Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»
Факультет Электроники и телекоммуникаций
Программа дисциплины « Радиационная стойкость изделий электронной техники»
для специальности 210104.65 «Микроэлектроника и твёрдотельная электроника» подготовки специалиста
Автор программы: доцент Э. Н.Вологдин *****@***ru
доцент, к. т.н. Л. С.Мироненко *****@***ru
Одобрена на заседании кафедры "Электроника и наноэлектроника"«___»_________2012
Зав. кафедрой ______________К. О. Петросянц
Рекомендована секцией УМС «Электроника» «___»_________ 2012 г.
Председатель __________________________
Утверждена УС факультета Электроники и телекоммуникаций «___»__________2012 г.
Ученый секретарь________________________
Москва, 2012
1. Цели и задачи дисциплины:
Целью дисциплины "Радиационная стойкость изделий электронной техники" являются формирование научной основы для осознанного и целенаправленного использования полученных знаний при создании радиационно стойких элементов, приборов и устройств микроэлектроники. Задачами курса служат расширение научного кругозора и эрудиции студентов на базе изучения физических процессов, происходящих в полупроводниковых материалах и полупроводниковых приборах при воздействии проникающей радиации, а также с основными принципами создания полупроводниковых приборов и интегральных микросхем с повышенной радиационной стойкостью.
Задачи дисциплины состоят в:
· формировании теоретического понимания и получения навыков применения физических законов при взаимодействии радиационных излучений различной физической природы с полупроводниками
· приобретении навыков расчета последствий воздействия проникающей радиации на полупроводниковые приборы как элементы интегральных схем и выбором изделий электронной техники с повышенной радиационной стойкостью для комплектации радиоэлектронной аппаратуры.
· ознакомлении с современным научно-техническим уровнем развития радиационной физики и с основными проблемами, связанными с радиационной стойкостью изделий в различных областях техники
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина " Радиационная стойкость изделий электронной техники " относится к базовой части Профессионального цикла (Б.3).
Дисциплина требует наличия у студента знаний, умений и навыков, полученных в ходе изучения дисциплин "Физика" (2-4 семестры), "Материалы электронной техники" (3,4 семестры), "Физика конденсированного состояния"(4семестр), «Физические основы электроники» (5семестр), "Твёрдотельная электроника"(6семестр). Для изучения дисциплины студент должен обладать следующими компетенциями:
· ОК-10 – Способность использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования.
· ПК-1 – Способность представлять адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики.
· ПК-2 – Способность использовать знания о современной физической картине мира, строении вещества для понимания окружающего мира и явлений природы
· ПК-3- Способность использовать знания о строении вещества, природе сил связи в различных классах химических соединений для понимания свойств материалов и механизма химических процессов, протекающих в окружающем мире
· ПК-18 – Способность собирать, анализировать и систематизировать отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области электроники
· ПК-21 – Готовность анализировать и систематизировать результаты исследований, представлять материалы в виде научных отчетов, публикаций, презентаций.
Дисциплина " Радиационная стойкость изделий электронной техники "
· имеет междисциплинарные связи с дисциплинами "Физика полупроводников", "Физика конденсированного состояния", "Материалы электронной техники", «Физические основы электроники», «Твёрдотельная электроника» и изучается в 7 и 8 семестрах.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
- способность собирать, анализировать и систематизировать отечественную и зарубежную научно-техническую информацию по тематике исследования в области электроники (ПК-18)
- способность строить простейшие физические модели приборов, устройств электроники различного функционального назначения, а также использовать стандартные программные средства их компьютерного моделирования (ПК-19)
- способность аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик приборов, устройств электроники различного функционального назначения (ПК-20)
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать: физические характеристики корпускулярных и квантовых излучений, физические основы взаимодействия излучений с веществом, физическую природу явлений, происходящих в различных классах полупроводниковых приборов при воздействии излучений ядерного взрыва, ядерных установок и космического пространства;
Уметь: применять полученные знания при теоретическом анализе, выполнять расчёты характеристик радиационных эффектов для простых полупроводниковых структур, моделировать физические процессы воздействия проникающей радиации на полупроводниковые приборы как элементы интегральных схем ;
Владеть: методикой оценки «слабого звена» в составе электронной аппаратуры, определения пороговых значений радиационных воздействий.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы | Всего часов / зачетных единиц | семестры | |
7 | 8 | ||
Аудиторные занятия (всего) | 102 | 34 | 68 |
Лекции | 68 | 34 | 34 |
Практические занятия (ПЗ) | 34 | 0 | 34 |
Самостоятельная работа (всего) | 65 | ||
Контрольная работа 1к. р. | 20 | 20 | |
Домашняя работа 3 д. з. | 45 | 45 | |
Общая трудоёмкость | 167 | 54 | 113 |
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1. | Введение. Виды радиационной обстановки | Природа проникающих излучений при ядерном взрыве, в ядерных установках, в космическом пространстве. Характеристики излучений– диапазон энергий, длительность, интегральные потоки, дозы излучения, мощность дозы. |
2. | Процессы образования радиационных центров в твёрдых телах
| Взаимодействие проникающих излучений с твёрдым телом. Основные понятия. Первичные эффекты при облучении нейтронами. Взаимодействие протонов с веществом. Взаимодействие электронов с веществом. Процессы взаимодействия гамма-квантов с полупроводниками: образование комптоновских электронов, фотоэлектронов, электронно-позитронных пар. Ионизационные потери энергии заряженных частиц. Смещение атомов в твердых телах при воздействии излучений. Пороговая энергия смещения атома из узла кристаллической решетки. Создание первичных и вторичных смещений. Пороговая энергия ионизации. Каскадная функция. Оценка полного количества смещений при различных видах излучений. Распределение дефектов при различных видах излучений. Возникновение примесных атомов в материалах за счет ядерных реакций. Реальная структура радиационных дефектов в кристаллах. Структурные комплексы в кремнии, образующиеся с участием вакансий. Структурные преобразования в облученном кремнии с участием междоузельных атомов. Проявление примеси. Аннигиляция вакансий и междоузлий и отжиг радиационных дефектов. Групповые радиационные дефекты. Радиационные дефекты в арсениде галлия и германии. |
3. | Влияние облучения на основные электрофизические параметры полупроводников
| Изменение концентрации основных носителей заряда в кремнии n – типа при облучении. Влияние облучения на концентрацию свободных носителей в кремнии p - типа. Влияние облучения на подвижность свободных носителей заряда в кремнии. Влияние облучения на время жизни неравновесных носителей заряда. Влияние кислорода на изменение концентрации электронов в кремнии при образовании разупорядоченных областей. Изменение подвижности в материале, содержащем разупорядоченные области. Влияние разупорядоченных областей на время жизни неосновных носителей заряда. Релаксационные процессы в полупроводниковых материалах при импульсном облучении. Радиационное изменение концентрации свободных носителей заряда в кремнии арсениде галлия, германии. Радиационное изменение подвижности основных носителей заряда в кремнии, арсениде галлия, германии. Изменение времени жизни неравновесных носителей заряда при облучении. |
4. | Радиационные эффекты в полупроводниковых приборах
| Радиационные эффекты в полупроводниковых диодах . Изменение параметров выпрямительных диодов при облучении. Радиационные эффекты в pn - переходах. Радиационные эффекты в туннельных диодах. Радиационные эффекты в излучательных диодах. Радиационные эффекты в биполярных транзисторах. Влияние радиационного воздействия, создающего необратимые структурные дефекты, на коэффициент передачи тока транзистора. Влияние радиации на статический коэффициент передачи тока транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Изменение с облучением рекомбинационных потерь в активной базе, в пассивной базе, в эмиттере, в слое объемного заряда эмиттерного перехода, на поверхности прибора. Влияние радиации на дифференциальный коэффициент передачи тока транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Радиационные эффекты в биполярных транзисторах при больших плотностях тока. Радиационная стойкость транзисторов, работающих в ключевом режиме. Влияние радиации на обратный ток коллектора. Радиационные эффекты в биполярных транзисторах, обусловленные ядерными реакциями. Радиационные переходные процессы в биполярных транзисторах. Быстрый отжиг. Классификация радиационных дефектов в биполярных транзисторах. Радиационные эффекты в полевых транзисторах. Влияние радиации на работу полевых транзисторов с управляющим pn – переходом. Радиационно-чувствительные параметры полевых транзисторов с pn - переходом и закономерности их изменения при воздействии излучения. Технические направления по созданию полевых транзисторов с pn - переходом с повышенной радиационной стойкостью. Радиационные эффекты в полевых транзисторах с барьером Шоттки. Влияние проникающей радиации на характеристики МДП – транзисторов. Влияние радиации на структуру Ме – SiO – Si. Влияние ионизирующих излучений на параметры МДП – транзисторов. Технологические методы повышения радиационной стойкости МДП - приборов. Радиационные эффекты в других классах полупроводниковых приборов. Радиационные эффекты в солнечных батареях Радиационные эффекты в тиристорах. |
5. | Радиационная стойкость интегральных микросхем | Радиационные эффекты в микросхемах, обусловленные изменением параметров активных и пассивных элементов схем. Сбои в работе микросхем. Технические направления создания ИМС с повышенной радиационной стойкостью. Методы испытаний изделий электронной техники на радиационную стойкость. Экспериментальные установки, моделирующие воздействие проникающей радиации на ИЭТ. Ускоренные методы испытаний. Роль расчетных методов в определении радиационной стойкости ИЭТ. Сравнительная оценка радиационной стойкости ИЭТ. Использование схемотехнических, системных и конструктивных методов при создании радиационно стойких изделий электронной техники. |
5.2. Разделы дисциплин и виды занятий
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Лекц. | Практ. зан. | Лаб. зан. | СРС | Все-го |
1. | Введение. Виды радиационной обстановки | 2 | - | - | 2 | 4 |
2. | Процессы образования радиационных центров в твёрдых телах | 18 | - | - | 17 | 35 |
3. | Влияние облучения на основные электрофизические параметры полупроводников | 16 | - | 18 | 17 | 51 |
4. | Радиационные эффекты в полупроводниковых приборах | 26 | 26 | - | 30 | 82 |
5. | Радиационная стойкость интегральных микросхем | 10 | 10 | - | 6 | 26 |
6. Лабораторный практикум
Раздел 3. Лабораторные занятия 18час
1. Исследование радиационной стойкости биполярных транзисторов
2. Исследование радиационной стойкости полевых транзисторов с управляющим pn-переходом
3. Исследование радиационной стойкости МДП-транзисторов
7. Примерная тематика курсовых работ: Курсовая работа включает расчет изменений коэффициента передачи тока биполярного транзистора в реальной радиационной обстановке и оценки длительности работы прибора в условиях воздействия космической радиации или расчет расстояния от эпицентра ядерного взрыва, на котором сохраняется работоспособность транзистора.
8. Практические занятия:
Раздел 4. Тематика практических занятий. Трудоёмкость 26 час
- изменение параметров выпрямительных диодов при облучении
- радиационные эффекты в туннельных диодах
- влияние радиации на статический коэффициент передачи тока транзистора,
включённого по схеме с общим эмиттером
- влияние радиации на дифференциальный коэффициент передачи тока транзистора,
включённого по схеме с общим эмиттером
- радиационные эффекты в биполярных транзисторах при больших плотностях тока
- радиационная стойкость биполярных транзисторов, работающих в ключевых режимах
- классификация радиационных дефектов в биполярных транзисторах
-радиационные переходные процессы в биполярных транзисторах
- радиационно-чувствительные параметры полевых транзисторов с управляющим pn –
переходом
- радиационные эффекты в полевых транзисторах с барьером Шоттки
- влияние радиации на структуру Ме-SiO-Si.
- влияние ионизирующих излучений на параметры МДП-приборов
- радиационные эффекты в солнечных батареях
Раздел 5. Тематика практических занятий. Трудоёмкость 10час
- радиационные эффекты в микросхемах, обусловленные изменением параметров
активных и пассивных элементов схем
- технические направления создания ИМС с повышенной радиационной стойкостью
- методы испытаний изделий электроннй техники на радиационную стойкость
- расчётные методы в определении радиационной стойкости ИЭТ
- схемотехнические, системные, конструктивные методы при создании радиационно
стойких изделий электронной техники
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература:
1. Н., П. Интегральные радиационные изменения параметров полупроводниковых материалов. Учебное пособие. МИЭМ, М,,2003г.
2. Н., П. Радиационная стойкость биполярных транзисторов
Учебное пособие. МИЭМ, М,.2004г.
3. Н., С., Радиационные эффекты в полевых транзисторах. Учебное пособие. МИЭМ, М., 1999г
4. Н., П. Радиационные эффекты в некоторых классах полупроводниковых приборов. Учебное пособие. МИЭМ, М., 2005г.
5. Расчет радиационной стойкости биполярного бездрейфового транзистора. Методические указания к выполнению курсовой работы. МИЭМ., М., 2005г.
б) дополнительная литература:
1. Действие проникающей радиации на изделия электронной техники.
Под ред. А., Москва, «Советское радио», 1980г.
- Системные программные средства: Microsoft Windows XP
- Прикладные программные средства Microsoft Office 2007 Pro, FireFox
- Интернет-браузер Internet Explorer или Mozilla Firefox для проведения семинаров по материалам соответствующих разделов курса
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы: не используются
д) рекомендуемая литература для самостоятельной работы
1. С. «Физические процессы в облучённых полупроводниках и полупроводниковых приборах». Изд. Наука Новосибирск 1990г
е) учебно-методические материалы
Методические указания и комментарии к лабораторным работам:
-«Исследование радиационной стойкости биполярных транзисторов»,
-«Исследование радиационной стойкости полевых транзисторов с
управляющим pn-переходом»,
-«Исследование радиационной стойкости МДП – транзисторов», МИЭМ
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины: Универсальный лабораторный стенд для выполнения лабораторных работ
10. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
В интерактивных формах проводятся 16 часов практических занятий. В качестве оценочного средства для текущего контроля успеваемости проводится написание студентами коротких контрольных работ по основам пройденного на лекциях теоретического материала с последующим обсуждением, которое проходит в форме конференции. Это позволит выделить главные физические принципы рассматриваемых явлений, обсудить физическую сущность явлений и процессов в системах с пониженной размерностью. Активность, правильность высказываемых мнений, способность логического объяснения материала учитываются при выставлении оценки контрольных работ.
Авторы программы Н., С.
Основные порталы (построено редакторами)