Оценка уровней сбоев в электронных изделиях с учетом деградации их характеристик

В. В. ГОНТАРЬ1, А. В. СОГОЯН2, А. И. ЧУМАКОВ2

1Центральный физико-технический институт, Сергиев Посад,

2ЭНПО "Специализированные электронные системы, Москва

оценка уровней сбоев в электронных изделиях с учетом деградации их характеристик

Предлагается расчетная методика оценки изменений уровней сбоев электронных изделий при воздействии импульсного ионизирующего излучения с учетом деградации их электрических характеристик, вызванных эффектами суммарной накопленной дозы. Методика базируется на совместном использовании пакетов физико-топологического и схемотехнического моделирования.

Многие электронные устройства электрофизических установок функционируют в условиях постоянного действия полей ионизирующего излучения (ИИ). При этом представляет несомненный интерес вопрос, связанный с оценкой изменений уровней сбоев и отказов электронных изделий из-за действия объемных ионизационных эффектов в процессе длительной эксплуатации, т. е. с учетом возможной деградации их характеристик по мере накопления суммарной дозы ИИ.

Моделирование влияние предварительного облучения на характеристики переходной ионизационной реакции электронных изделий в работе проводилось в два этапа. На первом этапе производилась оценка характеристик импульсов ионизационного тока при изменении электрофизических параметров в простейших полупроводниковых элементах (диодной структуре, биполярном транзисторе, МОП-структуре) с помощью двумерной численной системы схемотопологического моделирования «DIODE-2». Было выявлено, что изменение скорости поверхностной рекомбинации, а также величины поверхностного потенциала не приводит к заметному изменению формы импульса ионизационного тока. Результаты этих расчетов записывались в специальный файл, описывающий генераторы ионизационного тока.

На втором этапе с помощью системы схемотехнического моделирования «P-SPICE» осуществлялось моделирование электрических характеристик электронного изделия с учетом как деградации входящих в него элементов, так и полученных результатов расчетов по моделированию ионизационного тока в полупроводниковых структурах.

Результаты численного моделирования выходной реакции КМОП инвертора при различных сдвигах пороговых напряжений приведены на рисунке при разных входных логических уровнях. Нетрудно заметить, что наиболее заметный эффект имеет место при закрытом n-канальном транзисторе. В этом случае приращения выходных напряжений отличаются почти в 2 раза при изменении пороговых напряжений в указанных пределах. Для открытого ключа эти изменения составляют всего 30%. Эти различия объясняются, в первую очередь, разными величинами в сдвигах пороговых напряжений n - и p-канальных МОП транзисторов по мере набора суммарной дозы ИИ.

Рис. Изменения выходного напряжения U1вых (а) и U0вых (б) КМОП инвертора при разных значениях пороговых напряжений и воздействии ИИИ с одинаковой мощностью дозы ИИ

Следует отметить, что хотя открытые и закрытые транзисторы имеют практически равные исходные чувствительности к воздействию импульса ИИ, по мере увеличения суммарной дозы стационарного облучения (при уменьшении порогового напряжения n-канального транзистора и одновременном увеличении порогового напряжения p-канального транзистора) чувствительность открытого транзистора падает. Подобные результаты получились и при моделировании других электронных изделий.

В результате проведенных исследований было показано, что для большинства электронной изделий уровень сбоев не ухудшается по мере накопления дозы от воздействия стационарного ИИ. Только для электронных узлов, имеющих в своем составе закрытые n-канальные транзисторы, уровень стойкости может снизиться не более чем в 2 раза из-за уменьшения уровня помехоустойчивости. Эти выводы были подтверждены результатами экспериментальных исследований.