Методическое пособие 751

Путем постепенного увеличения тока сток-исток не большим шагом были зафиксированы значения тока, выше которого начинался лавинный пробой. Фиксация роста тока и начала лавинного пробоя осуществлялась посредством осциллографа, на котором регистрировалась вольт-секундная характеристика. В результате зафиксированы максимальные токи сток-исток для данных транзисторов на разных индуктивностях нагрузки.

Таблица 1

Значения максимальных токов сток-исток при индуктивности нагрузки 0,44 МГн

Таблица 2

Значения максимальных токов сток-исток при индуктивности нагрузки 2,7 МГн

Таким образом, определены границы значений токов и напряжений и индуктивности, при которых транзистор работает в штатном режиме.

Затем установлена зависимость энергии лавинного пробоя от изменения тока стока и индуктивности нагрузки:

80

Таблица 4

Зависимость энергии лавинного пробоя от тока стока

По графикам (рис. 2 и рис. 3) зависимости энергии лавинного пробоя можно определить максимально допустимые значения тока и индуктивности нагрузки для конкретного полевого транзистора.

Рис. 2. Зависимость энергии лавинного пробоя от индуктивности нагрузки

81

Рис. 3. Зависимость энергии лавинного пробоя от силы тока стока

Литература

1.Zener C. A Theory of Electrical Breakdown of Solid Dielectrics / C. Zener // Proc. Roy. Soc. A. – 1934. – V. l45. – № 855. – P. 523-529.

2.Sewards T. V. A statistical theory of avalanche breakdown in silicon: dissertation… PhD (Electrical Engineering) / T. V Sewards; chair prof. W. W. Grannemann. – New Mexico. Alburquerque: The university of New Mexico, 1971. – 76 p.

3.New power MOSFET technology with extreme ruggedness and ultra-low

RDS(on) qualified to Q101 for automotive applications / A. Murray [et al.] // Power Conversion. Proceedings of PCIM 2000 Europe. – Nürnberg, 2000. – P. 103-107.

4. A comparative study of advanced MOSFET concepts / C. H. Wann [et al.] //IEEE Transactions on Electron Devices. – 1996. – V. 43. – № 10. – P. 1742-1753.

Воронежский государственный технический университет

82

УДК 621.382

Т.В. Свистова, С.А. Ромасев

ГАЗОВЫЕ ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ОКСИДА МЕДИ

Работа посвящена оценке современных достижений в области газовых датчиков на основе оксида меди (CuO). Газовые датчики на основе CuO используются для обнаружения различных веществ, таких как: оксиды азота, оксиды углерода, сероводород, аммиак, а также некоторые летучие органические соединения во многих областях промышленности и в сельском хозяйстве. Газовые датчики на основе CuO обладают высокой чувствительностью, селективностью и стабильностью. Газовые датчики на основе CuO могут функционировать при комнатной температуре, что делает их очень привлекательными для определения различных газов, включая анализ выдыхаемого воздуха.

Датчики газа непрерывно разрабатываются в течение последних нескольких десятилетий. В 1953 году Браттейн и Бардин обнаружили, что адсорбция газа на полупроводниках приводит к изменению электропроводности этого материала [1]. Первый коммерчески доступный газовый датчик был предназначен для обнаружения углеводородов. С тех пор газовые датчики используются для мониторинга загрязнения окружающей среды, бытовой безопасности, общественной безопасности, определения качества воздуха, а в последнее время – для постановки медицинских диагнозов по анализу выдыхаемого воздуха.

Принцип действия большинства твердотельных газовых датчиков на основе различных материалов, например, оксидов металлов, основан на изменении сопротивления чувствительного слоя, которое вызвано реакцией поверхности на воздействие молекул газа.

CuO является наиболее широко изученным оксидом из всех оксидов меди (рис. 1). Следует подчеркнуть, что Cu2O и Cu2O3 являются нестабильными материалами и не могут рассматриваться в качестве возможных материалов для применения в газовых датчиках.

Рис. 1. Схематическое представление возможных форм оксида меди [2]

83

CuO является типичным полупроводником p-типа и обладает многими замечательными свойствами, например, каталитической активностью, оптоэлектронными свойствами, высокой стабильностью, простотой доступа и антибактериальной активностью. Более того, результаты исследований показали, что CuO стабилен при воздействии различных газов. Помимо чувствительности, селективности и стабильности, другими важными параметрами оксида меди являются малое время отклика и восстановления сопротивления при воздействии газов [2].

Поскольку морфология и структура оксидов играют важную роль в характеристиках газовой чувствительности, большое внимание уделяется разработке методов их осаждения и синтеза. Как правило, для улучшения функциональных свойств оксиды модифицируются различными легирующими веществами. Например, CuO можно модифицировать Au, Fe, Li, Na, Pd, Pt, Ag, Cr, Sb и Si. Для осаждения CuO могут быть использованы различные методы (рис. 2), например, магнетронное распыление, золь-гель метод, термическое окисление, гидротермальные методы, гидротермальные методы с использованием метода электроспиннинга, метод спрей-пиролиза, распыление электронным пучком

[2, 3].

Рис. 2. Методы осаждения оксида меди: а – термическое испарение;

б– магнетронное распыление; в – гидротермальный метод;

г– поверхностный метод [2, 3]

84

Газовые датчики на основе оксида меди можно использовать для обнаружения оксидов азота. Оксид азота (NO) и оксид азота (NO2) являются типичными загрязнителями воздуха, которые создают смог в городах, кислотные дожди и оказывают негативное влияние на здоровье человека. Кроме того, оксид азота присутствует в выдыхаемом человеком воздухе и считается биомаркером нескольких легочных заболеваний, например, астмы, рака легких или хронической обструктивной болезни легких.

Реакция газовых датчиков с чувствительным слоем на основе CuO, активированного углеродными волокнами (ACFs), на NO заключается в изменении электрического сопротивления, уменьшающегося при воздействии NO. Вероятный механизм взаимодействия молекул газа NO с поверхностью чувствительного слоя, заключается в следующем. Частицы CuO действуют как катализаторы, способствующие как движению электронов в ACFs, так и обнаружению газа. После введения газа NO его молекулы адсорбируются на поверхности чувствительного слоя, выводя электроны с поверхности CuO. Во время этого процесса потенциальный барьер понижается, и сопротивление CuO-ACFs снижается. Датчики на основе CuO-ACFs могут определить присутствие NO концентрацией 100 ppm при комнатной температуре, величина газовой чувствительности 12,5 % [4].

Газовый датчик на основе CuO, способен селективно обнаруживать NO в смеси NOx в выбросах при сжигании. Результаты измерений показали, что CuO обладает большой селективность к NO при 300 °C по сравнению с NO2, и датчик хорошо работает в диапазоне концентраций 100 – 800 ppm [5].

Газовые датчики на основе нанокубов CuO (NCs) демонстрируют максимальную чувствительность к NO2 (100 ppm) при 150 °C, величина газовой чувствительности S = 76 % (S = ((Rg – Ra)/Ra) × 100 %, где Rg и Ra – значения электрического сопротивления CuO (NCs) в присутствии определяемого газа и воздуха соответственно). Пленки CuO (NCs) способны воспринимать концентрации газа NO2 на уровне 1 ppm [6].

Исследования свойств аморфных и кристаллических тонких пленки CuO при воздействии оксидов азота NO2 (100 ppm) и относительной влажности 50 % [7] показали, что оптимальная рабочая температура для аморфной тонкой пленки CuO (180 °C) ниже, чем для нанокристаллической (325 °C). Аморфная тонкая пленка CuO имеет меньшее время отклика/восстановления при воздействии NO2 (100 ppm), равное 6 и 18 с., соответственно (рис. 3, а).

Нанокристаллические тонкие пленки CuO были протестированы при воздействии NO2 (20 ppm) при различных температурах (210, 280, 350 и 415 °C) и относительной влажности 50 %. На рис. 3, б показаны величина отклика (Rair/RNO2) и время отклика/восстановления пленок. Обнаружено, что отклик и время отклика/восстановления нанокристаллических тонких пленок CuO уменьшаются с температурой.

85

Рис. 3. Поведение пленок оксида меди в атмосфере диоксида азота:

а – изменение сопротивления аморфной тонкой пленки CuO в атмосфере NO2 (100 ppm) при температуре 180 °C и относительной влажности 50 %;

б – величина отклика и время отклика/восстановления нанокристаллических тонких пленок CuO в атмосфере NO2 (20 ppm) при различных температурах и относительной влажности 50 % [7]

Газовые датчики на основе оксида меди можно использовать для обнаружения оксидов углерода. Монооксид углерода (CO) и диоксид углерода (CO2) обладают некоторыми общими свойствами: оба они являются газами без цвета и запаха, при высокой концентрации оба могут быть смертельно опасны для людей. Оба газа необходимо контролировать по соображениям безопасности, но в разных диапазонах концентраций.

Исследовались тонкопленочные газовые датчики на основе CuO с повышенной чувствительностью к CO для двух морфологий CuO: нанотрубки CuO (CuO NTs) и нанокубы CuO (CuO NCs) [8]. Установлено, что датчики на основе нанотрубок CuO NTs демонстрируют более низкую рабочую температуру (175 °C) и более высокую чувствительность к CO в диапазоне 50 – 1000 ppm. Время отклика / восстановления составило 29 / 37 с и 11 / 18 с для CuO NCs и CuO NTs соответственно (рис. 4). При исследовании структуры установлено, что нанотрубки и нанокубы CuO имели шероховатую и развитую поверхность, что выгодно для применений в газочувствительных системах.

Обнаружение CO2 проводилось с помощью газочувствительного слоя на основе комбинации наночастиц CuO и переоксида цинка ZnO2 с органическим связующим веществом [9]. Газовая чувствительность к CO2 была исследованы в диапазоне температур 20 – 600 °C при различных значениях относительной влажности 0, 30, 60 и 80 %, в диапазоне концентраций 400 – 4000 ppm. Максимальная величина отклика была получены при рабочей температуре 300 °C и относительной влажности 30 %. Результаты исследований показали, что газовый датчик на основе CuO / ZnO2 (10 : 1) демонстрирует типичные параметры для датчиков на основе оксида металла.

86

Рис. 4. Время отклика и восстановления CuO NTs (а) и CuO NCs (б), подвергнутых воздействию СО (1000 ppm) [8]

Созданы датчики CO2 на основе оксида меди с использованием наночастиц CuO [10]. Датчики были исследованы в следующих условиях концентрация CO2 в диапазоне 400 – 4000 ppm, относительная влажность 0, 30, 45, 60 и 80 %, рабочая температура 20 – 110°C. Максимальная чувствительность была обнаружена при температуре 50 °C и относительной влажности 45 %. Было предположено, что наличие влажности и адсорбированной воды необходимо для достижения обратимой реакции CO2 с чувствительным слоем CuO.

В таблице приводится информации о датчиках газа на основе CuO, применяемых для определения NO, CO, CO2, и результаты измерений [2].

Сравнение параметров газовых датчиках на основе CuO, применяемых для определения NO, CO, CO2

В настоящее время оксид меди используют в качестве чувствительного слоя для датчиков газов, используемых для определения оксидов азота, оксидов

87

углерода, аммиака, сероводорода, летучих органических соединений, а также паров воды. Наиболее надежными технологиями для синтеза пленок оксида меди с воспроизводимыми параметрами являются вакуумные методы, но они экономически невыгодны. Альтернативой могут быть золь-гель методы, которые дешевле и проще по сравнению с магнетронным распылением, что делает их очень привлекательными для быстрого прототипирования. Нелегированные и легированные / модифицированные пленки CuO могут быть изготовлены различными методами, что открывает большие возможности для разработки датчиков газов. Важной особенностью газовых датчиков на основе CuO является их возможность работать при низких или комнатных температурах в течение длительного времени.

Литература

1.Brattain W.H. Surface properties of germanium / W.H Brattain, J. Bardeen.

//Bell Syst. Tech. J. – 1953. – V. 32. – P. 1-41.

2.Rydosz A. The use of copper oxide thin films in gas-sensing applications / A. Rydosz // Coatings. – 2018. –V. 8. – P. 425-444.

3.Synthesis of SnO2-CuO heterojunction using electrospinning and application in detecting of CO / S. Bai [et al.] // Sens. Actuators B Chem. – 2016. – V. 226. – P. 96-103.

4.Effect of CuO introduced on activated carbon fibers formed by electroless plating on the NO gas sensing / M.-J. Kim [et al.] // J. Ind. Eng. Chem. – 2018. – V. 60 – P. 341-347.

5.Mullen M.R. Building selectivity for NO sensing in a NOx mixture with sonochemically prepared CuO structures / M.R. Mullen, P.K. Dutta // Chemosensors.

– 2016. – № 4. – P. 1.

6.Rapid synthesis strategy of CuO nanocubes for sensitive and selective detection of NO2 / Y.H. Navale [et al.] //J. Alloys Compd. – 2017. – V. 708. – P. 456-463.

7.Rydosz A. Amorphous and nanocrystalline magnetron sputtered CuO thin films deposited on low temperature cofired ceramics substrates for gas sensor applications / A. Rydosz // IEEE Sens. J. – 2014. – V. 14. – Р. 1600-1607.

8.CO gas sensors based on p-type CuO nanotubes and CuO nanocubes: morphology and surface structure effects on the sensing performance / L. Hou [et al.]

//Talanta. – 2018. – V. 188. – P. 41-49.

9.Zinc peroxide combustion promoter in preparation of CuO layers for conductometric CO2 sensing / N.B. Tanvir [et al.] // Sens. Actuators B Chem. – 2018.

– V. 257. – P. 1027-1034.

10.Investigation of low temperature effects on work function based CO2 gas sensing of nanoparticulate CuO films / N.B. Tanvir [et al.] // Sens. Actuators B Chem. – 2017. – V. 247. – P. 968-974.

Воронежский государственный технический университет

88

УДК 621.382

А.А. Винокуров, Д.Н. Бугаев

АППАРАТНЫЕ И ПРОГРАММНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ПРОЕКТОВ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ В БАЗИСЕ ПЛИС

Работа посвящена исследованию методов моделирования и искусственного создания одиночных радиационных сбоев в базисе ПЛИС программным и аппарат-

ным методами с использованием среды Quartus II Prime, средства Fault Injection Debugger

и исследуемых схем семейства Stratix V марки 5SGXEA3K2F40C3 и семейства Cyclone марки EP1C3T144C8.

В настоящее время большое распространение в мире получили программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). ПЛИС – это уникальная база для создания сложной радиоэлектронной аппаратуры на основе систем на кристалле (СнК), используемая в таких отраслях как аэрокосмическая, автомобильная, медицинская, а также высокопроизводительная вычислительная техника и хранение данных. С учетом распространенности ПЛИС, встает актуальный вопрос о устойчивости схем. Архитектура современных программируемых логических схем основана на ячейках памяти, в которых под воздействием частиц с высокой энергией (например, радиационного или космического излучения) могут возникать одиночные сбои (Single Event Upset). Одиночные сбои, как правило, вызывают так называемые soft-сбои (ошибки, которые при повторном включении устройства или перезаписи информации пропадают), однако такие ошибки могут сделать работу нашего устройства полностью некорректной, поэтому важна как можно более стабильная работа схемы без сбоев. Основными областями, остро нуждающимися в защите от одиночных сбоев, будут: космонавтика, авиация, ядерная энергетика и военная отрасль.

Таким образом целью работы становится реализация методики проверки устойчивости схемы к одиночным сбоям. Объектом исследования становится программируемая логическая интегральная схемы семейства Stratix V марки

5SGXEA3K2F40C3 и семейства Cyclone марки EP1C3T144C8.

Методика внесения неисправностей играет жизненно важную роль в тестировании и анализе надежности целевых систем. В этих методах сбой намеренно вводится в тестируемую систему (SUT), затем реакция исправной системы сравнивается с копией SUT, содержащей внутренние сбои, и после этого результаты используются в количесвенной оценку проверки и устойчивости. Как правило, методы внесения неисправностей делятся на четыре типа: аппаратные,

89