Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

642 Раздел 6. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

в ЛФД вычисляется по формуле (22.24). Существенной особен­ ностью ЛФД является то, что лавинное умножение может при­ вести к увеличению отношения сигнал/шум, причем существует оптимальное значение коэффициента умножения М, которое обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум при задан­ ной оптической мощности. Это связано с '!.'ем, что лавинный про­

цесс является статистическим, вероятностным процессом из-за

неодинакового умножения, производимого отдельно электрона­

ми и дырками, поскольку коэффициенты ионизации электронов

и дырок различны. В результате при приеме оптического сигнала

может сложиться ситуация, при которой первичная флуктуация

числа носителей в области умножения усиливается относительно

меньше, чем принимаемый сигнал, т. е. отношение сигнал/шум

улучшится. В формуле (22.25) шум из-за лавины характеризует­ ся шум-фактором F(M), который зависит от коэффициентов

ионизации для элек'!.'ронов ап и дырок ар. Поэтому флуктуация

числа первич1:1ых носителей вызывает после умножения суще­ ственное относительное изменение общего числа флукту~ую­

щих носителей и шум-фактор возрастает. Если же один из коэф­

фициентов· ударной ионизации мал, например ар ,,;,, О, т. е. рож­

денные дырки вообще не производят ионизацию, то в этом

случае после каждого последующего акта ионизации в области

умножения будут появляться носители, образованные только

электронами. В первом же случае рождались носители, образо­

ванные как электронами, так и дырками. Поэтому во втором

случае флуктуация, соответствующая изменению числа носите­

лей после умножения, будет заметно меньше. Таким образом,

при существенном различии ап и ар значение шум-фактора мо­

жет быть мало и, следовательно, шумы ЛФД будут меньше. Таким образом, за счет особенностей образования лавины

шумы в ЛФД могут усиливаться меньше, чем полезный сигнал. Шумы электровакуумных приборов. Как ясно из изложенног,о,

диод, работающий в режиме насыщения, является эталонным источником шума и средний квадрат эквивалентного шумового

тока этого прибора вычисляется по формуле i~э = 2qJэкв Лf. Од­

нако если в диоде реализуется режим объемного заряда (см.

п. 11.3), то пространственный заряд, формируя своего рода по­

тенциальный барьер у катода, уменьшает интенсивность шумов

на величину, которая характеризуется коэффициентом депрес-

В процессе эксплуатации окружающая среда может оказы­ вать сильные воздействия на электронные приборы, измен.я.я их параметры и характеристики. Влияние окружающей среды оп­

ределяете.я механическими (вибрации, удары, ускорения и т. п.)

и климатическими (температура, давление, влага, атмосферный

воздух, радиация, пары химически активных веществ и т. п.)

воздействиями. Свойства приборов при наличии указанных воз­

действий характеризуются следующими основными параметра­

ми: механической устойчивостью, прочностью, климатической устойчивостью, радиационной стойкостью и рядом других.

Механическая устойчивость определяется виброустойчиво­ стью, ударной устойчивостью и устойчивостью к воздействиям постоянных ускорений. Виброустойчивостью называется способ­ ность электронного прибора сохранять электрические парамет­ ры под воздействием вибраций в пределах норм, установленных

техническими условиями. Вибрации характеризуются часто­

той и ускорением. Наибольшим вибрационным воздействиям под­

вергаете.я радиоэлектронная аппаратура, устанавливаемая на

борту летательных аппаратов.

Частотный диапазон наиболее интенсивных вибраций на сов­

ременном самолете простираете.я от единиц Гц до 5 кГц, а полный

диапазон вибраций превышает 10 кГц. При наибольших ампли­

тудах вибраций ускорения достигают 15... 20g. Вибрации могут носить резонансный характер.

Ударная устойчивость (ударостойкость) - это способность прибо­ ров противостоять механическим ударным воздействиям, при которых отклонения параметров прибора не превышают установ­ ленной нормы. Этот параметр характеризуется значением удар­ ного ускорения и числом ударов, выдерживаемых прибором.

Устойчивость к воздействию постоянных ускорений оценивается

величиной постоянных ускорений, реализуемых обычно по­ средством центрифуги. Ускорени.я при оценке механической устойчивости выражаются в единицах g.

Прочность - это способность прибора (изделия) противосто­

ять разрушающему воздействию вибрации и ударов. Соответ­ ственно различают вибропрочность и ударную прочность. Эти пара­ метры определяются предельными ускорениями (в единицах g) и длительностью воздействий, после которых прибор выполня­

ет свои функции, регламентируемые ТУ. Значения ускорений,

устанавливаемые ТУ дл.я аппаратуры, работающей в наиболее тяжелых условиях, достигают 40 и более g.

646 Раздел 6. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Климатическая устойчивость - это способность прибора выпол­ нять свои функции под воздействием таких факторов, как тем­

пература, влага, пыль, газ, давление окружающей среды и т. д.

Для характеристики климатической устойчивости используют такие параметры, как термостабильность, влагостойкость, водо­ стойкость и др.

Термостабильность приборов характеризуется температурным коэффициентом (Т:К) того или иного параметра. Т:К определяет обратимое изменение параметров прибора. Необратимые изме­

нения параметров прибора определяются температурным коэф­

фициентом нестабильности (Т:КН).

Влагостойкость и водостойкость определяют способность прибо­ ров выдерживать соответственно воздействие влажности воздуха (окружающей среды) и воды. Для защиты полупроводниковых приборов от влияния окружающей среды используют герметиза­ цию корпусов приборов. При использовании приборов в аппара­ туре, работающей в условиях повышенной влажности, платы с

полупроводниковыми диодами и транзисторами подвергаются

многослойному покрытию специальными лаками или заливают­ ся компаундами. Микросхемы и микросборки с бескорпусными приборами подвергаются общей герметизации. При применении

заливки плат компаундами и покрытии их лаками необходимо

учитывать ухудшение теплоотвода.

Радиационная стойкость характеризует способность электрон­

ных приборов работать под воздействием проникающего иони­

зирующего излучения с сохранением изменений основных пара­ метров в пределах норм, регламентированных ТУ. Наибольшее

влияние оказывает у-излучение, при этом различают воздейст­

вия, носящие как обратимый, так и необратимый характер (см.

п. 23.2).

В справочниках обычно приводятся значения параметров при" боров, которые гарантируются техническими условиями для оп­ тимальных (номинальных) или предельных режимов эксплуа­

тации.

Электронные приборы являются, как правило, устройствами

универсального применения. Они могут быть и~пользованы не только по прямому назначению, но и в других случаях. Однако

набор параметров и характеристик, приводимых в справочнике,

соответствует в первую очередь прямому назначению прибора. Значения большинства параметров зависят от рабочего режима и температуры, поэтому обычно в литературе даются усреднен-

ные величины параметров и, кроме того, устанавливается интер­

вал их изменения._ Этот интервал соответствует или минималь­ ным, или максимальным значениям разброса параметров.

На практике изменения токов и напряжений могут происхо­ дить в большом диапазоне значений. Ограничением возможности применения приборов служат значения параметров предельно до­

пустимых режимов. Даже кратковременные превышения пара­

метров предельно допустимых режимов могут приводить к выхо­

ду из строя приборов, особенно полупроводниковых, поэтому при работе ·необходимо принимать во внимание нестабильности ис­

точников питания, значение и характер нагрузки, амплитуды и

длительности сигналов на выходе и т. д. Превышение предель­ ной температуры, особенно в мощных приборах, может вызвать тепловой пробой р-п-перехода, поэтому необходимо стремить­

ся улучшать теплоотвод от прибора. ХорошИй и правильный

тепловой режим работы приборов снижает интенсивность отка­ зов транзисторов, улучшает стабильность параметров аппаратуры. В аппаратуре теплоотвод от приборов обеспечив_ается радиатора­ ми или соответствующей конструкцией элементов и узлов.

23.2. Радиационная стойкость электронных приборов

Основные сведения об ионизирующих излучениях. Под радиационной стойкостью понимается возможность электронных приборов работать под воздействием проникающего ионизирующего излучения (ИИ) при

изменении основных параметров в пределах норм, регламентирован­

ных техническими условиями.

По физической природе ИИ подразделяются на следующие основ­ ные виды: а- и у-излучения, нейтронное (n), электронное (е), протонное (р) из­

лучения.

Тяжелые частицы (а-частицы и осколки деления ядер) из-за их ма­

лой проникающей способности оказывают незначительное влияние на

изделия электронной техники. Источником а-частиц может быть есте­ ственная радиация элементов конструкции ИС. а-частицы испускают­

ся незначительным количеством радиоактивных примесей, присутст­

вующих в материалах конструкциИ ИС.

Источниками ИИ являются ядерные энергетические установки, ядер­

ные взрывы, естественные и искусственные радиационные пояса Зем­

ли, космические лучи и др. Космические лучи образуются за счет галак­ тического излучения и излучения Солнца. Галактические лучи представля­

ют собой ядра различных химических элементов (- 85% протоны, -15% ядра гелия и очень небольшая доля тяжелых элементов).

648 Раздел 6. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Искусственные радиационные пояса возникают в результате ядерных взрывов в верхних слоях атмосферы и имеют определенный период су­ ществования. Естественные радиационные пояса 3емли образуются в ре­ зультате захвата магнитным полем Земли потоков заряженных частиц, входящих в состав космических лучей. Эти пояса делятся на внутрен­

ний, расположенный на высоте 600 ... 1500 км, и внешний радиацион­

ный пояс, расположенный на расстоянии ~ 1, 5 радиуса Земли.

Основными характеристиками ИИ являются: энергия частиц, выра­

жаемая в электронвольтах (эВ); плотность потока частиц N, определяемая

числом частиц, проходящих через единичную площадку в 1 см2 за 1 с;

интегральный поток Ф, т. е. усредненный по всему энергетическому рас­

пределению частиц со сложным энергетическим спектром (Ф опреде­ ляется плотностью потока частиц, умноженной на время облучения,

част/см2); доза (поглощенная доза) D и мощность дозы (мощность погло­

щенной дозы) Р - для излучения со сложным энергетическим спект­ ром (D - это энергия, переданная веществу ионизирующим излучени­

Для количественного описания рентгеновского и у-излучений с энергией квантов не выше 2 МэВ, ионизирующих вещество, использу­

ют такую характеристику, как экспозиционная доза DY. Единица измере­

ния DY - Кл/кг - это экспозиционная доза, при которой в результате ионизации в единице массы (1 кг) возникает такое количество заря­

женных частиц, которое переносит заряд каждого знака в один кулон.

Широко применяется внесистемная единица, определяющая экспози­

ционную дозу, - рентген, равный 2,58 · 10-4 Кл/кг.

В зависимости от продолжительности воздействия на материалы

различают импульсное и непрерывное ИИ. Импульсное ИИ реализуется в

условийх ядерного взрыва, а непрерывное - при наличии ядерных

энергетических установок,. космических лучей и т. п. Для оценки им­

пульсных ИИ вводят такой параметр, как экспозиционная доза мгно­

венного излучения, которая определяется соотношением

Dумгн = Рyf, :Кл/кг,

где t - длительность импульса излучения; Р.1 - мощность дозы в им­ пульсе мгновенного у-излучения, которая определяется в А/кг. Типич­

ные значения t колеблются в пределах 10-7••• 10-3 с.

Как правило, эффекты, порождаемые импульсной радиацией, вызы­ вают обратимые изменения электрических параметров изделий. Отметим

некоторые характеристики наиболее мощных источников ионизирую­

щих излучений. На расстоянии 1 км от центра ядерного взрыва интег­

ральный поток нейтронов Ф ~ (3 ... 5) • 1016 нейтр/см2. Излучение в актив­

ной зоне мощного реактора (~ 1000 МВт) характеризуется следующими

величинами: плотность потока нейтронов N ~ 1014••• 1015 нейтр/(см2 •с);

мощность дозы у-излучения Ру --: 103 А/кг. При мощности реактора 100 кВт Ру~ 10-1 А/кг, N ~ 1010 нейтр/(см2 ·с). Частицы галактических

лучей обладают очень высокой энергией (108 ••• 1020 эВ), но плотность по­

тока их очень мала. Доза облучения на летательном объекте за год состав­ ляет в этом случае D ~ 10-2... 10-1 Дж/кг (1 ... 10 рад).

Максимально возможные годовые дозы для протонов солнечных кос-

мических лучей достигают величин порядка 10... 102 Дж/кг (103••• 104 рад) на поверхности аппарата и 1... 10 Дж/кг (102... 103 рад) за слоем защиты1

1 г/ см2 • Годовые экспозиционные дозы излучения на поверхности кос­

мического летательного аппарата от внутреннего и внешнего радиацион­

ных поясов Земли при облучении электронами с энергией 0,02... 5 МэВ

соответственно составляют 1012 и 1011 ••• 1013 рад в год, а за слоем защиты

105 рад в год. Протоны внутреннего пояса дают экспозиционную дозу на

поверхности аппарата 1010 рад в год, а за слоем защиты 105 рад в год.

Излучение искусственных радиационных поясов характеризуется

следующими величинами: D ~ 105 Гр (10 7 рад), Ру ~ 10-1... 10-4 А/кг.

Максимально возможная годовая доза облучения радиоэлектронной аппа­

ратуры, обусловленная потоками электронов из искусственных радиаци­

онных поясов, может составлять на поверхности аппарата 106 ••• 107 Дж/кг

(108 ••• 109 рад), а с учетом защиты аппаратуры корпусом летательного

аппарата -103 ••• 104 Дж/кг (105 ••• 108 рад). Таким образом, радиацион­

ная обстановка на борту околоземных космических объектов определя­

ется в основном протонами внутреннего радиационного понса и элект­

ронами искусственных радиационных поясов Земли.

Проблема обеспеченин радиоэлектронной аппаратуры материалами и

приборами, устойчивыми к воздействию проникающей радиации, явля­

ется весьма сложной из-за большого числа используемых в· них материа­

лов. Уровень воздействия ИИ на радиоэлектронные изделия, в том числе

на электронные приборы, зависит от комплекса физических, хим}Iче­

ских, технологических и конструктивных факторов.

Основные типы радиационных дефектов в твердых телах. В результате

взаимодействия ядерных излучений с атомами твердого тела происхо­ дят следующие процессы: смещение атомов из устойчивых положений в решетке, ионизация, иногда появление в решетке примесей за счет

ядерного деления, а также задержки в решетке (внедрения в нее) тех атомов, которыми производилось облучение.

Характер радиационных повреждений зависит от типа связей в об­

лучаемом твердом теле, от вида и условий облучения.

z0,125 СМ.

онных дефектов в германии, кремнии, арсениде галлия и других мате­ риалах появляются в результате взаимодействия точечных дефектов

между собой и с атомами примесей, имеющихся в веществе до облучения. Различные виды ИИ образуют дефекты, отличающиеся своими свойства­ ми. Коротко рассмотрим воздействие на материалы каждого вида ИИ.

Быстрые нейтроны (кинетическая энергия> 100 кэВ), проникая в твер­

дое тело, в основном образуют структурные радиационные дефекты в ре­

зультате упругого взаимодействия с ядрами. При этом быстрый нейтрон

передает ядру часть своей кинетической энергии, что может вызвать

ионизацию атома. Энергетический спектр быстрых нейтронов ядер­ ного реактора занимает диапазон 0,1 ... 14 МэВ при средней энергии

1,5... 2МэВ.

При расчетах полного числа смещений обычно полагают, что все нейтроны обладают одной энергией, равной средней. Вклад нейтронов в диапазоне более 2 МэВ незначителен, и им пренебрегают. Из-за высо­ кой проникающей способности быстрых нейтронов в веществах со

средним атомным весом распределение дефектов по объему кристалла

является равномерным.

Темовые нейтроны (энергия 0,5 эВ и менее), имеющиеся в спектре реак­

торного излучения, хотя и приводят к ядерным превращениям, которые

по с:воему действию подобны своеобразным легирующим примесям, вы­ зывают меньшее число структурных дефектов по сравнению с быстрыми.

Протоны при взаимодействии с веществом теряют кинетическую

энергию за счет упругих и неупругих столкновений с атомами. Упру­

гое рассеяние преобладает при энергии протонов менее 50 МэВ. Если энергия протонов более 50 МэВ, то необходимо учитывать как упругое,

так и неупругое рассеяние.

Расчеты показывают, что протоны с энергией Епр = 2,5 МэВ переда­

ют при однократном столкновении с атомами кремни.я и германия от­

носительно небольшую энергию (Еа. ер "" 130 эВ) по сравнению с нейт­

ронным облучением (Еа. ер= 100 кэВ для Si и Еа. ер= 40 кэВ для Ge при

энергии нейтронов Ен = 1,5 МэВ), что свидетельствует о возможности

создания большого числа первично смещенных атомов при передаче бы­

стрыми протонами небольших порций энергии атомам решетки. По

сравнению с нейтронами, которые рассеиваются на .ядрах, протоны рас­ сеиваются в результате кулоновских взаимодействий как с электронны­ ми оболочками атомов, так и с .ядрами, что приводит к формированию большого числа дефектов.

Электроны при взаимодействии с веществом чаще всего испытывают неупругое рассеяние, вызывающее ионизацию атомов. Однако нар.яду с

этим определяющим процессом·некоторую роль может играть упругое

рассеяние, приводящее к смещению атомов в междуузли.я. Сказанное о характере взаимодействия: нейтронов и заряженных частиц с атомами и

ядрами хорошо иллюстрируется данными, приведенными в табл. 23.1.