Результат интеллектуальной деятельности: Способ повышения радиационной стойкости термокомпенсированных стабилитронов

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение «Способ повышения радиационной стойкости термокомпенсированных стабилитронов» относится к области разработки и производства радиационно стойких полупроводниковых приборов, и преимущественно низковольтных термокомпенсированных стабилитронов, применяющихся в качестве источников опорного напряжения, т.е. базовых электронных компонентов, в электронных системах высокоточной аппаратуры, в т.ч. в системах управления летательными аппаратами ВКС.

Уровень техники

Одно из важнейших требований к полупроводниковым компонентам специального назначения - радиационная стойкость (PC), т.е. способность сохранять основные функциональные характеристики при воздействии значительных доз проникающей радиации различного рода: гамма, протонов, электронов, нейтронов, α-частиц. Например, в условиях космического пространства.

В частности, для низковольтных термокомпенсированных стабилитронов (НВ ТКС) с основными параметрами - напряжением стабилизации 6,3 В и температурным коэффициентом напряжения стабилизации порядка 5 ppm/°C, наиболее критичны с точки зрения PC - гамма и нейтронные ионизирующие излучения.

Типичная конструкция низковольтных термокомпенсированных стабилитронов с напряжением стабилизации ~6,3 В включает кристалл сильно легированного кремния с двумя p-n-переходами, включенными навстречу друг другу: "основным", включенным в обратном направлении, с напряжением пробоя ~5,65 В и "компенсирующим", включенным в прямом направлении, с падением прямого напряжения ~0,65 В [1, 2]. Температурный уход напряжения пробоя (ТКНобр) основного p-n-перехода составляет плюс ~1,7 мВ/°C, а уход прямого напряжения (ТКНпр) компенсирующего p-n-перехода - минус ~1,7 мВ/°C. Таким образом, встречное включение p-n-переходов с равными, но противоположного знака температурными уходами напряжения, обеспечивает результирующую "нулевую" компенсацию температурного ухода напряжения стабилизации стабилитрона в целом: ТКНстаб = ТКНобр + ТКНпр ≈0.

Следствием воздействия ионизирующих излучений на полупроводник могут быть изменения его структурных и электрофизических параметров - ионизация и смещение атомов решетки, уменьшение времени жизни неосновных носителей заряда (τ_Б), изменение величины эффективной концентрации типозадающей примеси в базе (N_Б) диода. Нейтронное излучение - причина устойчивых радиационных дефектов, обусловленных необратимыми физико-химическими изменениями структуры кремния. Гамма излучение оказывает слабое влияние на кристаллическую решетку кремния. В основном это - ионизация атомов полупроводника, соответственно - изменение времени жизни неосновных носителей заряда.

Для низковольтных p-n-переходов с напряжением пробоя менее 7 В с туннельным и смешанным механизмами пробоя, изготавливаемых на предельно легированном кремнии с удельным сопротивлением от 0,001 до 0,005 Ом⋅см (N_Б>10¹⁹ см^-3), эффект изменения эффективной концентрации типозадающей примеси в базе при воздействии ионизирующих излучений не актуален. Напряжение пробоя низковольтных стабилитронов практически не чувствительно к действию предельно высоких доз нейтронов (Fn). Аналогичным образом оценивается влияние на Uпроб низковольтных стабилитронов изменения величины подвижности неосновных носителей в сильно легированном кремнии. Именно поэтому типичные низковольтные нетермокомпенсированные стабилитроны, "работающие" на обратной ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ) p-n-перехода, отличаются высокой радиационной стойкостью, т.е. пренебрежимо малым уходом напряжения пробоя (стабилизации) при воздействии предельных доз радиации [3].

С другой стороны, для таких p-n-переходов, изготавливаемых на сильно легированном кремнии, т.е. с высокой концентрацией типозадающей примеси в базе, основной радиационно чувствительный параметр - падение прямого напряжения при работе на прямой ветви ВАХ.

Известное выражение для падения прямого напряжения выглядит следующим образом:

, где

U_p-n - падение напряжения на прямо смещенном р-n-переходе;

U_Б - падение напряжения на базе:

, где

I_Б - ток стабилизации;

ρ - удельное сопротивление базы;

W_Б - толщина базы;

S_p-n - площадь р-n-перехода.

U_К - падение напряжения на омических контактах.

Так как удельное сопротивление омических контактов обычно обеспечивается на уровне не более 10^-5 Ом⋅см² и речь идет о стабилитронах, работающих в области миллиамперных токов стабилизации, изменение падения напряжения на омических контактах при действии ионизирующих излучений пренебрежимо мало ΔU_К(F)→0.

Вследствие Δρ(Fn)→0 для сильно легированной базы низковольтного стабилитрона, изменение падения напряжения на базе также не существенно: ΔU_Б(Fn)→0.

Как следует из [3], падение прямого напряжения на диоде при воздействии радиации:

, где

K_n, K_τ - коэффициенты радиационного изменения концентрации основных носителей и времени жизни неосновных носителей соответственно.

Т.е. при радиационном облучении падение прямого напряжения на запирающем слое p-n-перехода может изменяться как за счет измнения концентрации основных носителей заряда в базе диода, так и уменьшения времени жизни неосновных носителей заряда. Для сильно легированной базы, как это имеет место в нашем случае, актуально только уменьшение времени жизни неосновных носителей заряда.

Для повышения PC полупроводниковых приборов (ППП) практикуются технологии радиационных технологических процессов (РТП) - облучение кристаллов ППП различными высокоэнергетичными излучениями: гамма, альфа, протонов, электронов… Облучение с этой целью нейтронами неприемлемо вследствие продолжительного остаточного эффекта наведенной радиоактивности. Однако эффект повышения PC p-n-структур вследствие технологического воздействия на них каких-либо излучений может "отжигаться" полностью или частично с течением времени, тем более если этому способствует температура.

Испытания на радиационную стойкость серийных образцов однокристальных НВ ТКС с напряжением стабилизации 6,3 В (прототип [2]), конструкция которых (кристалл) содержит два включенных навстречу друг другу p-n-перехода - "основной", включенный в обратном направлении, и "компенсирующий", включенный в прямом направлении, к воздействию гамма-нейтронного излучения выявили уход их напряжения стабилизации при достижении предельно допустимого флюенса радиации ΔUст(Fγn), порядка 70 мВ.

Раскрытие изобретения

Задача настоящего изобретения - создание способа повышения радиационной стойкости термокомпенсированных стабилитронов, конструкция которых содержит два включенных навстречу друг другу p-n-перехода - "основной", включенный в обратном направлении, с положительным знаком температурного коэффициента обратного напряжения, и "компенсирующий", включенный в прямом направлении, с отрицательным знаком температурного коэффициента прямого напряжения, обеспечивающего радиационный уход напряжения стабилизации НВ ТКС при воздействии предельных доз радиации не более нескольких мВ.

Указанная задача решается тем, что термокомпенсированный стабилитрон изготавливается в двухкристальном исполнении, т.е. основной и компенсирующий p-n-переходы формируются в отдельных кристаллах, причем кристалл с компенсирующим p-n-переходом дополнительно легируется золотом.

Осуществление изобретения

На основе кремниевых пластин p-типа проводимости с удельным сопротивлением 0,005 Ом⋅см изготовлены кристаллы с напряжением пробоя p-n-перехода ~5,65 В (основной р-n-переход) и кристаллы с падением прямого напряжения на p-n-переходе ~0,65 В (компенсирующий p-n-переход). В кристалл с компенсирующим p-n-переходом проведена сквозная диффузия золота.

На основе этих кристаллов изготовлены образцы ТКС с напряжением стабилизации 6,3 В в безкорпусном исполнении, таким образом, чтобы основной и компенсирующий p-n-переходы были включены навстречу друг другу.

Образцы двухкристальных ТКС с диффузией золота в компенсирующий p-n-переход исследованы на стойкость к воздействию предельного флюенса гамма-нейтронного излучения. Установлено, что радиационный уход напряжения стабилизации двухкристальных образцов ТКС не превышает 1,0 В.

Литература

1. Аладинский В.К. и др. Новое поколение ультрастабильных прецизионных стабилитронов // Измерительная техника. - 1996 г. - Вып. 11. - С. 44-48.

2. Патент на изобретение №2162622 Низковольтный термокомпенсированный стабилитрон и способ его изготовления / Скорняков С.П.; заявл. 25.06.1999; опубл. 27.01.2001.

3. Вологдин Э.Н., Лысенко А.П. Радиационные эффекты в некоторых классах полупроводниковых приборов. М.: Московский государственный институт электроники и математики (технический университет), 2001, 70 с.