Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

672 Раздел 6. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Воздействие облучения на фотоприемники сопровождается снижени­ ем коэффициента усиления, обусловленным эффектами, аналогичными тем, которые наблюдаются в диодах, транзисторах, солнечных элемен­

тах и других обычных полупроводниковых приборах.

Возникновение в полупроводнике при облучении уровней, форми­ рующих центры безызлучательной рекомбинации, приводит к умень­

шению мощности излучения светодиодов. Использование материалов с малыми временами жизни повышает радиационную стойкость этих

приборов.

Радиационная стойкость оптронов. Изменение характеристик фотопри­ емников и светоизлучателей под действием ИИ уменьшает коэффициент передачи и ухудшает импульсные свойства оптронов. Допустимые пото­

ки нейтронов Фн для современных оптопар составляют 1012... 1014 см-2, а дозы у-излучения DY = 105 Гр; при таких облучениях время задержки в

оптопаре увеличивается в 2... 3 раза, а потери интенсивности света в

оптическом канале из-за изменения коэффициента пропускания воз­

растают на 10... 20 дБ.

Радиационная стойкость электровакуумных приборов. Изменение ха­ рактеристик этих приборов при облучении определяется в первую оче­

редь ухудшением эмиссионных свойств катодов из-за деградации

структуры поверхности, что вызывает изменение тока анода и :крутиз­

ны характеристики.

Под воздействием ИИ может произойти растрескивание стекла, вы­

деление электродами и конструкционными материалами газов, что :•а­

рушает вакуум внутри приборов. В результате этого снижаются предельно

допустимые напряжения между электродами и ухудшаются другие ха­

рактеристики. Импульсное ИИ вызывает в электровакуумных лампах увеличение токов утечки между электродами. Предельно допустимые

дозыiтри этом составляют 105... 107 Гр. Приемно-усилительные лампы в

стеклянномбаллоневыдерживаютФ~ = 1014... 1015см-2иDУ=105... 108 Гр,

в металлокерамическом корпусе - Фи= 101в см-2.

Уровень радиационной стойкости изделий электронной техники за­

висит от конструкции, типа приборов, применяемых в них материалов

и технологии их изготовления. Сравнение радиационной стойкости раз­ личных электронных приборов и ИМС позволяет произвести рис. 23.23, где введены следующие обозначения:

Д -'--- диоды; ЭВП - электровакуумные приборы; р-i-п-диоды;

МБПТ - мощные биполярные транзисторы; ПТ - полевь!е транзисто­

ры; МДПТ - МДП-транзисторы; ТД - туннельные диоды; ВЧТ - вы­ сокочастотные транзисторы; СВ - солнечные батареи; ИСДИ - интег­

ральные схемы с диэлектрической изоляцией; МК - магнитные ком-

674 Раздел б. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Вероятность безотказной работы

и интенсивность отказов связаны между собой соотношением

t

p(t) = ехр [- J Л(t) dtJ.

о

Интенсивность отказов Л(t) для электронных приборов имеет

три характерных временных интервала (рис. 23.24). Началь­ ный интервал времени (обл. 1) соответствует ранним отказам

(периоду приработки приборов), причины которых заключают­

ся в быстро про.являющихся скрытых производственныхдефек­ тах. Второй участок времени (обл. 11) соответствует периоду нор­

мальной эксплуатации, когда значения Л(t) мало изменяются во

времени и существенно меньше по сравнению с периодом ран­

них отказов. На третьем временном участке (обл. 111) интенсив­

ность отказов вновь возрастает из-за износа и старения прибо­

ров. На этом участке преобладают отказы из-за изменения пара­

метров приборов. Средняя наработка времени на один отказ tcp

определяете.я через Л(t) по формуле tcp = 1/Л.

При Л = 5 • 10-6 ч-1 и t = 5000 ч Лt = 2,5 • 10-2 , тогда p(t) =

= р(5000) = 0,975; tcp = 2 • 105 ч, т. е. средняя наработка до отка­

за в данном примере составляет 20 ООО ч.

·Показатели надежности определяют такой важный эксплу­ атационный параметр приборов, :как его долговечность, которая устанавливает гарантированную продолжительность работоспо­ собного состояния электронных прибор.ов в процессе их эксплу­

атации.

В соответствии с характером изменения параметров элек­

тронных приборов отказы могут быть разбиты на две больmие

группы:

1)катастрофические (внезапные), характеризующиеся импульс­ ным (скачкообразным) изменением параметров прибора;

2)условные (постепенные), возникающие в резудьтате плавно­

го изменения параметров.

Первый вид отказов часто приводит :к полной потере работо­ сцособности приборов. Во втором случае прибор может сохра-

676 Раздел 6. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

вильной эксплуатацией. Наиболее часто встречающимся приме­

ром неправильной эксплуатации является использование при­ боров в режимах, превышающих максимально допустимые или близких к ним.

Одним из важнейших параметров, определяющих надежность прибора, является максимально допустимая температура пере­ хода, которая определяется мощностью, рассеиваемой в прибо­ ,ре, температурой окружающей среды и условиями теплообмена между переходом и окружающей средой.

Повышение мощности, рассеиваемой прибором, будет приво­

дить к разогреву элементов прибора. -Увеличение температуры

приводит к росту доли собственной электропроводности в при­ месном полупроводнике. В результате при некоторой темпера­ туре электронно-дырочный переход вообще перестает существо­

вать. 3а максимально допустимую температуру принимается бо­

лее низкая температура, nри которой основные свойства прибора

сохраняются. Температура перехода определяется материалом

(германий, кремний, арсенид галлия и т. д.) и степенью легиро­ вания полупроводника. Полупроводниковые приборы с высокой степенью легирования (например, туннельные диоды) имеют наи­ более высокую максимально допустимую температуру перехода

(Тмакс. п), а приборы на основе слаболегированных материалов (на­

пример, высоковольтные диоды) имеют самую низкую температу­ ру Тмин. п· На практике для повышения надежности температуру

окружающей среды ограничиi:щют 30 .. .40 °С, а рабочая мощ­ ность устанавливается менее ПОЛОВИНЫ ОТ рмакс•

Максимально допустимые напряжения между электродами

приборов часто устанавливаются значительно меньше напряже­

ния пробоя перехода: из-за возможности пробоя как в объеме, так

и на поверхности полупроводника; из-за требований отсутствия

влияния размножения носителей в коллекторном переходе на ко­

эффициент передачи тока; из-за технологических дефектов полу­

проводникового материала (неоднородности, посторонние вклю­ чения и т. п.) и ряда других причин.

Максимально допустимые значения токов определяются из условий разогрева перехода с учетом неоднородностей матери­

ала. Катастрофические отказы составляют 15... 20% от общего

числа отказов.

Большинство отказов обусловлены постепенным изменением параметров приборов сверх допустимых отклонений. -Условные

отказы чаще всего вызваны физическими и химическими про-

цессами на поверхности и в объеме полупроводниковых прибо­

ров, и процессами на катодах в электронных лампах. Объемные

процессы, приводящие к недопустимому изменению параметров,

в полупроводниковых приборах играют незначительную роль.

Постепенные изменения параметров полупроводниковых прибо­ ров связаны в основном с явлениями на поверхности (см.§ 1.5).

Изменение поверхностных состояний приводит к заметному из­ менению обратных токов, коэффициентов передачи и пробивных

напряжений полупроводниковых приборов.

Одним из основных факторов, определяющих нестабильность

:электрофизических свойств полупроводников, является нали­

чие влаги. Для предотвращения попадания влаги на поверхность полупроводника корпуса приборов тщательно герметизируют и, кроме того, внутри корпуса помещают влагопоглотитель (сорбент): си­ ликагель или алюмогель. Другая причина нестабильности свойств

поверхности связана с движением ионов щелочных металлов

(натрия, кальция, калия) в слое окисла. Поверхностна.я: плот­

ность этих ионов может достигать 1014 ионов/см2 • Они образуют в

пленке двуокиси кремния подвижные объемные заряды, влияю­ щие на свойства переходов и параметры приборов, особенно при

повышенных температурах.

Таким образом, влияние условий работы сказываете.я: на ин­

тенсивности как катастрофических, так и условных отказов. Для транзисторов такое влияние можно проиллюстрировать на

основе зависимостей, представленных на рис. 23.25, где отра­ жено воздействие нормализованной температуры Тн и рассе-

иваемой мощности Рк на величину Л. (Ркмакс -,- максимальная

допустимая мощность на коллекто-

ре). Нормализованная температура

определяется следующим образом:

т= траб-тся

нТмакс-Тсн'

Приложение 2

Основные уравнения, используемые для анализа работы электронных приборов

Физические явления, определяющие процессы преобразова­

ния сигналов и энергии в большинстве типов электронных при­ боров, связаны с переносом носителей заряда. Явления перено­

са включают такие процессы, как диффузия, электропровод­

ность, теплопроводность, термоэлектрические явления и т. д.

Все указанные процессы определяют величины токов и напря­ жений в электронных приборах. Поэтому одной из кардиналь­

ных задач при изучении приборов является определение и вы­

числение таких физических параметров, как ток, напряжение, напряженности электрических и магнитных полей, а также ус­

тановление функциональных зависимостей между ними.

В приборах важны не индивидуальные свойства носителей, а их коллективное поведение. Когда в электронном газе имеется

электрическое поле, вызванное нарушением квазинейтральности

или приложенное извне, электроны перераспределяются таким

образом, чтобы экранировать поле на расстоянии порядка дебаев­

ской длины Ап· Таким образом, дебаевская длина определяет

предельное расстояние х, на котором начинается коллективное

поведение, т. е. Лп отделяет область коллективного описания

0-п > х) от области описания индивидуальных частиц (Лп< х).

Большинство наблюдаемых в приборах величин определяются

средним поведением ансамбля частиц. Поэтому подходящим об­

щим теоретическим описанием является статистическое описание.

Задача микроскопического статистического подхода состоит в на­

хождении кинетических коэффициентов - подвижности, дифферен­

циальной и статической проводимостей, коэффициента диффузии

и т. д. в зависимости от параметров, определяющих свойства веще­

ства (эффективные массы носителей, температура решетки, энер­ гия ионизации и т. д.), и условий (напряжение, граничные усло­

вия и т. д.), реализуемых в конкретных приборах.

Кинетические коэффициенты получаются в результате ус­

реднения по статистическому ансамблю, который характеризу­

ется функцией распределения f(r, v, t), зависящей от скорости частиц v, координаты r и времени t. Смысл функции f(r, v, t) со­

стоит в том, что произведение f(r, v, t) dr dv представляет собой

вероятное число заряженных частиц в элементе объема dr dv