Моделирование радиационных отказов пьезопреобразователей механических величин на кремниевых, карбидкремниевых и диэлектрических структурах

Заключение

Основные научные результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Предложена модель ионизационного отклика кремниевых мостовых пьезопреобразователей, основанная на численном решении фундаментальной системы уравнений, в соответствии с которой синфазный отклик выходного напряжения преобразователей на импульсное ионизирующее воздействие определяется реакцией паразитных диодных структур между контактами пьезорезисторов и подложкой, а парафазный - асимметрией топологии преобразователя. Для повышения уровня бессбойной работы кремниевых мостовых пьезопреобразователей предложено улучшать симметрию топологии моста, а для уменьшения времени потери работоспособности - вводить дополнительное заземление донной части мембраны и снижать время жизни неосновных носителей заряда.

2. Предложена модель ионизационного отклика мостовых пьезопреобразователей на карбидкремниевых структурах, основанная на численном решении фундаментальной системы уравнений, в соответствии с которой основным механизмом отклика преобразователей является радиационно-индуцированная ионизационная проводимость диэлектрических слоев. Асимметрия площадей диэлектрических слоев приводит к тому, что уже при относительно невысоких уровнях импульсного ионизирующего воздействия (порядка 10¹⁰ ед./с) наблюдается существенный разбаланс моста по сравнению с номинальным выходным сигналом.

3. Предложена модель ионизационного отклика пьезокерамических преобразователей, учитывающая распределение центров захвата дырок на межзеренной границе, в соответствии с которой зависимость ионизационного тока преобразователя от интенсивности ионизирующего воздействия является сублинейной, что соответствует выводам теории множественного захвата и подтверждается экспериментально. Расчетно-экспериментальным путем обосновано, что накопление радиационно-индуцированного положительного заряда приводит к уменьшению величины ионизационного тока пьезокерамических преобразователей.

4. Разработаны базовые методики и экспериментальный комплекс, позволяющие проводить измерение параметров пьезопреобразователей механических величин при совместном воздействии ионизирующих излучений, измеряемой механической величины и температуры. Впервые получены оригинальные результаты экспериментальных исследований радиационного поведения типовых представителей пьезопреобразователей механических величин.

5. Развиты методики имитационных исследований основных аналоговых элементов вторичных преобразователей (операционные усилители, компараторы, аналоговые коммутаторы, БИС управления) обеспечивающие контроль расширенной системы параметров-критериев в диапазоне температур, что повышает достоверность определения показателей радиационной стойкости пьезопреобразователей механических величин в целом.

Основной практический результат диссертации заключается в разработке методических и технических средств обеспечивающих диагностирование информативных параметров пьезопреобразователей механических величин непосредственно в процессе и после ионизирующего воздействия при совместном воздействии измеряемой механической величины и температуры. Разработанные средства внедрены в ОАО «ЭНПО СПЭЛС», ОАО «Ангстрем», ОАО «Светлана-Полупроводники», ОАО «НИИМЭ и Микрон» при проведении исследований пьезопреобразователей механических величин на моделирующих установках и имитаторах.

Частные практические результаты работы и их реализация:

1. Получены оригинальные результаты экспериментальных исследований эффектов смещения и дозовых эффектов в пьезопреобразователях механических величин на кремниевых и карбидкремниевых структурах с использованием моделирующих установок. Установлено, что стойкость пьезопреобразователей механических величин по указанным эффектам существенно (более чем на порядок величины) выше по сравнению с элементами вторичных преобразователей.

2. Проведены исследования аналоговых элементов вторичных преобразователей, выполненных по биполярной, КМОП, БиКМОП, КМОП КНС технологиям, в том числе операционных усилителей, компараторов напряжения, аналоговых ключей и коммутаторов и специализированных СБИС. Показана необходимость контроля расширенной системы информативных параметров радиационной стойкости элементов ВП в диапазоне температур. Разработано более 50 методик испытаний элементов вторичных преобразователей, результаты испытаний внедрены в ОАО «Ангстрем», ОАО «НИИМЭ и Микрон», ПКК «Миландр» и ОАО «ЭНПО СПЭЛС».

3. Предложена методика выбора информативного набора параметров-критериев радиационной стойкости пьезопреобразователей механических величин на кремниевых, карбид кремниевых и диэлектрических структурах, основанная на контроле электрических и точностных параметров в процессе воздействия.

4. Разработана методика дозиметрического сопровождения имитационных радиационных исследований пьезопреобразователей механических величин на кремниевых, карбид кремниевых и диэлектрических структурах, базирующаяся на методе калибровки по результатам испытаний на моделирующих установках и методе расчетной дозиметрии с учетом наличия слоев различных материалов в составе конструкции, сложности формы и большого объема чувствительных областей элементов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К., Бойченко Д.В. Анализ стойкости мембранных датчиков давления на основе карбида кремния к воздействию импульсного ионизирующего излучения // Известия вузов. Электроника. - 2003. -№1. - С. 57-62.

2. Single-chip pressure sensor radiation hardness research / Artamonov A.S., Boychenko D.V., Nikiforov A.Y., Sogoyan A.V., Shelepin N.A., Telets V.A., Tverskoy M.G. // Proc. of 8th European Conf. "Radiation and its Effects on Components and Systems" (RADECS 2001), Sept. 10-14, 2001, Cap d'Agle, France, pp. 296-299.

3. Бойченко Д.В. Исследование влияния технологии на радиационную стойкость операционных усилителей // Научная сессия МИФИ-2002. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2002. - Т.14. - С. 73-74.

4. Бойченко Д.В. Прогнозирование радиационного отклика операционных усилителей по результатам исследований тестовых структур // Научная сессия МИФИ-2003. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2003. - Т.14. - С. 123-124.

5. Бойченко Д.В. Сравнительное исследование радиационного поведения БИС управления микрогироскопов и микроакселерометров // Научная сессия МИФИ-2004. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2004. - Т.15. - С. 85-86.

6. Бойченко Д.В. Моделирование ионизационной реакции интегрального датчика давления // Научная сессия МИФИ-2001. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2001. - Т.14. - С. 107-108.

7. Бойченко Д.В., Согоян А.В. Модель прогнозирования радиационного поведения пьезопреобразователей на основе PZT керамики // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2008. - С. 222-224.

8. Бойченко Д.В., Согоян А.В. Исследование радиационного поведения пьезопреобразователей на основе Pb(Zr,Ti)O₃ керамики // Радиационная стойкость электронных систем. - 2006. - Вып. 9. - С. 147-148.

9. Исследование радиационного поведения интегральных преобразователей давления и ускорения резистивного типа / Бойченко Д.В., Ванжа М.М., Шелепин Н.А., О.В.Панкратов, А.А.Орлов // Радиационная стойкость электронных систем. - 2004. - Вып. 7. - С. 141-142.

10. Исследование радиационного поведения интегральных компараторов напряжения в диапазоне температур / Бойченко Д.В., Ванжа М.М., Архангельский Ю.К. // Радиационная стойкость электронных систем. - 2004. - Вып. 7. - С. 85-86.

11. Исследование радиационного поведения интегральных КМОП КНС коммутаторов аналоговых сигналов / Бойченко Д.В., Кессаринский Л.Н., Борисов А.А., И.В.Поляков // Радиационная стойкость электронных систем. - 2005. - Вып. 8. - С. 83-84.

12. Влияние технологии изготовления на радиационную стойкость аналоговых мультиплексоров / Бойченко Д.В., Кессаринский Л.Н., Ванжа М.М., С.А.Красноперов // Радиационная стойкость электронных систем. - 2006. - Вып. 9. - С. 83-84.

13. Исследование влияния топологии на радиационную стойкость аналоговых ИС / Бойченко Д.В., Кессаринский Л.Н., Архангельский Ю.К. // Радиационная стойкость электронных систем. - 2007. - Вып. 10. - С. 21-22.

14. Бойченко Д.В., Ванжа М.М. Влияние температуры и приложенного давления на стойкость кремниевых датчиков давления к воздействию импульсного ионизирующего излучения // Научная сессия МИФИ-2004. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2004. - Т.1. - С. 199-200.

15. Исследование радиационного отклика интегральных датчиков давления / Бойченко Д.В., Никифоров А.Ю., Согоян А.В. Артамонов А.С., Шелепин Н.А.// Научная сессия МИФИ-2000. Сб. научн. трудов. - М.: МИФИ, 2000. - Т.1. - С. 97-98.

Размещено на Allbest.ru