Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные средства проведения радиационных испытаний ис и системы контроля параметров воздействия 11
1.1. Средства проведения радиационных испытаний 12
1.2. Моделирующие установки и средства контроля их характеристик 15
1.3. Радиационные испытания с использованием рентгеновских имитаторов 19
1.3.1. Основные требования к рентгеновским имитаторам 21
1.3.2. Рентгеновский имитатор "РЕИС-ИМ" 22
1.3.3. Перспективы развития рентгеновских имитаторов 24
1.4. Радиационные испытания с использованием лазерных имитаторов 25
1.4.1. Основные требования к лазерным имитаторам 26
1.4.2. Лазерный имитатор."Радон-5М" 27
1.4.3. Направления развития лазерных имитаторов 30
1.5. Применение изотопных имитаторов для радиационных испытаний 31
1.5.1. Основные требования к изотопным имитаторам 31
1.5.2. Макет изотопного имитатора 33
ГЛАВА 2. Состав и требования к средствам проведения имитационных испытаний ис на радиационную стойкость 36
2.1. Требования к аппаратно-программным средствам контроля .характеристик воздействия при имитационных испытаниях 37
2.2. Состав аппаратно-программных средств контроля характеристик воздействия 39
2.3. Требования к средствам оперативного контроля характеристик полей 45
2.3.1. Методы и средства регистрации рентгеновского излучения . 46
2.3.2. Методы и средства регистрации лазерного излучения 52
2.4. Расчетно-экспериментальное моделирование параметров детектора на основе p-i-n диода 54
2.4.1. Определение критических параметров p-i-n диода при регистрации рентгеновского излучения 55
2.4.2. Определение критических параметров р-і-п диода при регистрации лазерного излучения 60
2.5. Исследование возможности использования алмазного детектора для контроля излучения рентгеновского имитатора 69
ГЛАВА 3. Методы и средства контроля характеристик рентгеновских имитаторов 81
3.1. Требования к техническим средствам контроля воздействия рентгеновских имитаторов 81
3.2. Исследование спектральных характеристик полей излучения рентгеновского имитатора 83
3.3. Оценка влияния мягкой компоненты спектрального состава рентгеновского излучения 95
3.4. Аппаратно-программные средства контроля характеристик рентгеновских имитаторов 98
3.4.1. Особенности схемы измерения реакции р-і-п диода 98
3.4.2. Особенности схемы измерения реакции алмазного детектора 106
3.4.3. Аппаратно-программный комплекс для автоматизированного измерения пространственной неравномерности поля рентгеновского имитатора "РЕИС-ИМ" 108
3.5. Результаты измерений основных характеристик воздействия рентгеновского имитатора "РЕИС-ИМ" ПО
3.5.1. Измерение пространственной неравномерности поля излучения 110
3.5.2. Измерение нестабильности мощности излучения в процессе непрерывной работы 112
3.6. Методика дозиметрического сопровождения рентгеновских испытаний 117
3.7. Принципы построения системы управления рентгеновскими имитаторами 119
ГЛАВА 4. Методы и средства контроля характеристик лазерных имитаторов 124
4.1. Требования к техническим средствам контроля воздействия лазерных имитаторов 124
4.2. Аппаратно-программные средства контроля 126
4.2.1. Особенности схемы регистрации импульсной реакции р-г-п диода 126
4.2.2. Устройство запоминания импульсов 129
4.2.3. Устройство регистрации видеосигнала 134
4.3. Аппаратно-программные средства для автоматизированного измерения пространственной неравномерности поля лазерного имитатора "Радон-5М" 137
4.4. Результаты исследований основных характеристик воздействия лазерных имитаторов 140
4.5. Методика дозиметрического сопровождения лазерных испытаний . 145
ГЛАВА 5. Система контроля полей изотопного имитатора 150
5.1. Основные требования к системе 151
5.2. Методы и средства определения типа частиц 152
5.3. Средства регистрации световой вспышки 159
5.4. Моделирование реакции сцинтилляционно-полупроводникового детектора 159
5.5. Аппаратно-программная система контроля полей изотопного имитатора 162
5.5.1.Критические параметры регистрируемого сигнала 163
5.5.2.Аппаратные средства обработки сигнала 163
5.5.3. Особенности организации программного обеспечения системы . 167
5.6. Сравнительные результаты измерений энергетических спектров изотопных источников 172
Заключение 177
Литература 179
- Перспективы развития рентгеновских имитаторов
- Состав аппаратно-программных средств контроля характеристик воздействия
- Оценка влияния мягкой компоненты спектрального состава рентгеновского излучения
- Особенности схемы регистрации импульсной реакции р-г-п диода
Введение к работе
Задачи оценки показателей стойкости и прогнозирования радиационного поведения интегральных схем (ИС), являющихся основой для построения современной вычислительной техники и систем управления, в условиях воздействия ионизирующих излучений являются актуальными и важными в связи с развитием и совершенствованием систем вооружения, средств космической связи, необходимостью повышения надежности и безопасности работы ядерно-энергетических установок и т.п.
Расширение номенклатуры ИС, применение функционально сложных ИС большой и сверхбольшой степени интеграции, освоение субмикронной технологии, необходимость внедрения методов и средств контроля радиационной стойкости на всех этапах жизненного цикла изделий являются объективными причинами увеличения числа и объема радиационных испытаний. Применение традиционных методов для определения показателей радиационной стойкости ИС с использованием моделирующих установок не обеспечивает полноты определения радиационно-чувствительных параметров и характеристик. В связи с этим в настоящее время для проведения радиационных испытаний широко применяются имитационные методы с использованием имитаторов ионизирующего излучения. Одним из существенных преимуществ имитационных методов испытаний является то, что они проводятся в обычных лабораторных условиях и могут быть адаптированы для различных систем контроля качества изделий. Внедрение подобных автоматизированных систем требует разработки оперативных, достоверных, высокоэффективных и по возможности универсальных средств контроля характеристик полей для имитационных установок.
Целью диссертационной работы является разработка расчетно-экспериментальных методов и аппаратно-программных средств контроля характеристик полей излучения, позволяющих повысить оперативность и достоверность результатов имитационных испытаний ИС на радиационную стойкость при существенном снижении затрат на их проведение.
Научная новизна работы
Обоснованы и разработаны структура, состав и требования к отдельным узлам аппаратно-программных средств для контроля характеристик стационарных и импульсных воздействий при проведении имитационных испытаниях ИС на радиационную стойкость.
Определен и развит комплекс расчетно-экспериментальных методов и средств контроля характеристик полей от имитационных установок. Разработаны требования к универсальному детектору и обосновано использование чувствительных элементов на основе p-i-n диода и природного алмаза для оперативного контроля характеристик полей ионизирующего излучения.
Разработаны и апробированы методики аттестации рентгеновских имитаторов и дозиметрического сопровождения при проведении имитационных испытаний ИС на радиационную стойкость.
Разработаны структура устройства и алгоритм его работы для регистрации типа и энергии ядерных частиц в смешанных полях излучения, основанные на различиях в форме импульса светоотклика при попадании ядерной частицы в неорганический сцинтиллятор.
Результаты, выносимые на защиту
Структура, состав, требования к отдельным узлам и специализированные узлы аппаратно-программного комплекса для контроля характеристик стационарных и импульсных воздействий при проведении имитационных испытаниях ИС на радиационную стойкость.
Расчетно-экспериментальные методики и средства контроля характеристик полей от имитационных установок, в том числе при проведении оперативного контроля с использованием в качестве чувствительных элементов p-i-n диода и природного алмаза.
Устройство с алгоритмом его работы, предназначенное для регистрации типа и энергии ядерных частиц в смешанных полях излучения и основанное на регистрации характерных параметров импульса отклика с выхода сцинтиляционного детектора.
Результаты экспериментальных исследований характеристик рентгеновских и лазерных имитаторов, подтвердившие обоснованность применения предложенных аппаратно-программных средств при проведении радиационных испытаний ИС и устройств на их основе.
Принципы организации систем управления имитаторами ионизирующего излучения, позволяющих повысить оперативность и достоверность результатов имитационных испытаний ИС при снижении затрат на их получение.
Публикации
Основные результаты диссертационной работы отражены в 25 печатных работах, в том числе в четырех работах без соавторов, и одиннадцати отчетах по НИР.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались автором на 2-й Межотраслевой научно-технической конференции "Влияние низкоинтенсивных излучений космического пространства и атомных электростанций на элементы и устройства радиоэлектроники и электротехники" (г. Лыткарино, 1995 г.); на 6-й Межотраслевой научно-технической конференции "Воздействие ионизирующих излучений на радиоэлектронную аппаратуру, элементы и материалы. Методы испытаний и исследований" (г. Лыткарино, 1996 г.); на Российских конференциях по радиационной стойкости «Стойкость-98» и «Стойкость-99» (г. Лыткарино, 1998 и 1999 гг.); на 34-й Международной конференции IEEE NSREC (США, 1997 г.); на Международной конференции RADECS-97 (Франция, 1997 г.); на Московской международной конференции "Молодежь и наука-97" (г. Москва, 1997 г.); на XVII Международном симпозиуме по ядерной электронике (г. Варна, 1997 г.); на VI Международном семинаре "Радиационные процессы в электронике" (г. Москва, 1998 г.) и на Научных сессиях МИФИ (г. Москва, 1998 - 2000 гг.).
Практическая значимость работы
Разработан и внедрен комплекс аппаратно-программных средств для контроля характеристик полей от имитаторов при проведении испытаний ИС на радиационную стойкость.
Разработаны разделы нормативных документов МО РФ по методам моделирования, испытаний и оценки уровней радиационной стойкости ИС в части дозиметрического сопровождения имитационных испытаний.
Разработаны и внедрены на ряде предприятий методики контроля характеристик полей от лазерных и рентгеновских имитаторов.
Измерены характеристики полей излучения для различных модификаций рентгеновских и лазерных имитаторов. Впервые проведена аттестация рентгеновских ("РЕИС-ИМ") и лазерных ("Радон-5") имитаторов.
Результаты работы отражены в двух РД "Микросхемы интегральные. Методы испытаний и оценки стойкости больших и сверхбольших интегральных схем к одиночным сбоям от воздействия отдельных высокоэнергетичных тяжелых заряженных частиц и протонов космического пространства" (РД В 319.03.24-97) и "Микросхемы интегральные и полупроводниковые приборы. Методы контроля радиационной стойкости на этапах разработки, производства и поставки. Общие методики имитационных испытаний" (РД В 319.03.22-97).
Результаты диссертационной работы вошли в отчетные материалы по НИР "Перенос-4", "Кашира", "Авторитет-МРП", "Андромеда-СПЭЛС", "Абордаж-СПЭЛС", "Абориген-СПНЦ-П-СПЭЛС", "Абрис-СВВ", "Венера-1", "Плутон-5", "Магистр-СВВ", выполняемых в рамках государственного оборонного заказа и "ДУС-ДНГ", выполняемой по заказу РКА.
Результаты диссертационной работы использованы в ЭНПО СПЭЛС и ЦФТИ МО РФ (подтверждено актами).
Диссертация содержит 207 страниц, 85 рисунков, список литературы из 128 наименований и состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе дан обзор основных методов и средств проведения радиационных испытаний ИС и устройств на их основе, рассматриваются достоинства и недостатки радиационных испытаний с применением
моделирующих установок и имитаторов ионизирующего излучения. Приводится анализ перспективных направлений развития имитаторов ионизирующего излучения.
Во второй главе рассмотрены разработанные требования и состав аппаратно-программных средств для контроля характеристик полей от имитаторов. Проведен анализ современных методов контроля полей ионизирующего излучения, результаты которого позволили предложить конструкцию и схемы включения универсального детектора для стационарного и импульсного воздействий. Обосновано использование детектора на основе алмаза для контроля рентгеновского воздействия при испытаниях ИС на низкую интенсивность.
В третьей главе обоснована структура аппаратно-программного комплекса для контроля характеристик рентгеновского имитатора. Определены основные параметры, предъявляемые к комплексу, представлены технические решения для реализации блоков и узлов, составляющих комплекс, которые также могут использоваться при проведении радиационных испытаний ИС. Анализируются результаты комплексных исследований характеристик ряда рентгеновских имитаторов. Представлено разработанное программное обеспечение. Приведены результаты по дозиметрическому сопровождению рентгеновских имитационных испытаний. По результатам комплексных исследований характеристик ряда рентгеновских имитаторов обоснованы принципы построения, структура и состав автоматизированной системы управления рентгеновским имитатором.
В четвертой главе рассматриваются предлагаемые структуры аппаратно-программных комплексов для контроля характеристик лазерного имитатора. Отражены технические решения, использованные при разработке блоков и узлов, входящих в состав комплексов, а также применяющиеся при радиационных испытаниях ИС. Приведены результаты исследований характеристик лазерного имитатора "Радон-5" и его модификаций. Представлено разработанное программное обеспечение и метод дозиметрического сопровождения лазерных имитационных испытаний.
Пятая глава посвящена описанию модифицированного метода определения типа и энергии частиц, основанного на анализе формы сигнала с выхода зарядово-чувствительного усилителя, работающего с сцинтилляционно-полупроводниковым детектором. Описано устройство регистрации низкоинтенсивного излучения, использующееся при радиационных испытаниях ИС в составе изотопного имитатора ионизирующего излучения.
Перспективы развития рентгеновских имитаторов
Одним из перспективных направлений развития техники рентгеновских имитационных исследований можно считать исследование эффектов мощности дозы, т.е. зависимость реакции исследуемой ИС не только от поглощенной дозы, но и от скорости ее набирания. В работах [33-35] показано, что эффект мощности дозы может приводить к различным оценкам показателей радиационной стойкости ИС. В этой связи необходима разработка рентгеновского имитатора, позволяющего обеспечить непрерывное радиационное воздействие с мощностями дозы 0,005...10 рад/с [Si] в течение нескольких месяцев. Такая техническая задача труднореализуема без применения источников рентгеновского излучения под управлением ПЭВМ, так как длительный срок измерений накладывает повышенные требования к надежности источника, стабильности параметров излучения, определяемые в основном током и напряжением на рентгеновской трубке. Аппаратно-программная система управления рентгеновским источником должна обеспечивать стабилизацию основных параметров установки, а также регистрацию изменения их значений во время эксперимента, гарантировать непрерывность эксперимента в нештатных ситуациях.
В настоящее время одной из важных исследовательских задач является определение наименее стойких узлов ИС большой степени интеграции. В работах [36-38] рассмотрены методы определения наименее стойкого элемента в результате исследования изменений параметров электрических сигналов или логики работы ИС. Однако наиболее точные результаты, по мнению автора, могут быть получены из анализа поведения ИС при локальном облучении предполагаемых наименее стойких элементов. Одной из перспективных задач в технике рентгеновских имитаторов можно считать разработку системы обеспечения локального воздействия на ИС. Основными техническими проблемами при решении данной задачи являются: трудности фокусировки рентгеновского излучения в пучок с характерными размерами 10... 100 мкм и обеспечение требуемой интенсивности; необходимость точного наведения пучка рентгеновского излучения на заданную область ИС. Системы фокусировки могут быть реализованы на базе оптики рентгеновского диапазона, описанной в работе [39], или с применением специальных масок с устройством их позиционирования. Целью лазерных имитационных испытаний является определение показателей радиационной стойкости ИС при воздействиях импульсного ионизирующего излучения (фактор И2), а также пучков нейтральных и заряженных частиц по результатам моделирования доминирующих эффектов -объемных ионизационных эффектов [40-47]. Одним из значительных достоинств применения лазерных имитаторов для определения стойкости к воздействию факторов И2 является возможность использования локального воздействия на отдельные фрагменты ИС [48], что позволяет применять подобные имитаторы в технологическом процессе и определять наиболее чувствительные к радиационному воздействию фрагменты больших и сверхбольших ИС. Невозможность облучения чувствительных областей ИС, находящихся за оптически-непрозрачными материалами, является основным недостатком лазерных имитаторов ионизирующего излучения. Данный недостаток приводит к необходимости специальной подготовки объекта испытаний [8] или не позволяет проводить имитационные испытания в случае невозможности обеспечения оптического канала доступа лазерного излучения к чувствительным областям ИС. На основании результатов работ [8,28,49], проведенных при участии автора, можно сформулировать следующие основные требования к лазерному имитатору импульсного ионизирующего излучения: длина волны лазерного излучения должна выбираться исходя из требуемой однородности ионизации по глубине чувствительного объема элементов ИС, а также из ожидаемых пробегов нейтральных и заряженных частиц в чувствительной области полупроводникового прибора. В случае отсутствия таких данных или при невозможности проведения таких оценок рекомендуемая длина волны лазерного излучения должна быть равной 1,06...1,08 мкм (для ИС с материалом чувствительной области на основе кремния); форма импульсов лазерного излучения должна по возможности совпадать с формой импульсов ионизирующего излучения. В случае невозможности обеспечения этого условия лазерный имитатор должен обеспечивать колоколообразную форму импульса лазерного излучения с длительностью, наиболее близкой к длительности импульсов ионизирующего излучения; при многократном воздействии импульсов ионизирующего излучения или пучков заряженных и нейтральных частиц лазерный имитатор должен обеспечивать не менее двух импульсов лазерного излучения; неравномерность поля излучения h(s) (1.1) не должна превышать 100 %; нестабильность мощности лазерного излучения в пределах воздействия несколько импульсов при фиксированной мощности имитатора не должна превышать 20 %. 1.4.2. Лазерный имитатор "Радон-5М" В соответствии с приведенными в разделе 1.4.1 требованиями был разработан лазерный имитатор "Радон-5М", внешний вид которого приведен на рис. 1.5, а характеристики в табл. 1.6. Конструкция лазерного имитатора состоит из оптического блока и источника питания, конструктивно объединенных в одном корпусе. В состав оптического блока входят: лазерный излучатель типа ИЗ-30; набор нейтральных светофильтров для ослабления интенсивности излучения; матовый рассеиватель для формирования необходимого пространственного распределения излучения; вспомогательный котировочный коллимированный осветитель. Кроме того, имеется возможность использовать насадки, расширяющие возможности лазерного имитатора: блок оптической задержки в пределах 0...35 не для формирования второго задержанного импульса лазерного излучения, позволяющего исследовать влияние длительности импульса и второго задержанного импульса на характер радиационных сбоев; блок расширителя пучка для облучения объектов с большой площадью (до 150x150 мм2), например печатных плат с установленными микросхемами, с целью изучения функционирования всего прибора или блока в целом. Регулировка плотности потока энергии лазерного излучения производится в пределах пяти порядков. При этом дискретное ослабление посредством нейтральных (серых) калиброванных аттенюаторов дополняется плавной регулировкой в пределах 2...3 раз, которая достигается изменением расстояния от матового стекла до поверхности кристалла.
Выравнивание распределения интенсивности излучения по поверхности кристалла осуществляется с помощью матового стекла, травленного в плавиковой кислоте, которое входит в комплект лазерного имитатора "Радон-5М". Для наводки луча в лазерном имитаторе используется специальная подсветка, по которой можно судить о месте попадания лазерного излучения.
Состав аппаратно-программных средств контроля характеристик воздействия
Современные методики проведения испытаний ИС ориентированы на экспериментальный съем информации большого объема, что подразумевает широкое использование средств автоматизации с использованием современных ПЭВМ. Очевидно, что аналогичный подход должен быть реализован и для аппаратно-программных средств, используемых для контроля характеристик полей имитаторов при проведении испытаний ИС на радиационную стойкость. По мнению автора, нецелесообразно разрабатывать отдельные специализированные средства, предназначенные только для проведения контроля характеристик полей, так как измеряемые величины, в конечном счете, сводятся к стандартным измерениям импульсных и/или статических электрических характеристик с выхода детекторов. Для измерения этих электрических сигналов можно использовать системы, применяемые для контроля характеристик ИС в процессе проведения испытаний на радиационную стойкость. Поэтому при разработке аппаратно-программных средств целесообразно или разрабатывать специализированные узлы, позволяющие преобразовать уровни сигналов с выходов детекторов до уровней, используемых в универсальных системах измерения электрических характеристик ИС, или разрабатывать специализированные устройства, которые могут также использоваться и для измерения электрических или функциональных характеристик ИС. Естественно, что при этом требования к входным трактам этих устройств будут определяться типами и характеристиками используемых чувствительных элементов для регистрации полей от имитаторов. Поэтому существенное внимание в процессе работы было уделено выбору типа детектора и обоснованию его оптимальных параметров с тем, чтобы его можно было использовать по возможности для всех типов существующих имитаторов.
Анализ задач, возникающих при измерении характеристик полей от имитаторов, позволяет выделить два типовых случая. Во-первых, на этапе аттестации источников имитирующего воздействия необходимо подробно исследовать практически все параметры поля источника: интенсивность, энергетический состав излучения, стабильность поддержания характеристик в процессе длительной эксплуатации, неравномерность зоны облучения, форма импульса воздействия и т. п. Именно для решения этой задачи чаще всего требуются нестандартные методики и средства измерений. Во-вторых, непосредственно в процессе проведения испытаний необходимо проводить контроль одного - двух информативных параметров (интенсивность воздействия и/или полную выделенную энергию).
Анализ характеристик объектов испытаний показывает, что широкое применение в средствах вычислительной техники ИС большой и сверхбольшой степени интеграции (БИС и СБИС) обуславливает необходимость измерения пространственного распределения мощности ионизирующего излучения. Действительно, размеры кристаллов современных СБИС могут достигать 10x10 мм и более, что при использовании, например, маломощных имитаторов при определенных условиях может приводить к значительному разбросу величины поглощенной дозы или мощности поглощенной дозы для активных элементов центральных и периферийных областей кристалла, что резко снижает достоверность радиационных испытаний. Исходя из анализа характеристик основных имитаторов, используемых при проведении испытаний на радиационную стойкость, для первого случая аппаратно-программные средства контроля воздействия должны обеспечивать измерения следующих характеристик. Рентгеновский имитатор: спектральная характеристика рентгеновского излучения; мощность поглощенной дозы pafl[Si]/c; пространственная неравномерность поля излучения в плоскости кристалла испытываемой ИС; зависимость мощности поглощенной дозы от расстояния до выходной плоскости анода рентгеновской трубки Рэ = P3(0,0,z); временная нестабильность мощности поглощенной дозы. Лазерный имитатор: форма и эффективная длительность импульса лазерного излучения; энергия излучения в импульсе; пространственная неравномерность поля излучения в плоскости кристалла ИС или электронного узла; зависимость энергии импульса от расстояния от поверхности кристалла ИС до рассеивателя лазерного излучения Рэ= P3(0,0,z); воспроизводимость длительности и энергии импульса. Имитатор на основе изотопного источника: энергетический спектр; интенсивность излучения; тип ядерной частицы. Легко заметить, что во всех случаях измеряется интенсивность излучения -параметр, который необходимо контролировать и в процессе проведения испытаний. Кроме того, в процессе проведения аттестационных измерений осуществляются измерения ряда электрических характеристик. Поэтому необходимо обеспечить универсальность применения разрабатываемых аппаратно-программных средств, что выражается в возможности использования основных элементов не только для контроля параметров воздействия, но и в качестве средств измерения при проведении радиационных испытаний ИС. Основными видами измерений при проведении радиационных испытаний ИС являются [68]: измерение статических параметров (тока и напряжения) при воздействии стационарного рентгеновского излучения; измерения импульсных параметров (тока и напряжения) при импульсном лазерном воздействии; функциональный контроль при всех видах воздействия. Одной из важных задач является обеспечение высокой степени автоматизации измерений, так как, например, при исследовании пространственного распределения мощности ионизирующего излучения с точностью, необходимой для проведения радиационных испытаний БИС и СБИС, требуется получить несколько тысяч экспериментальных точек. Практически полная автоматизация измерений может быть достигнута только при использовании системы управления на основе ПЭВМ.
Естественно, что разрабатываемые аппаратно-программные средства должны в полной мере использовать уже существующие. Поэтому в ходе выполнения работы было необходимо обеспечить совместимость их с используемой в настоящее время системой комплексного имитационного моделирования (СКИМ) [68, 69]. Подобный подход позволяет использовать готовые узлы и блоки, входящие в состав СКИМ, а также расширить ее функциональную наполненность и поднять эксплуатационные и технические характеристики за счет создаваемых универсальных устройств для решения задачи контроля характеристик воздействия (краткое описание системы СКИМ приведено в Приложении 1).
Оценка влияния мягкой компоненты спектрального состава рентгеновского излучения
Основным элементом системы оперативного контроля характеристик воздействия, определяющим ее параметры, является детектор ионизирующего излучения. Так как имитационные испытания на радиационную стойкость ИС с использованием рентгеновских и лазерных имитаторов являются основными и наиболее распространенными, то представляется необходимым создание универсального детектора лазерного и рентгеновского излучения. Основными достоинствами подобного решения являются: повышение качества проведения испытаний. При проведении контроля характеристик воздействия методом замещения необходимо обеспечивать минимальные различия между геометрией облучаемой ИС и детектором. Решение этой задачи существенно облегчается при использовании универсального детектора; снижение себестоимости испытаний, так как используется один универсальный детектор вместо двух специализированных. Из анализа характеристик имитаторов ионизирующего излучения следует, что универсальный детектор лазерного и рентгеновского излучений должен обеспечивать: регистрацию стационарного рентгеновского излучения с энергией 0...50 кэВ с мощностью поглощенной дозы в диапазоне 10...2000 рад[Бі]/с; регистрацию формы и амплитуды импульса лазерного излучения с длинами волн от 0,5 до 1,1 мкм и длительностью от 10 не до 1 мс при изменении мощности поглощенной дозы в диапазоне 10 ... 10 рад[8і]/с; малые размеры чувствительной области для обеспечения точности измерения при сильной неравномерности полей излучения от имитаторов; оперативность измерения параметров полей излучения; высокую стойкость к ионизирующему излучению для обеспечения стабильности параметров чувствительности. В данном разделе представлены результаты исследований по определению требований к характеристикам универсального детектора лазерного и рентгеновского излучений и аппаратно-программных средств для контроля полей от имитаторов. 2.3.1. Методы и средства регистрации рентгеновского излучения В настоящее время существуют следующие методы регистрации рентгеновского излучения [70]: ионизационный; калориметрический; химический; фотографический; сцинтилляционный; люминисцентный; полупроводниковый. Ионизационный метод основан на способности рентгеновского излучения производить ионизацию в облучаемой среде. Ионизация создается главным образом электронами, освобожденными излучением при его взаимодействии с атомами вещества. В качестве детектора излучения в данном методе дозиметрии используется ионизационная камера, в простейшем случае состоящая из двух электродов, между которыми есть промежуток, где при облучении возникают заряженные частицы. Если между электродами камеры приложено электрическое поле, обеспечивающее участие в образовании тока всех образующихся под действием излучения зарядов, то сила тока в цепи камеры равна: где п - число образующихся под действием излучения в единицу времени пар ионов в единице объема камеры; V - ионизационный объем камеры; е - заряд одного иона. Корректное определение мощности дозы по величине ионизационного тока возможно при выполнении следующих условий: равномерное поле излучения по всему измерительному объему ионизационной камеры; выполнение условия электронного равновесия в воздушном объеме камеры; толщина стенки камеры должна соответствовать равновесной толщине, при которой наступает электронное равновесие, чтобы эмиссия вторичных электронов из материала стенки не искажала результатов измерения; напряжение на электродах камеры обеспечивает насыщение тока в камере. Калориметрический метод основан на измерении количества тепла, выделяемого в облучаемом веществе под действием излучения [71]. При полном поглощении рентгеновского излучения количество выделяемого тепла пропорционально поглощенной энергии излучения. Метод имеет большую инерционность. Химический метод основан на количественной оценке химических изменений, происходящих в облучаемом веществе под действием излучения. Данный метод не является оперативным.
Фотографический метод основан на фотографическом действии рентгеновского излучения, т. е. на его способности вызывать почернение в облучаемых фотоматериалах. Плотность почернения пленки измеряется денситометрами; она зависит от экспозиции, или произведения интенсивности излучения на время облучения. При качественном постоянном составе излучения экспозиция прямо пропорциональна дозе излучения.
Сцинтилляционный метод основан на возникновении вспышек света (сцинтилляций) в некоторых веществах при поглощении ионизирующих излучений. Возникновение сцинтилляций связано с тем, что при взаимодействии излучения с веществом сцинтиллятора возбужденные и ионизированные атомы возвращаются в нормальное состояние с испусканием квантов видимого света.
Люминесцентный метод основан на явлении, заключающемся в том, что под действием ионизирующего излучения образуются свободные электроны и дырки, которые локализуются в центрах захвата, благодаря чему происходит накопление поглощенной энергии. Для освобождения последней требуется воздействовать на люминофор или светом определенного участка спектра (фотолюминесценция), или теплом (термолюминесценция).
Полупроводниковые детекторы излучения находят широкое применение для измерения рентгеновского излучения [81]. При облучении в полупроводниковых детекторах возникает ток, по величине которого можно контролировать мощность дозы рентгеновского излучения. Механизм ионизации в полупроводниках под действием излучения аналогичен ионизации в ионизационных камерах. Наиболее распространенными полупроводниками, используемыми для измерения рентгеновского излучения, являются монокристаллы сульфида кадмия, теллурид кадмия, кремний с р-п и p-i-n переходами, арсенид галлия и ряд других.
Одним из наиболее важных преимуществ полупроводниковых детекторов является их относительно высокая чувствительность, обусловленная значительным (на три порядка большим) поглощением энергии излучения и меньшей энергией образования одной электронно-дырочной пары. Большая удельная чувствительность полупроводниковых детекторов позволяет создавать детекторы очень малых размеров, необходимых для оценки мощности доз в малых объемах. В табл. 2.1. приведены сравнительные характеристики методов регистрации рентгеновского излучения.
В табл. 2.2 представлено соответствие указанных выше методов основным требованиям, предъявляемым к детектору рентгеновского излучения имитатора "РЕИС-ИМ" или ему подобных. Анализ представленных результатов в табл. 2.1 и табл. 2.2 показывает, что для построения универсального детектора пригоден только полупроводниковый детектор.
Особенности схемы регистрации импульсной реакции р-г-п диода
Основными параметрами для фотодетектора, предназначенного для регистрации импульсного лазерного излучения, являются квантовая эффективность и время фотоотклика. Такой параметр как чувствительность при заданных интенсивностях импульса лазерного излучения не является определяющим и поэтому может не приниматься во внимание при определении оптимальных конструкционных параметров и режима работы p-i-n диода.
Выражение для квантовой эффективности p-i-n диода, которая определяется как отношение фотогенерированных электронных пар к числу падающих фотонов, имеет вид [86]:
где R - коэффициент отражения, а - коэффициент поглощения, / - толщина обедненного слоя, Dp - коэффициент диффузии дырок, Тр - время жизни неравновесных носителей. Из анализа этого выражения следует, что для повышения квантовой эффективности p-i-n диода, считая коэффициент отражения и коэффициент поглощения константами, необходимо, в первую очередь, увеличивать толщину обедненного слоя /. Увеличение диффузионной длины существенного выигрыша не дает, так как при типовых значениях коэффициента поглощения для кремния знаменатель практически всегда равен единице.
Время фотоотклика p-i-n диода (или его переходная характеристика) ограничивается тремя факторами: постоянной времени диода и его нагрузки; дрейфом носителей через обедненную область; диффузией носителей. Постоянная времени p-i-n диода определяется его собственной емкостью, которая для структуры, приведенной на рис. 2.3 соответствует емкости плоскопараллельного конденсатора: где S - площадь перехода, Ео - диэлектрическая проницаемость вакуума, s - относительная диэлектрическая проницаемость, / - толщина обедненного слоя. Поэтому для уменьшения собственной емкости p-i-n диода необходимо увеличивать толщину обедненного слоя и уменьшать площадь активной области.
Время дрейфа носителей через обедненную область определяется ее толщиной и скоростью дрейфа носителей, которая при низких полях пропорциональна напряженности электрического поля Е, но по мере роста напряженности достигает насыщения. Диффузия носителей, генерированных за пределами обедненной области, которые должны диффундировать к переходу, существенно увеличивает время задержки. Поэтому необходимо уменьшать вклад диффузионной составляющей. При ограниченной толщине z -слоя это означает увеличение напряженности электрического поля и уменьшение толщин, прилегающих к /-слою областей.
Проведенные расчетно-экспериментальные исследования показали, что удовлетворительные временные характеристики p-i-n диода получаются при средней напряженности электрического поля в z -слое около 10 В/см. Таким образом, при толщине /-слоя около 400 мкм обратное напряжение на диоде должно быть не менее 40 В.
На рис. 2.7 приведены рассчитанные с помощью программы численного двумерного моделирования "DIODE-2D" графики зависимости амплитуды ионизационного тока p-i-n диода с параметрами, приведенными в табл. 2.4, от максимальной мощности дозы ионизирующего излучения и интенсивности лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм. Форма импульсов ионизирующего излучения и лазерного излучения задавалась колоколообразной с длительностью на полувысоте 11 не. Время жизни неравновесных носителей в /-слое диода принималось равным 2 мкс. Напряжение обратного смещения составляло 300 В.
Прежде всего, обращает на себя внимание нелинейный характер зависимости амплитуды ионизационного тока от мощности дозы ионизирующего излучения и интенсивности лазерного излучения. Этот эффект обусловлен модуляцией проводимости /-слоя, которая приводит к перераспределению электрического поля и смещению его максимума в сторону р+ диффузии. В результате уменьшается вклад носителей, генерированных вдали от поверхности, в общий ионизационный ток.
Этот вывод подтверждается результатами расчетов распределения потенциала по глубине p-i-n диода при различных значениях максимальной мощности поглощенной дозы, приведенными на рис. 2.8.
При относительно невысокой мощности дозы ионизирующего излучения слабо модулируется область собственной проводимости p-i-n диода и распределение потенциала по глубине практически не отличается от равновесного. В /-слое прибора имеет место почти однородное по глубине электрическое поле, которое обеспечивает практически полное собирание генерированных ионизирующим излучением неравновесных носителей заряда за счет дрейфового механизма переноса. По мере роста мощности дозы область собственной проводимости все более заметно модулируется ионизирующим излучением, что приводит к появлению неоднородности распределения ПОЛЯ по глубине. Максимум электрического поля смещается к области р+ диффузии, а в глубине структуры напряженность поля ослабевает. Это приводит к уменьшению влияния дрейфового механизма на перенос носителей, генерированных в глубине p-i-n диода и, как следствие, к замедлению роста ионизационного тока с ростом мощности дозы. Уменьшение вклада дрейфового механизма переноса сказывается и на форме ионизационного тока. На рис. 2.9 приведены нормированные на единицу формы ионизационного тока р-і-п диода при воздействии колоколообразного импульса ионизирующего излучения с различной максимальной мощностью дозы. Если при малой мощности дозы (10 рад(8і)/с) ионизационная реакция р-і-п диода полностью определяется мгновенной составляющей тока, повторяющей импульс ионизирующего излучения, то с ростом мощности дозы увеличивается вклад запаздывающей составляющей, обусловленной диффузией носителей из глубоких областей диода.
Как видно из рис. 2.7, характер зависимости амплитуды ионизационного тока от мощности дозы ионизирующего излучения практически совпадает с характером соответствующей зависимости для лазерного излучения до интенсивности порядка 2-10 Вт/см . Формы импульсов тока также совпадают. Связано это с тем, что лазерное излучение данной длины волны относительно слабо поглощается в кремнии. Выравниванию интенсивности ионизации по глубине способствует также наличие на нижней грани р-і-п диода металлического контакта, играющего роль отражающей поверхности. Поэтому в данном диапазоне можно использовать постоянный коэффициент пересчета интенсивности лазерного излучения в эквивалентную мощность дозы, равный приблизительно Kt = 1,24-10 (рад(8і)/с)/(Вт/см ). При более высоких интенсивностях лазерного излучения начинает сказываться дополнительное поглощение на свободных носителях заряда, которое приводит к замедлению роста ионизационного тока. На рис. 2.10 приведены графики распределения эквивалентной мощности поглощенной дозы по глубине р-і-п диода при различных максимальных интенсивностях лазерного излучения.
