В настоящем указании по применению рассматривается устойчивость оптронов компании Avago Technologies к воздействию сильной радиации — например, при применении в военной и космической отраслях. Стандарт MIL-HDBK-279 гласит: «Устройства оптической развязки (то есть оптроны) представляют собой сочетание арсенид-галлиевого светодиода и фотодиода или фототранзистора. Устройства развязки на базе фототранзисторов более чувствительны к радиации, чем соответствующие устройства на базе фотодиодов» [1].
В оптронах Avago Technologies используются фотодиоды, в то время как во многих оптронах других производителей используются фототранзисторы. Несколько оптронов производства Avago были подвергнуты воздействию интенсивного нейтронного и гамма-излучения. Представленные ниже результаты этих испытаний показывают, что оптроны Avago Technologies относительно устойчивы к высоким уровням радиации и, таким образом, хорошо подходят для применения в областях, где требуется радиационная стойкость.
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, 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/час) и 1010 электронов/см2 (эквивалентная мощность дозы излучения 100 рад/час) [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.
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 светодиода, 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 обратносмещенных p-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].
| Рис. 1. Номограмма спектра излучения |
Отклик оптрона на воздействие радиации
За последнее десятилетие ряд оптронов компании Avago Technologies был подвергнут радиационным испытаниям в широком диа-
пазоне 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 оптронами 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 оптронах 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 |
Удобной количественной мерой качества оптрона является коэффициент усиления по току. Он определяется как отношение выходного тока коллектора (IO) к входному прямому току светодиода (IF), 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%, IF = 10 мА:
- Суммарная доза гамма-излучения: 3.0 x 103 рад (Si)
- Интегральный поток нейтронного излучения: 4.0 x 1012 нейтронов/см2 (+)
- 2. 6N140 — четырехканальный оптрон с выходными каскадами по схеме Дарлингтона, мин. коэффициент усиления по току 300%, IF = 0,5 мА:
- Суммарная доза гамма-излучения: 3.5 x 103 рад (Si)
- Интегральный поток нейтронного излучения: 4.0 x 1012 нейтронов/см2 (*)
- 3. 4N55 — двухканальный оптрон с однотранзисторными выходными каскадами, мин. коэффициент усиления по току 9%, IF = 16 мА:
- Суммарная доза гамма-излучения: 3.0 x 103 рад (Si)
- Интегральный поток нейтронного излучения: 4.0 x 1012 нейтронов/см2 (*)
Все результаты были получены при минимальном рекомендуемом входном прямом токе светодиода (IF). Устройства подвергались воздействию гамма- и нейтронного излучения с тремя последовательно растущими значениями мощности дозы и интегрального потока нейтронов. Наивысшая мощность дозы составляла 4.0 x 109 рад (Si)/с для 6N134 и 4N55, и 2.0 x 1010 рад (Si)/с для 6N140. Звездочкой (*) обозначен наблюдаемый верхний предел радиационной устойчивости оптрона, 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 (IF).
| Рис. 3. Отклик оптронов Avago Technologies на гамма-излучение |
Рис. 3. 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.
| Таблица. Уровни гарантированной радиационной стойкости (RHA) |
||
| Обозначение уровня RHA |
Суммарная доза радиации (рад) | Интегральный поток нейтронного излучения (нейтронов/см2) |
|---|---|---|
| — | Уровень RHA не определен |
Уровень RHA не определен |
| M | 3000 | 2 x 1012 |
| D | 104 | 2 x 1012 |
| R | 106 | 1 x 1012 |
| H | 106 | 1 x 1012 |
В таблице приведены установленные правительством США уровни гаранти рованной радиационной стойкости (RHA, radiation hardness assurance) для микроэлектронных устройств, отнесенных к классам Class 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 MILHDBK-279, «вообще говоря, характеристики устройств оптической развязки находятся в заявленных производителем пределах при суммарных дозах излучения до 106 рад» [10].
Военные документы, касающиеся радиационных испытаний и классификации устройств по радиационной стойкости:
|
Выводы
Оптроны компании Avago Technologies обеспечивают превосходную устойчивость к воздействию разнообразных сред с высокими уровнями радиации. Представленные оптроны могут применяться в военной и космической отраслях, где желательна радиационная стойкость.
Литература
- 1. MIL-HDBK-279, 1984.
- 2. Myers David K. Space and Nuclear Environments and Their Effects on Semiconductors // Electronic Engineer. Sept., 1967.
- 3. Rose Marion. Nuclear Hardening of Weapons Systems (Parts I, II and III) // Defense Electronics. Sept., Oct., Nov., 1979.
- 4. Grove Andrew S. Physics and Technology of Semiconductor Devices // Wiley. 1967.
- 5. Tirado Joseph. Rad-Tolerant ICs Are Available Off The Shelf // Defense Electronics. Dec, 1984.
- 6. Soda K. J., Barnes C. E., Kiehl R. A. The Effect of Gamma Irradiation on Optical Isolators // IEEE 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 Isolators // IEEE 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. MIL-M-38510F.
Статья была опубликована в журнале КиТ №5 2010г.
Запросить образцы, средства разработки или техническую поддержку