какое действие оказывает электромагнитное облучение на полупроводник

Как влияет на здоровье электромагнитное излучение

Развитие цивилизации со всеми ее удобствами и высокими технологиями давно вызывает много вопросов об изменении геомагнитного фона. Воздействие различных источников излучения на окружающую среду и человеческий организм — излюбленная тема сторонников теорий заговоров и конспирологов.

Ученые иронично им парируют, что наша планета — просто огромный кусок магнита, который вращается вокруг мега-термоядерной станции — Солнца. Поэтому бояться каких бы то ни было лучей, живя на нем, глупо. Тем не менее, к современным электронным системам, электротехнике и инфраструктуре для их обслуживания нельзя относиться легкомысленно. Электромагнитное загрязнение повышает риск появления проблем со здоровьем и соблюдать правила безопасности необходимо.

Чем опасно искусственное электромагнитное излучение

Естественный геомагнитный фон, обеспечиваемый Землей и космосом, обеспечивает циркуляцию воздушных масс, мирового океана, нормальную инсоляцию и другие планетарные условия жизни. По сравнению с ним масштабы техногенного мизерны. Но есть нюанс — электромагнитная паутина, произведенная людьми, воздействует направленно непосредственно на своих пользователей. Силовые кабели, линии высокого напряжения, теле и радиооборудование, компьютерная и бытовая техника создают второй фон. Для человека он оказывается агрессивнее природного. Под его влиянием организм находится круглосуточно: на улице, дома, во время работы и сна. А мощность некоторых источников способна нарушать физиологические процессы, особенно при близких или непосредственных контактах.

Врачи и ученые отмечают, что искусственный электромагнитный фон может менять деятельность головного мозга, эндокринной, репродуктивной, сердечно-сосудистой систем, — тех сфер, где все биохимические процессы протекают с высокой скоростью. Воздействие избыточного излучения снижает иммунитет, может увеличивать риск злокачественных опухолей, нарушает выработку гормонов, синтез белка, внутриклеточный обмен, приводит к перегреву тканей, способствует накоплению свободных радикалов и токсинов.

В группу риска, наиболее подверженную влиянию электромагнитных полей входят:

нервно и физически истощенные;

люди с генетическими и врожденными заболеваниями;

Чем больше разнообразных источников излучения находится вблизи или внутри мест проживания и работы, тем агрессивнее их совокупное влияние на здоровье. Коварство искусственных ЭМП в том, что их ущерб для организма не всегда очевиден. Для его изучения требуются иногда годы наблюдений.

К каким нарушениям приводит электромагнитное излучение

Под влиянием вредного для организма излучения у людей часто развиваются нарушения со стороны центральной нервной системы. Типичные жертвы ЭМП страдают:

У тех, чьи дома напичканы электронными и электроприборами, ухудшается память, снижается стрессоустойчивость, часто возникают перепады настроения, апатия или состояния ажитации.

Характерные нарушения со стороны сосудистой системы:

брадикардия или тахикардия;

регулярное учащение пульса;

давящие тупые боли в области сердца;

ощущение жара в теле;

скачки артериального давления.

У гипотоников и страдающих гипертензией обострения патологических состояний вблизи источников излучения возникают чаще, чем на «чистой» территории. Иногда отмечается лейкоцитоз и снижение количества эритроцитов в крови.

Из-за снижения функции гипофиза вероятно ухудшение состояния эндокринной системы. Под воздействием ЭМП активнее выделяются адреналин и кортизол, снижается синтез половых гормонов. Установлено, что агрессивное электромагнитное излучение усугубляет инфекционные и воспалительные процессы, угнетает клеточный иммунитет, снижая сопротивляемость различным внешним патогенам.

Есть сведения, что некоторые виды облучения способны проявлять тератогенное свойство. Беременным это грозит преждевременным прерыванием, критичными нарушениями в развитии плода, формированием врожденных уродств или серьезных заболеваний у ребенка. У мужчин плотная работа с электромагнитными оборудованием чревата нарушением сперматогенеза, снижением либидо.

Как защититься от вредного излучения

Опасность могут представлять не только мощные телевышки и линии передач. Привычные для большинства электроприборы, кухонная техника, компьютеры, навигаторы, телефоны и другие гаджеты вредны не менее, чем большие промышленные установки. Потоки их лучей имеют четкую направленность, а траектория пересекается с телом человека. При регулярном использовании большого количества техники вред усугубляется. От линий высоковольтных передач и вышек скрыться практически некуда, но и ущерб здоровью от них ниже благодаря рассеянности полей. По сути все воздушное пространство Земли пронизано сетью лучей, однако влияние многих источников можно снизить.

Основные правила техники безопасности:

Технику последнего поколения использовать предпочтительнее. Морально устаревшие приборы и мониторы излучают сильнее. Можно компьютеры 20-летней давности или кинескопные телевизоры. Вред их мерцающих экранов не нуждается в профессиональных доказательствах. Жидкокристаллические по сравнению с такими почти безопасны для зрения и общего здоровья.

Время, проводимое за компьютером и гаджетами, рекомендуется нормировать. Например, выбирать для чтения не электронные, а бумажные книги, сократить просмотр телеканалов, вместо соцсетей и мессенджеров чаще выбираться в гости и на прогулку.

Организовать спальное место вдали от всех видов электроприборов. В крайнем случае — отключать кабели на ночь, отодвинуть кровать как можно дальше от телевизора или компьютерного стола. Не стоит класть у изголовья смартфон. Вместо электронного будильника желательно купить обычный механический.

Сотовая связь вызывает самое большое количество вопросов относительно здоровья. Отказаться от ее использования практически нереально. Но можно сократить время контактов и стараться держать гаджет подальше от тела. Карманы для мобильного телефона — место неподходящее, особенно поясные или нагрудные. Желательно помещать девайс в специальное отделении сумки или органайзера. Во время разговоров чаще пользоваться гарнитурой hands-free, своевременно заряжать аккумулятор устройства.

Все представленные на сайте материалы предназначены исключительно для образовательных целей и не предназначены для медицинских консультаций, диагностики или лечения. Администрация сайта, редакторы и авторы статей не несут ответственности за любые последствия и убытки, которые могут возникнуть при использовании материалов сайта.

Источник

Электромагнитное излучение: нужно ли его бояться?

Содержание

О том, какого мнения современная наука придерживается относительно влияние электромагнитного излучения на организм человека и какие приборы являются самыми значимыми источниками такого излучения, рассказывает

Влияние электромагнитных полей на организм человека изучается со времён СССР, ещё в 60х годах прошлого века оно было подтверждено, тогда же было введено и понятие «радиоволновая болезнь» и разработаны Предельно Допустимые Уровни (ПДУ). Исследования в этой области продолжаются и сейчас. Тем не менее, эффект и последствия от воздействия ЭМИ очень зависит от каждого конкретного человека, роста, веса, пола, состояния здоровья, иммунитета и даже диеты! Ровно так же как и от интенсивности поля, частоты и продолжительности воздействия.

Самыми значимыми источниками электромагнитного поля являются те приборы, которыми мы пользуемся чаще всего и которые располагаются к нам ближе всего. Это:

Устройства связи дают электромагнитное поле в момент приёма/передачи информации, а из-за того, что они расположены к нам на минимальном расстоянии (например, мобильный телефон находится вообще вплотную к голове), то и значения плотности потока ЭМ поля будет максимальным.

У СВЧ печей есть срок эксплуатации, если она новая и исправная, то излучения в момент работы снаружи печи практически не будет, если же поверхность загрязнена, неплотно прилегает дверца, то защита печи может не останавливать всё излучение и поля будут «пробивать» даже стены кухни! И давать превышение по всей квартире или ближайшим комнатам.

Как правило, чем мощнее потребитель тока, чем он ближе к нам расположен, чем дольше он на нас воздействует и чем менее защищён (экранирован), тем сильнее будут проявляться негативные последствия. Потому что интенсивность излучения от каждого конкретного источника тоже будет разная.

Негативное влияние на организм человека

Чем дольше мы находимся в электромагнитном поле, тем больше шансы на появление каких-либо последствий. Опасность в том, что без специального оборудования, мы никогда и не узнаем, подвергаемся ли мы прямо сейчас воздействию ЭМ-поля или нет. Разве что совсем в критических ситуациях, когда уже и волосы от статических зарядов начинают шевелиться.

Воздействие ЭМ полей может вызывать:

Опасность заключается ещё и в том, что заметив у себя любой из описанных выше признаков, человек станет подозревать всё что угодно, но не электромагнитные поля, вызванные, например, скрытой проводкой, идущей вдоль спального места.

Правила безопасности при воздействии электромагнитного излучения на организм человека

Самая качественная защита от ЭМ излучения – это расстояние.

Плотность излучения с расстоянием падает в разы. У каждого источника достаточно ограниченный радиус действия полей, поэтому правильное планирование мест для отдыха/досуга, работы и сна уже залог Вашего здоровья, однако, не стоит забывать и про то, что любой обесточенный источник ЭМ-полей перестаёт таковым являться.

Поэтому не забывайте выключать из сети неиспользуемые приборы, не располагайте рядом с головой мощные источники ЭМИ, следите за состоянием бытовой техники и читайте инструкции по правильной эксплуатации бытовых приборов.

В теории качественная бытовая техника будет являться более безвредной, так как чем крупнее и «именитее» производитель, тем больше он будет заботиться о своём имидже и, соответственно, сертифицировать все свои продукты как можно более ответственнее. Но это, понятное дело, сказывается и на стоимости оборудования.

Однако стоит учитывать то, что это касается только новой техники, не подвергавшейся физическому воздействию, ремонтам, при правильной эксплуатации, расположении и прочее. Если хоть что-то было нарушено, то интенсивность излучения может измениться в разы.

Какое мнение сейчас принято по данному вопросу в научном сообществе?

Вред электромагнитного излучения для здоровья человека никем не отрицается. Но споры и обсуждения продолжаются касательно предельно допустимых уровней, так как провести однозначно линию, разграничивающую вред и пользу для организма, очень тяжело. В конце концов, есть и лечебные источники ЭМ-полей и диагностическое оборудование.

Источник

Воздействие радиации на силовые полупроводники в источниках питания. Пол Шимель (Paul L. Schimel), главный инженер по силовой электронике, Microchip Technology

Воздействие космического излучения

Наша электроника, эксплуатирующаяся на поверхности Земли, в большой мере защищена атмосферным «экраном», или «щитом». Однако слово «экран» не совсем точно отражает суть дела. Например, в камере для испытаний на электромагнитную совместимость применяются сплошные экраны, как правило, с очень малым удельным сопротивлением.

Атмосферный «экран» работает по другому принципу. Заряженные частицы, появившиеся в результате ядерной реакции на Солнце или в глубоком космосе, взаимодействуют с молекулами газов, проходя через слой атмосферы. По мере роста числа столкновений эти частицы теряют все больше энергии. К тому времени, когда частицы достигают земной поверхности, они теряют наибольшую часть своей энергии или же их движение прекращается в нижних слоях атмосферы. При эксплуатации электронных устройств на достаточно большой высоте они чаще подвергаются воздействию заряженных частиц в течение срока службы.

Известно, что пилоты самолетов надевают солнцезащитные козырьки и принимают другие меры предосторожности, которые обычно не используются, например, при отдыхе на море. Эти меры обусловлены тем, что на больших высотах атмосферный слой становится тоньше, и его защитные свойства ухудшаются. На этих высотах заметно воздействие также ультрафиолетового излучения более высоких энергий, чем бета-лучи с длиной волны 315–280 нм или коротковолновые лучи (280–100 нм).

За пределами земной атмосферы, где начинается область низкой околоземной орбиты, имеющей высоту над поверхностью планеты в диапазоне 160–2000 км, защитные свойства атмосферы практически отсутствуют, но роль экрана выполняет магнитное поле Земли. Оно образует магнитосферу, простирающуюся на 70–80 тыс. км в направлении Солнца. Магнитосфера экранирует поверхность Земли, защищая ее от вредного влияния заряженных частиц высоких энергий и космических лучей.

В магнитосфере Земли имеются два радиационных пояса с заряженными частицами солнечного ветра, захваченными магнитным полем нашей планеты. Американский ученый Ван-Аллен открыл внутренний радиационный пояс, который находится на высоте 3–12 тыс. км над поверхностью Земли и состоит преимущественно электроны и протоны высоких энергий. Советские ученые С.Н. Вернов и А.Е. Чудаков открыли внешний радиационный пояс на высоте 18–57 тыс. км, который, по большей части, состоит из электронов, обладающих малой энергией.

Пик Брэгга

Кривая Брэгга описывает зависимость потери энергии заряженной частицы от глубины проникновения в испытуемый образец. Для альфа-частиц и других ионов кривая имеет выраженный пик, появляющийся незадолго до их остановки. Этот пик принято называть пиком Брэгга по имени сэра Уильяма Генри Брэгга и его сына Уильяма Лоуренса Брэгга [2]. Как правило, в случае с полупроводниковыми устройствами испытуемым образцом является тестируемое устройство, основную массу которого составляет кремний (Si). Глубина проникновения зависит от размера частицы.

На первый взгляд, создается впечатление, что частицы большего размера и большей энергии проникают на большую глубину, но это не так, поскольку большая тяжелая частица сталкивается с намного большим количеством частиц в испытуемом образце, чем частица меньшего размера. Крупная частица передает намного больше энергии частицам, с которыми она соударяется.

Частицы испытуемого образца, с которыми столкнулись частицы бомбардирующего пучка, рассеиваются с большой скоростью. В результате энергия этого пучка быстро уменьшается, а его частицы прекращают движение, проникнув на сравнительно малую глубину. Например, часто они останавливаются посередине канала MOSFET или зоны дрейфа биполярного транзистора.

В свою очередь, частицы относительно малого размера не растрачивают большого количества энергии на столкновения, что позволяет им проникать глубже в испытуемый образец, а иногда даже проходить сквозь него.

Радиационные эффекты

Радиационно-стойкие полупроводники проходят четыре основных испытания, целью которых является установить способность устройств противостоять воздействию радиационного излучения разных типов. Испытания на возникновение одиночных эффектов (single event effect, SEE) предназначены для исследования одиночных сбоев под воздействием отдельных тяжелых заряженных частиц. Испытание на устойчивость к накопленной дозе ионизирующего излучения (total ionizing dose, TID) проводится с использованием радиации намного меньшей интенсивности. В этом тесте применяются гамма-лучи от источника радиоактивного кобальта-60. При этом испытуемое устройство подвергается длительному воздействию излучения для выявления последствий.

Испытуемые устройства реагируют не только на уровень набранной дозы, но и на скорость ее набора – чем медленнее набирается доза, тем хуже стойкость. Влияние этого эффекта осуществляется в рамках испытания TID и называется ELDRS (Enhanced Low Dose Rate Sensitivity). При этом интенсивность дозы, или плотность излучения, намного ниже TID. Тестирование бомбардировкой нейтронами выявляет только эффекты, связанные только с воздействием этих частиц на испытуемое устройство. Эти испытания позволяют определить разные характеристики, начиная с долговременной деградации и заканчивая мгновенными сбоями и катастрофическими отказами. Упомянутые тесты определяют воздействия только двух видов: ионные и те, которые вызывают нарушение структуры кристаллической решетки.

Испытания на возникновение одиночных эффектов проводятся с помощью линейных ускорителей заряженных частиц при постоянном значении энергии, приходящейся на атомную единицу массы (а.е.м.). Например, энергия частицы с атомной массой 4 ед. при 15 МэВ/а.е.м. составит 60 МэВ. Но как эта энергия передается в испытуемом устройстве?

Как и в большинстве испытаний на воздействие радиации, в тесте SEE по-разному определяется влияние излучения на разные компоненты. В случае с дискретным силовым MOSFET с вертикальным каналом, который применяется в большинстве коммутационных приложений, наблюдаются два основных эффекта: пробой истоковой области (single event burnout, SEB) и пробой оксидного слоя затвора (single event gate rupture, SEGR).

В большинстве современных силовых MOSFET эффект SEB наблюдается реже, чем SEGR. Испытание SEB проходит в два этапа. Сначала тяжелый ион, летящий к поверхности испытуемого устройства под углом, близким к нормали, проникает в область N+, находящуюся под слоем металлизации истока (см. рис. 1).

Рис. 1. Проникновение тяжелого иона в область N+ в начале испытания

Epitaxial Layer – Эпитаксиальный слой

Далее ионы, полученные в результате ядерной реакции, проходят вертикально через кристалл. По мере их прохождения через кристалл вокруг трактов ионов образуется коаксиальная оболочка из электронно-дырочных пар. Заметим, что MOSFET при этом находится в выключенном состоянии, блокируя напряжение сток–исток (V_DS). В этом состоянии ключа электроны притягиваются к задней стороне кристалла, или к выводу стока, а дырки (положительные ионы) – к выводу истока.

Рис. 2. На втором этапе испытания SEB оболочка из электронов и дырок, образованная вокруг пути прохождения иона, притягивает частицы с полярностью, которая противоположна напряжению V_DS. В результате включается паразитный транзистор n-p-n, что приводит к включению MOSFET

Device Off, V_GS = 0 – Устройство выкл., V_GS = 0

Epitaxial Layer – Эпитаксиальный слой

Parasitic NPN (intrinsic) same on both sides of gate – Паразитная n-p-n-структура одинакова по обеим сторонам затвора

На рисунке 2 показан путь прохождения иона и внутренняя n-p-n-структура. Это очень важный элемент n-канального MOSFET, работающего в режиме обогащения. Если она находится во включенном состоянии, MOSFET всегда замкнут независимо от величины напряжения затвор–исток (V_GS) или управляющего напряжения затвора.

Импеданс слоя металлизации истока должен быть очень мал на переходе база–эмиттер n-p-n-структуры. Если к области p-зоны притянулось достаточное количество дырок, нижняя часть перехода база–эмиттер структуры может оказаться прямо смещенной. При этом она включается. Так происходит на некотором расстоянии от металлизированной поверхности, закорачивающей внутренний переход n-p-n-структуры. При этом устройство включается независимо от управляющего напряжения V_GS. Так работает механизм SEB, что для большинства приложений неприемлемо. Заметим, однако, что у современных радиационно-стойких устройств вероятность возникновения эффекта SEB минимальна.

Эффект SEGR отличается от SEB тем, что возникает в современных MOSFET с большей вероятностью. SEGR также воздействует на MOSFET в выключенном состоянии. Поскольку максимально допустимая величина напряжения V_DS в тесте, как правило, выбирается согласно указанной в техническом описании, а напряжение V_GS является отрицательным, устройство гарантированно находится в выключенном состоянии.

Заметим, что величина напряжения на стоке является положительной, а на затворе – отрицательной. Напряженность электрического поля в рассматриваемой вертикальной структуре является высокой. Очень большое положительное напряжение на подложке и очень малое отрицательное напряжение на затворе при малом расстоянии между подложкой и затвором обеспечивают максимальную напряженность электрического поля, измеряемую в единицах В/м. В этих условиях тяжелый ион проходит через затвор, подзатворный слой диэлектрика и канал ключа. Эта частица может остановиться в канале, в подложке или пройти сквозь устройство. Вокруг пути прохождения иона образуется оболочка из электронно-дырочных пар (см. рис. 3).

Рис. 3. Эффект SEGR в MOSFET: путь прохождения тяжелого иона

Epitaxial Layer – Эпитаксиальный слой

В результате ее появления меняется распределение электрического поля. Эпитаксиальный слой N– резко поднимается к затвору (см. рис. 4), что уменьшает расстояние между стоком и затвором и, следовательно, в еще большей мере повышает напряженность электрического поля, градиент которого заметно увеличивается непосредственно под затвором. Если величина этого поля достаточно велика, возникает пробой подзатворного диэлектрика и отказ устройства. Радиационно-стойкие MOSFET проектируются с учетом этого обстоятельства.

Рис. 4. Появление градиента электрического поля при испытании SEGR

Epitaxial Layer – Эпитаксиальный слой

В настоящее время все более широкое применение в качестве основных приборов для мощной преобразовательной техники находят MOSFET на основе карбида кремния (SiC). У этих ключей – меньше сопротивление открытого канала из расчета на единицу площади, а материал, из которого они изготовлены, работает при намного большей напряженности электрического поля. Это значит, что устройство меньшего размера функционирует при более высоком токе и напряжении.

Однако востребованные на рынке преимущества SiC-ключей отрицательно проявляются при испытании SEGR. Подзатворный диэлектрик испытывает намного большую нагрузку в карбидокремниевых устройствах при номинальном напряжении и в условиях проведения теста SEGR, а напряженность электрического поля намного выше. Именно по этой причине современные SiC MOSFET с трудом находят применение в радиационно-стойких приложениях.

Геометрические параметры современных SiC-ключей делают их очень уязвимыми для испытания SEGR, но эти устройства успешно проходят тест при меньших номинальных значениях напряженности электрического поля, соответствующих устройствам на основе кремния. Современные 1200-В SiC MOSFET могли бы успешно пройти тестирование SEE при V_DS в диапазоне 200–250 В.

Число одиночных случайных эффектов (SEE) в биполярных транзисторах минимально. Испытания показали, что одиночные переходные эффекты (single event transient, SET) в этих транзисторах смещают их в линейный режим. Считается, что данные события являются переходным процессом и потому безвредны. При грубом моделировании переходного процесса тяжелый ион проходит через область дрейфа или прекращает в ней свое продвижение. Это событие мгновенно меняет распределение носителей. При этом на коллекторе наблюдается шум.

Считалось, что диоды Шоттки не подвержены воздействиям типа SEE. Однако испытания показали, что при относительно высоких напряжениях в этих диодах происходят одиночные события. В высоковольтном диоде Шоттки падающий тяжелый ион смещает частицы металла в запирающем переходе в область полупроводника, в результате чего вокруг соответствующей зоны возникает электрическое поле высокой напряженности. Оно разрушает полупроводник (это явление называется электромиграцией) до тех пор, пока не возникнет короткое замыкание. У низковольтных диодов Шоттки такая проблема не наблюдается.

И снова сравним SiC-диоды Шоттки, работающие с электрическими полями более высокой напряженности, с кремниевыми диодами. Для успешного прохождения тестов SEE напряжение SiC-диода Шоттки следует намного уменьшить. В частности, номинальное напряжение 1200 В SiC-диода Шоттки необходимо сократить до 200–250 В.

Диоды с p-n-переходом относительно устойчивы к воздействиям типа SEE.

Проектирование с учетом эффекта SEE

При разработке с учетом одиночных эффектов (SEE) следует тщательно разобраться в механизмах их возникновения, чтобы сделать правильный выбор силовых MOSFET и диодов Шоттки. Например, потребуется уменьшить допустимое значение V_DS MOSFET в два–три раза. В частности, для работы со 120-В шиной можно выбрать 250-В MOSFET.

Кроме того, следует так выбрать цепь управления затвором, чтобы устройство оставалось выключенным при максимальных скоростях изменения синфазного напряжения. При быстрой коммутации выходная емкость C_OSS ключа MOSFET, которая была включена в нулевой момент времени, быстро выключается. Затем она заряжается с нулевого уровня до напряжения шины.

Если это происходит достаточно быстро, заряд поступает в емкость C_ISS через C_RSS. Часто такое включение обозначается как Cdv/dt. Импеданс драйвера в выключенном состоянии должен быть достаточно мал, чтобы MOSFET был выключен при такой быстрой коммутации (см. рис. 5–6).

Рис. 5. Для проверки реакции на события Cdv/dt используется двухимпульсная схема испытания

Рис. 6. Сигналы в двухимпульсной схеме испытания. В момент времени t3 наблюдается быстрая коммутация. Напряжение V_GS ключа в верхнем плече является положительным в этот момент времени благодаря быстрой зарядке конденсатора и связи через емкость C_RSS

Испытание TID

Испытание TID осуществляется при намного меньшей интенсивности радиационной дозы, чем SEE. В этом тесте используется гамма-излучение более высокой плотности потока на основе радиоактивного кобальта-60. Этот тест, имитирующий долговременное воздействие излучения на образец, выполняется согласно методу TM1019 по стандарту MIL-STD-750. В данном испытании рассматриваются ионные взаимодействия.

Влияние теста TID на MOSFET минимальное. Наиболее заметным эффектом является захват дырок и результирующее смещение напряжения V_TH. Под воздействием гамма-излучения на оксидный слой затвора на поверхности полупроводника возникают дырки и электроны. Поскольку электроны рекомбинируют быстрее дырок, возникает избыток последних. Из-за этих дырок смещается пороговое напряжение при увеличении плотности потока.

У n-канального MOSFET происходит отрицательное смещение порогового напряжения, а у p-канального MOSFET – положительное смещение V_TH. Чтобы устройство было устойчивым к радиации, это смещение должно быть порядка 1 В при плотности потока 100 крад. Остальные влияния можно считать несущественными, однако токи утечки слегка увеличиваются с ростом плотности потока (например, ток I_DSS).

Влияние TID на биполярные транзисторы намного больше. Базовый механизм тот же, что и в случае с MOSFET: электроны и дырки собираются на поверхности устройства. У биполярного транзистора отсутствует оксидный слой, который захватывал бы дырки. Они накапливаются в виде резистивного слоя на переходе база–эмиттер, шунтируя ток, управляющий базой. Таким образом, в данном случае базовый ток должен быть больше, чтобы коллекторный ток был той же величины. Этот механизм уменьшает коэффициент усиления (см. рис. 7).

Рис. 7. Испытание TID биполярного транзистора. Голубая стрелка обозначает воздействующее гамма-излучение, а красная – шунтирующий тракт тока базы

Рассмотрим некоторые тонкости работы этого механизма. Напряжения V_CBO и V_CEO связаны с показателем h_FE. Все, кто, возможно, помнит, как использовались биполярные транзисторы для высоковольтных силовых ключей, знает об этой взаимосвязи: чем меньше h_FE, тем больше напряжение коллектор–эмиттер V_CEO по отношению к напряжению коллектор–база V_CBO. Эти напряжения связаны с временем накопления в переходе база–эмиттер. Чем больше величина h_FE биполярного транзистора, тем больше время накопления в переходе база–эмиттер. Это значит, что при большем коэффициенте h_FE больше носителей в переходе база–эмиттер и требуется больше времени для их рекомбинации по сравнению с устройством, у которого h_FE меньше (при прочих равных условиях).

Чем меньше этот коэффициент и время накопления в переходе база–эмиттер, тем быстрее рекомбинируют носители в этом переходе и выше напряжение V_CEO. После тестирования TID величина V_CBO обычно остается постоянной, а V_CEO незначительно увеличивается. При более высоких напряжениях наблюдается резкий рост V_CEO в зависимости от плотности потока. Понятно, что напряжение V_CEO никогда не превысит V_CBO, но может приблизиться к его значению. На рост токов утечки в биполярном транзисторе влияют другие эффекты помимо TID и увеличения плотности потока.

Эффекты TID в диодах Шоттки незначительны. Влиянием этих эффектов на p-n-диоды часто пренебрегают, но динамические параметры диода, подвергшегося воздействию радиации, несколько отличаются от соответствующих параметров диода в исходном состоянии.

Приведем пример. В одном приложении возникла потребность в использовании диодов с мягким обратным восстановлением. В результате были выбраны очень быстрые диоды. У этих устройств – достаточно продолжительное время t_A и очень короткое время t_B. Кроме того, у них очень большой ток I_RR (который часто в пять раз больше I_F) и, соответственно, большой заряд обратного восстановления Q_RR. Использование этих диодов вызвало определенные трудности. Для того чтобы обеспечить импульс тока I_RR и компенсировать заряд обратного восстановления, на выход вокруг диода были установлены снабберы без потерь (см. рис. 8).

Рис. 8. Схема повышающего преобразователя со снаббером (ток находится в режиме непрерывной проводимости)

В устранении указанных проблем принимал участие диод с p-n-переходом. Задняя сторона подложки диода была облучена при его изготовлении. Таким образом были созданы области рекомбинации и ступеньки в запрещенной зоне. Эти области рекомбинации в небольшой степени повысили напряжение V_F, существенно сократили величины I_RR и Q_RR, несколько увеличили время t_B. При этом сигналы стали изменяться намного менее резко (см. рис. 9).

Рис. 9. Сигнал обратного восстановления: а) исходного диода; б) диода с облученной тыльной стороной. Во втором случае ток меняется более плавно за время t_B, а значения I_RR, Q_RR и E_RR стали намного меньше. В результате отпала необходимость в повышающем снаббере

Итак, облучение диода с p-n-переходом, действительно, в некоторой степени сказывается на его работе. Напряжение V_F может немного повыситься, а области рекомбинации, появившиеся в результате облучения, смягчают обратное восстановление структуры. Эти изменения нельзя считать основными в большинстве приложений, но о них не стоит забывать.

Проектирование с учетом эффекта TID

При использовании MOSFET необходимо большое внимание уделить испытаниям SEE, в первую очередь, – драйверу затвора. При управлении n-канальным MOSFET в конце срока службы при высокой температуре следует учитывать, что пороговое напряжение может не превышать 1 В. Это напряжение уменьшается с ростом температуры в еще большей мере под влиянием механизма захвата дырок при тестировании TID. Драйвер затвора должен удерживать это устройство в выключенном состоянии при возникновении событий Cdv/dt во время коммутации.

Схемные решения с использованием биполярных транзисторов зависят от приложения. В качестве наиболее наглядного примера можно привести обратноходовой преобразователь, в котором применяется биполярный транзистор в качестве силового ключа (см. рис. 10).

Рис. 10. Биполярный транзистор в качестве силового ключа в обратноходовом преобразователе

В схеме на этом рисунке реализовано такое управление биполярным транзистором, при котором он либо насыщен, либо выключен. В начале срока службы коэффициент усиления биполярного транзистора высок. Управление транзистором в режиме насыщения позволит уменьшить потери устройства на проводимость за счет существенного роста коммутационных потерь. Потребуется немало времени, чтобы избавиться от неосновных носителей заряда в переходе база–эмиттер при выключении, что приведет к дополнительным коммутационным потерям.

Схема на рисунке 10 под названием «Ограничитель Бейкера» позволяет сохранять постоянным напряжение насыщения коллектор–эмиттер V_CESAT в течение всего срока службы и деградации коэффициента усиления устройства. Если базой управлять так, чтобы напряжение V_CESAT было очень низким, избыточный ток управления потечет через коллектор. В конце срока службы устройства рассматриваемая схема будет отдавать в коллектор ток меньшей величины, и устройство станет функционировать при достаточно постоянном значении V_CESAT. Для обеспечения устойчивости к воздействию испытаний TID диодам с p-n-переходом и диодам Шоттки не требуются какие-либо особенные схемные решения; при этом, возможно, в небольшой степени изменяются динамические параметры диодов.

Испытание ELDRS

Как уже упоминалось, тестирование ELDRS является составной частью испытания TID. Тест ELDRS выполняется тем же образом и с использованием ионов. Интенсивность потока частиц и его плотность ниже: 0,5–10 мрад/см 2 /с и 5–50 крад, соответственно.

Считается, что при более высокой интенсивности потока на поверхности устройства накапливается больший заряд. При этом дырки, отталкиваясь друг от друга, равномернее распределяются по всей небольшой области. При потоке меньшей интенсивности отталкивание проявляется в меньшей мере, что приводит к образованию скопления из дырок. Это значит, что некоторые устройства в большей мере чувствительны к потокам меньшей интенсивности. Данное обстоятельство составляет основу эффекта ELDRS.

MOSFET, p-n-диоды и диоды Шоттки относительно невосприимчивы к эффекту ELDRS, тогда как чувствительность биполярных транзисторов к ELDRS зависит от технологии изготовления и рабочего напряжения. Чем меньше размеры элементов, тем выше их чувствительность. Меры, обеспечивающие устойчивость устройств к эффектам ELDRS, те же, что и в отношении TID.

Бомбардировка нейтронами

При бомбардировке нейтронами устройство находится в несмещенном состоянии. Испытуемые образцы часто помещаются в подвешенный пакет, который подвергается воздействию пучка частиц. В результате такой бомбардировки возникают эффекты смещения. Это испытание осуществляется согласно методу TM1017 стандарта MIL-STD-750.

Как известно, нейтроны не имеют заряда, в отличие от протонов, ионов и гамма-лучей. Путь торможения нейтрона гораздо больше, чем у гамма-лучей от источника радиоактивного кобальта-60 или тяжелых ионов. Нейтроны проходят сквозь через испытуемое устройство.

ИС с более высокой степенью интеграции

До сих пор мы обсуждали такие двух- или трехслойные устройства как диоды, биполярные транзисторы или MOSFET. Что произойдет при добавлении в компонент четвертого слоя? Например, при использовании p-n-p-n-стека велика вероятность того, что произойдет эффект защелкивания (см. рис. 11).

Рис. 11. Простой p-n-p-n-стек защелкивается под воздействием радиации

Вероятность сбоя многослойной микросхемы, изготовленной по техпроцессу БиКМОП, экспоненциально возрастает в результате эффектов защелкивания, SEE, ELDRS, нейтронной бомбардировки или TID. В таких случаях требуется определить различия между радиационной стойкостью (radiation hardened) и радиационной устойчивостью (radiation tolerant).

Каждая ячейка, каждое соединение и каждый переход радиационно-стойких устройств разрабатывается с использованием хорошо опробованных и известных методов. Радиационно-устойчивые устройства создаются для эксплуатации в коммерческих, промышленных или автомобильных приложениях. Эти устройства проходят тщательные испытания, но в явном виде они не предназначены для использования в радиационных условиях.

Выводы

Мы рассмотрели некоторые общие термины и виды тестов, а также схемные решения для испытания устройств в условиях воздействия гамма-лучей, тяжелых ионов и нейтронов. Надеемся, эта публикация поможет специалистам соответствующих областей разрабатывать схемы, правильно читать спецификации и понимать, как корректно использовать устройства в условиях радиации.

Источник