токе светодиода (I_p). Устройства подвергались воздействию гамма- и нейтронного излучения с тремя последовательно растущими значениями мощности дозы и интегрального потока нейтронов. Наивысшая мощность дозы составляла 4,0·10⁹ рад ([Si])/с для 6N134 и 4N55 и 2,0·10¹⁰ рад ([Si])/с для 6N140. Звездочкой (*) обозначен наблюдаемый верхний предел радиационной устойчивости оп-трона, определенный как уровень радиации, выше которого надежная работа устройства маловероятна. Знак «плюс» (+) показывает, что указанный уровень был получен путем экстраполяции тренда линейного ухудшения характеристик до предела радиационной устойчивости. Уменьшение суммарной дозы зависит от мощности дозы, поэтому при меньших значениях мощности дозы (например, в космических приложениях) предельная суммарная доза гамма-излучения будет выше.

На рис. 3 и 4 приведены радиационные характеристики оптронов 6N140 и 4N55. Как и ожидалось, нейтронное излучение вызывает более серьезные и необратимые повреждения, чем гамма-излучение. При повышении уровня радиации характеристики устройства ухудшаются. При одном и том же уровне радиации снижение коэффициента усиления по току более выражено при меньших значениях входного тока (I_p).

Рис. 3. Отклик оптронов Avago Technologies на гамма-излучение

Рис. 4. Отклик оптронов Avago Technologies на нейтронное излучение

Эти данные укрепляют нашу уверенность в конструкции оптронов Avago Technologies как изначально более совершенной в части радиационной устойчивости. Благодаря меньшей глубине диффузии базы фотодиода и транзистора по сравнению с оптронами на базе фототранзисторов в устройствах Avago Technologies сводится к минимуму объем, уязвимый к поражающему действию радиации.

В таблице приведены установленные правительством США уровни гарантированной радиационной стойкости (RHA, Radiation Hardness Assurance) для микроэлектронных устройств, отнесенных к классам B (военное назначение) и S (космическое назначение) по классификации JAN [9]. Уровни M и D действуют в общем случае для военных компонентов, а уровни R и H важны для устройств, используемых в космосе. Представленные данные по радиационной устойчивости позволяют сделать вывод о том, что герметичные оптроны Avago Technologies сохраняют адекватные рабочие характеристики под действием нейтронного излучения со значениями интегрального потока вплоть до указанных уровней гарантированной радиационной стойкости и даже выше. Устойчивость к жесткому нейтронному излучению дает нам основания ожидать, что эти устройства будут соответствовать установленным уровням гарантированной радиационной стойкости и по суммарной дозе излучения. Как гласит стандарт MIL-HDBK-279, «вообще говоря, характеристики устройств оптической развязки находятся в заявленных производителем пределах при суммарных дозах излучения до 10⁶ рад» [10].

Таблица. Уровни гарантированной радиационной стойкости (RHA)

Военные документы, касающиеся радиационных испытаний и классификации устройств по радиационной стойкости:

1. MIL-STD-883 C, «Test Methods and Procedures for Microelectronics», 25 Aug. 1983. Group E: Radiation Hardness Assurance Tests Method 1017.2, Neutron Irradiation Method 1019.2, Steady State Total Dose Procedure
2. MIL-HDBK-280, «Neutron Hardness Assurance Guidelines for Semiconductor Devices and Microcircuits», 1984.
3. MIL-HDBK-279, «Total-Dose Hardness Assurance Guidelines for Semiconductor Devices and Microcircuits», 1984.
4. MIL-M-38510 F, «Military Specification Microcircuits, General Specification for», 31 Oct. 1983.

Выводы

Оптроны компании Avago Technologies обеспечивают устойчивость к воздействию разнообразных сред с высокими уровнями радиации. Представленные оптроны могут применяться в военной и космической отраслях, где желательна радиационная стойкость.

Литература

1. MlL-nDBK-279, 1984.
2. Myers David K. Space and Nuclear Environments and Their Effects on Semiconductors // Electronic Engineer. Sept., 1967.
3. Rose M. Nuclear Hardening of Weapons Systems (Parts l, ll and Ill) // Defense Electronics. Sept., Oct., Nov., 1979.
4. Grove A. S. Physics and Technology of Semiconductor Devices // Wiley. 1967.
5. Tirado l. Rad-Tolerant lCs Are Available Off The Shelf // Defense Electronics. Dec, 1984.
6. Soda K. l., Barnes C. E., Kiehl R. A. The Effect of Gamma lrradiation on Optical lsolators // lEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-22, No. 6. Dec, 1975.
7. Epstein A. S., Trimmer P. A. Radiation Damage and Annealing Effects in Photon Coupled lsolators // lEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-19.
8. Radiation data courtesy of the Nuclear Effects Weapons Laboratory, White Sands Missile Range, White Sands, New Mexico.
9. MlL-M-38510F.