Современная электроника №2/2020

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2020 Воздействие радиационных факторов на полупроводниковые компоненты силовой электроники Часть 1 При эксплуатации в космических и военных системах силовые полупроводниковые устройства подвергаются воздействию разнообразных источников радиации. В статье рассматриваются общие вопросы воздействия радиоактивного излучения на полупроводниковые приборы и представлены наиболее популярные радиационно-стойкие компоненты для применения в источниках питания специальной техники подразделения компании Infineon Technologies AG – International Rectifier HiRel Products, доступные для свободного экспорта в Россию. Виктор Безродный (Москва) Выбор силовых полупроводнико- вых устройств для применения в кос- мических и военных системах, кото- рые будут подвергаться воздействию ионизирующих излучений, является сложной задачей вследствие обшир- ного ряда радиационных факторов и особенностей применений в сило- вых устройствах. В некоторых слу- чаях будет достаточно применения устройств без специфицированных показателей радиационной стойко- сти, в других ситуациях потребуют- ся радиационно-стойкие устройства. Задача выбора компонентов ослож- няется отсутствием для большинства выпускаемых промышленных прибо- ров, используемых в военных встраи- ваемых системах, доступных данных, связанных с эксплуатацией в радиоак- тивных условиях. Более того, стойкость силовых устройств к радиации может быть снижена изменением процесса или конструкции при их производстве, что не влияет на их функционирование в обычной обстановке. Силовые компоненты являются важ- ными для любой электронной системы. Некоторые эффекты, вызванные воз- действием радиации, являются про- стым параметрическим смещением, таким как смещение пороговых зна- чений (порогов) при суммарной нако- пленной дозе радиации. Другие воздей- ствия являются в большей степени ката- строфическими, такие как одиночный эффект пробоя подзатворного диэлек- трика в МДП-структурах (Single Event Gate Rapture, SEGR) или одиночный эффект вторичного пробоя в мощ- ных МДП-транзисторах (Single Event Burnout, SEB). Для предотвращения таких эффектов требуется применение схем резервирования в силовой части системы и дополнительные силовые компоненты для переключения между альтернативными силовыми трактами. Надёжное функционирование элек- тронных систем может потребоваться в различных типах радиационного окру- жения – от спутников на низких или высоких орбитах до военных систем, которые должны быть способными выдерживать выбросы гамма лучей или нейтронов. Э ФФЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СИЛОВЫЕ УСТРОЙСТВА Существует несколько различных видов ионизирующих излучений, каж- дый из которых отличается воздействи- ем на полупроводниковые устройства. Эти виды радиации включают высоко- энергетичные фотоны (рентгеновское и гамма-излучение), нейтроны (высо- коэнергетичные и тепловые) и высоко- энергетичные частицы (субатомные и атомные). Каждый тип излучения вно- сит свой вклад в суммарную накоплен- ную дозу (Total Ionizing Dose, TID), кото- рая определяет энергию, поглощаемую материалами электронных устройств. Из определения следует, что ионизи- рующее излучение имеет достаточную энергию для выбивания электронов из атомов. В материалах это приводит к тому, что разрушаются химические свя- зи, и атомы покидают свои нормальные положения в кристаллической решётке. Нарушение химической связи порож- дает два вида эффектов: постоянные заряды в диэлектриках и ловушки на границах раздела (поверхностные ловушки) в полупроводниковой изо- лирующей поверхности раздела. Сме- щение атомов из устойчивых положе- ний в кристаллической решётке приво- дит к появлению центров генерации/ рекомбинации в полупроводниковых приборах. Накопление объёмного заряда в под- затворном диэлектрике служит причи- ной смещений порогового напряжения мощных MOSFET-транзисторов. Во всех силовых устройствах это может также быть причиной изменений блокирую- щего напряжения (напряжения про- боя) вследствие изменений распреде- ления поля в соединении перехода. Поверхностные ловушки являют- ся причиной смещений в пороговом напряжении и уменьшения коэффи- циента усиления и уровня нагрузки по току стока MOSFET-транзистора. Поверхностные ловушки также при- водят к повышению сопротивления открытого канала R DS (ON) . Смещение атомов из устойчивых положений в кристаллической решёт- ке создаёт центры генерирования/ рекомбинации. Этот дефект смещения, в свою очередь, приводит к уменьше- нию коэффициента усиления биполяр- ных устройств и повышению тока утеч- ки всех обратно смещённых переходов. Силовые устройства в большей степе- ни подвержены данным эффектам, чем низковольтные устройства, вследствие больших площадей их переходов.