Способ определения радиационного ресурса приборов Российский патент 2024 года по МПК G01T3/08 G01T1/24 

Предлагаемое изобретение относится к области твердотельной электроники, микроэлектроники, а именно к способам контроля радиационных воздействий с использованием p-i-n диода и датчиков температуры.

Предлагаемое изобретение предназначено для контроля радиационного ресурса приборов оборудования, функционирующего в полях ионизирующих излучений, с использованием p-i-n преобразователя путем определения накопленного уровня радиационных воздействий для предотвращения отказов. Диод на основе p-i-n структуры является в данном случае детектором ионизирующих излучений.

Под радиационным ресурсом приборов принят максимальный уровень ионизирующего излучения, накапливаемого в течение времени, после воздействия которого параметры приборов сохраняют работоспособное состояние. То есть, это способность приборов сохранять в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах при определенном уровне ионизирующего излучения, накопившегося со временем.

Применение p-i-n детектора в качестве чувствительного элемента дозиметров ионизирующих излучения достаточно широко известно, например [1]. Недостатком предлагаемого способа является отсутствие указания на контролируемый параметр, чувствительный к радиационному воздействию.

В [2] представлен способ радиационного технического контроля и радиационного мониторинга с помощью матричного p-i-n диодного преобразователя с разной толщиной базы. Чувствительность к воздействию облучения определяется величиной изменения падения напряжения на p-i-n диодах с разной толщиной базы матрицы преобразователя при выбранном значении тока. Недостатком такого способа преобразования ионизирующего излучения в электрический сигнал является отсутствие учета влияния температур, что снижает точность преобразования.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ анализа полей ионизирующих излучений [3], при котором рядом с транзисторами, используемыми в качестве датчиков излучения, размещают термопары для повышения точности определения уровня радиационных воздействий. Недостатком такого способа является применение для считывания информации с транзисторов и термопар электрической схемы с вычислительным устройством, что снижает надежность получения информации.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является определение радиационного ресурса приборов при функционировании в полях ионизирующих излучений, для предотвращения неконтролируемых отказов и обеспечения безотказной эксплуатации в полях ионизирующих излучений.

Как известно полупроводники являются более чувствительными к уровню радиационных воздействий, чем остальные компоненты ЭРИ (стекла и другие диэлектрики, металл) [4]. Поэтому ограниченной радиационной стойкостью характеризуется, как правило, полупроводниковые приборы и оборудование, содержащее полупроводниковые приборы.

В настоящее время основная часть фактически всех электронных комплектующих состоит из полупроводников.

Некоторые полупроводниковые приборы сконструированы для применения в полях ионизирующих излучений и имеют повышенную радиационную стойкость. Для некоторых полупроводниковых приборов подтверждена радиационная стойкость к определенным уровням воздействующих ионизирующих излучений. Но, перечень таких приборов ограничен, и большинство полупроводниковых приборов обладают недостаточной (ограниченной) радиационной стойкостью, как и оборудование на их основе.

Указанный технический результат достигается за счет того, что p-i-n-диод и датчик температуры, монтируют в оборудование, предназначенное для работы в полях ионизирующих излучений. Диод на основе p-i-n структуры является в данном случае детектором ионизирующих излучений.

P-i-n - диод и датчик температуры устанавливают в местах размещения полупроводниковых приборов, так чтобы никакие изделия и элементы конструкции оборудования не являлись экранами между полупроводниковыми приборами и p-i-n-диодом с датчиком температуры при распространении ионизирующих излучений.

P-i-n - диод и датчик температуры могут быть выполнены в виде сборки, например, в едином корпусе.

В процессе эксплуатации оборудования в полях ионизирующих излучений производится контроль (мониторинг) электрических параметров p-i-n-диода и контроль температуры с помощью теплового элемента. Мониторинг может проводиться в реальном времени, с заданной периодичностью или по завершению установленного этапа работы или перед началом использования облученного оборудования в зависимости от конкретного применения оборудования.

Сначала определяют плотность прямого тока p-i-n диода от напряжения до радиационных воздействий, затем регистрируют плотность прямого тока p-i-n диода с увеличением уровня ионизирующих излучений. Затем фиксируют уровень ионизирующих излучений, при котором плотность прямого тока диода равна расчетному значению прямого тока p-i-n диода при температуре проведения измерений по соотношению (1) и считают этот уровень критерием уменьшения ресурса приборов, с ограниченной радиационной стойкостью, требующим их замены для обеспечения безотказной работы изделия.

На прямой ветви ВАХ всегда можно определяется точку, где:

Это значит, что:

в точке по соотношению (1).

Согласно (1) прямое падение напряжения на диоде при облучении не меняется.

Согласно предлагаемому способу соотношение (1) предложено использовать в качестве критерия, при котором обеспечивается безотказная и безопасная работа в полях ионизирующих излучений.

При разработке предлагаемого способа применяются принципы, изложенные, например, в [5].

Полное падение напряжения при постоянной плотности прямого тока j_пр=const равно [5]:

где

U_pi; U_in - падение напряжения на переходах p-i и i-n диода,

U_б - падение напряжения на i- области диода,

U_к - падение напряжения на приконтактных областях.

Падение напряжения на переходах и i- области диода согласно [5] составляет:

ρ=1/σ

U_к можно считать величиной постоянной.

Можно считать U_pi=U_in.

Так как время жизни при облучении падает, то скорость уменьшения напряжения открытия перехода составляет:

Соотношение (6) позволяет учитывать влияние температуры.

Согласно (5) с увеличением флюенса потоков частиц ионизирующего излучения напряжение на р-n переходе будет снижаться, так как время жизни будет снижаться. При этом падение напряжение на базе будет увеличиваться. Однако скорость роста U_б при облучении всегда выше скорости всегда выше скорости снижения напряжения перехода, поэтому при определенных Ф наблюдается рост U_пр с облучением, что подтверждается экспериментально [5]. Этот факт наглядно продемонстрирован на фиг. 1 [6].

Поэтому за критерий радиационной стойкости приборов принимается начало увеличения U_пр с облучением, а точку начала увеличения U_пр с увеличением уровня радиационных воздействий за точку уменьшения радиационного ресурса приборов с ограниченной радиационной стойкостью.

Так как время жизни носителей заряда больше, чем удельное сопротивление чувствительно к воздействию излучения [5], то соотношение (1) свидетельствует об уменьшении радиационного ресурса приборов с ограниченной радиационной стойкостью, что может приводить к неконтролируемым отказам оборудования.

Положение точки, определяемой соотношением (2) можно найти из выражения:

где

σ - удельное сопротивление материала i-области,

1≤m≤2, 0≤М≤1 - постоянные, определяемые уровнем инжекции и конструкцией p-i-n диода,

τ - время жизни неосновных носителей заряда,

K_τ - коэффициент радиационного изменения времени жизни,

Т - температура окружающей среды,

k - постоянная Больцмана,

q - заряд электрона,

W_б - толщина i-области,

Ф - флюенс частиц ионизирующего излучения.

При j_пр<j⁰_пр напряжение U_пр при облучении уменьшается, а при j_пр>j⁰_пр - растет, причем j⁰_пр будет тем ниже, чем больше ρ₀ и W_б.

В связи с тем, что скорость роста U_б при облучении всегда выше скорости снижения U_pn, при определенных значениях Ф должен наблюдаться U_пр с облучением.

Соотношение j⁰_пр≤j_{пр экс} свидетельствует о введении в полупроводниковые структуры количества радиационных дефектов, приводящих к значительной деградации приборов.

Именно точку j⁰_пр=j_{пр экс} предлагается выбирать за точку критического уменьшения радиационного ресурса приборов с ограниченной радиационной стойкостью для предотвращения неконтролируемых отказов оборудования при работе в полях ионизирующих излучений.

То есть, при плотности прямого тока p-i-n диода большей или равной значению, определенному по соотношению (7) считается, что ресурс приборов с ограниченной радиационной стойкостью исчерпан.

Для реализации предлагаемого способа получают расчетный и экспериментальный массив данных прямой вольт-амперной характеристики применяемого p-i-n диода до радиационных воздействий и с их увеличением с учетом рабочих температур.

Затем фиксируют уровень ионизирующих излучений, при котором изменение прямого напряжения p-i-n диода перестает уменьшаться и начинает расти.

Затем уточняют указанный уровень ионизирующих излучений значение прямого напряжения с помощью ВАХ, учитывая, что этой точке соответствует плотность прямого тока p-i-n диода, определяемая по соотношению (7).

Считают эти параметры критерием уменьшения ресурса приборов, с ограниченной радиационной стойкостью, требующим их замены для обеспечения безотказной работы оборудования.

По результатам производиться заблаговременная браковка и замена узлов оборудования.

Основным преимуществом данного детектора является его малые размеры и технологичность схемы, обеспечивающая точность и надежность работы радиационной диагностики.

Также преимуществом p-i-n диода для предлагаемого способа является то, что при прямом напряжении смещения одновременно происходит инжекция дырок из р-области и электронов из n в i-область.

Толщина базы p-i-n диода может составлять до 1 мм включительно. Это повышает чувствительность при небольших габаритных размерах детектора [3].

Для учета и коррекции температурной зависимости используют элемент, позволяющий вести контроль за изменением температуры с высокой точностью.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение безотказной эксплуатации приборов, недостаточной (ограниченной) радиационной стойкостью и как результат, оборудования, содержащего такие приборы, при работе в полях ионизирующих излучений.

Подписи к чертежу

чертеж - изменение вольт-амперной характеристики кремниевого диода

1 - до облучения

2 - после облучения Ф_n=10¹⁴ см^-2

Источники известности

1. Патент RU 2390800 16.04.2008 G01T 3/00

2. Патент RU 2231809 01.07.2002 G01T 3/08; G01T 1/24

3. Патент RU 2650810 27.03.2017 G01T 3/00

4. Л.О. Мырова, А.З. Чепиженко. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям. М., Радио и связь, 297 с.

5. Ладыгин Е.А. Радиационная технология твердотельных электронных приборов. М.: ЦНИИ «Электроника», 1976, 345 с.

6. Заитов Ф.А. Радиационная стойкость в оптоэлектронике. М.:Воениздат,1987, 166 с.

Настоящее техническое решение относится к определению радиационного ресурса приборов. Технический результат заключается в определении радиационного ресурса приборов при функционировании в полях ионизирующих излучений, для предотвращения неконтролируемых отказов и обеспечения безотказной эксплуатации в полях ионизирующих излучений. Технический результат достигается за счёт того, что сначала определяют плотность прямого тока p-i-n-диода от напряжения до радиационных воздействий, затем регистрируют плотность прямого тока p-i-n-диода с увеличением уровня ионизирующих излучений, фиксируют уровень ионизирующих излучений, при котором прямое напряжение, соответствующее плотности прямого тока p-i-n-диода j⁰_пр, определяемой выражением (2⋅m⋅k⋅T⋅M⋅τ⋅K_τ⋅σ²)/(q⋅W_б⋅(dσ/dФ)), перестает уменьшаться и фиксируется его рост, и выбирают это значение критерием уменьшения ресурса приборов, требующим их замены для обеспечения безотказной работы оборудования. 1 ил.

Способ определения радиационного ресурса приборов при функционировании в полях ионизирующих излучений, заключающийся в том, что в местах размещения приборов устанавливают p-i-n-диод и датчик температуры, производят контроль электрических параметров p-i-n-диода и температуры окружающей среды, отличающийся тем, что сначала определяют плотность прямого тока p-i-n-диода от напряжения до радиационных воздействий, затем регистрируют плотность прямого тока p-i-n-диода с увеличением уровня ионизирующих излучений, фиксируют уровень ионизирующих излучений, при котором прямое напряжение, соответствующее плотности прямого тока p-i-n-диода j⁰_пр, определяемой выражением (2⋅m⋅k⋅T⋅M⋅τ⋅K_τ⋅σ²)/(q⋅W_б⋅(dσ/dФ)), перестает уменьшаться и фиксируется его рост, и выбирают это значение критерием уменьшения ресурса приборов, требующим их замены для обеспечения безотказной работы оборудования.