КАЧЕСТВО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ

КАЧЕСТВО: РУКОВОДСТВО, УПРАВЛЕНИЕ, ОБЕСПЕЧЕНИЕ
È.Í. Àëåêñååâà
КАЧЕСТВО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ АТМОСФЕР&
НЫХ КАНАЛОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ
РАБОТЕ И ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИ&
ЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
45
I.N. Alexeeva
QUALITY OF ATMOSPHERE
OPTOELECTRONIC CHANNELS
USING UNDER CONTINUOUS DUTY
AND UNDER THE INFLUENCE
OF IONIZING RADIATION
Êà÷åñòâî ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ÎÀÊ âî ìíîãîì îïðåäåëÿåòñÿ äåãðàäàöèåé èçëó÷àþùèõ äèîäîâ â ïðîöåññå äëèòåëüíîé ýêñïëóàòàöèè è ïîä âîçäåéñòâèåì èîíèçèðóþùèõ èçëó÷åíèé.  ñòàòüå àññìîòðåíà âîçìîæíîñòü èñïîëüçîâàíèÿ ñïîñîáíîñòè ïîëóïðîâîäíèêà èçëó÷àþùåãî äèîäà âîññòàíàâëèâàòü èçëó÷àòåëüíóþ ìîùíîñòü äëÿ ðàçðàáîòêè ñõåìîòåõíèêè
ÎÀÊ, êà÷åñòâåííî ðàáîòàþùèõ ïðè èîíèçèðóþùèõ
èçëó÷åíèÿõ. Ïðåäëîæåíà ìåòîäèêà îòáðàêîâêè ïîòåíöèàëüíî íåíàäåæíûõ ÎÀÊ.
The article deal with questions of quality of atmosphere optoelectronic channels using. Emitting diodes
degradation under continuous duty and under the
influence of ionizing radiation is define this quality.
There are considered availability of property emitting
diodes semiconductor restore emitting power. This
property may be use in development of atmosphere
optoelectronic
channels
circuit
technology.
Methodology of defect screen in atmosphere optoelectronic channels was proposed in.
ачество функционирования оптоэлектронных
атмосферных каналов (ОАК) во многом опре;
деляется деградацией излучающих диодов в
процессе длительной эксплуатации и воздейст;
вия ионизирующих излучений (ИИ).
Если значения воздействующих факторов превы;
шают предельно допустимые (высокий уровень воз;
действия), то в компонентах ОАК и материалах кон;
струкции будут протекать заметные необратимые
процессы. Такие процессы принято считать времен
ными. Действие таких процессов в конечном итоге
приводит к старению и износу как отдельных компо;
нентов ОАК, так и деталей его конструкции.
Под старением понимают естественный процесс
необратимого изменения свойств физической струк;
туры изделий, составляющих ОАК, в процессе его
хранения, перевозки и эксплуатации. Износ – это
особый вид разрушения элементов компонента ОАК
вследствие их механического трения друг о друга
или вследствие действия электрического тока. На;
пример, нарушение контакта соединителя или обрыв
металлизации в БИС.
Деградационные физико;химические процессы,
происходящие в физической структуре изделия и
приводящие к снижению качества ОАК, протекают,
как правило, при повышенных значениях парамет;
ров эксплуатационных факторов.
Внешний и внутренний квантовый выход явля;
ются основными параметрами излучающего диода
(ИД) и при облучении определяют радиационную
стойкость ИД. Внутренними потерями, связанными
с изменением поглощения в кристалле при облуче;
нии, можно пренебречь, и поэтому деградация ИД
при облучении определяется увеличением коэффи;
циента инжекционных потерь. В общем виде для pn;
перехода можно записать [1]:
К
№8, 2008
КАЧЕСТВО ИННОВАЦИИ ОБРАЗОВАНИЕ
46
КАЧЕСТВО: РУКОВОДСТВО, УПРАВЛЕНИЕ, ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Рис. 1а. Структурная схема "самоотжигающегося" ПрОУ
Константа повреждения k = kt ⋅ τ0 является по су;
ществу константой повреждения полупроводнико;
вого материала, а также диффузионной p;области
ИД в случае, если в этой области излучательная ре;
комбинация идет наиболее эффективно.
Чувствительность излучающего ИК;диода к ИИ
определяется следующими основными свойствами:
природой излучательных переходов;
природой излучательных центров рекомбинации;
концентрацией и распределением излучательных
и безызлучательных центров рекомбинации;
особенностями полупроводникового материала.
Поскольку влияние радиационных дефектов выра;
жается количественно как уменьшение диффузион;
ной длины или времени жизни неосновных носите;
лей, то относительная концентрация излучательных
центров рекомбинации является важным параметром.
КАЧЕСТВО ИННОВАЦИИ ОБРАЗОВАНИЕ
В высококачественных ИД с малой концентраци;
ей безызлучательных центров Nби и легированных до
относительно высокой концентрации излучательных
центров рекомбинации Nиз (≈ 1016 см;3) деградация,
обусловленная облучением, будет протекать быстро.
В приборах, содержащих больше Nби, наблюдается
замедление деградации при облучении ИИ. Экспе;
риментально отмечается зависимость радиационной
стойкости ИД от степени легирования исходного ма;
териала и типа легирующей примеси. Например, ра;
диационная стойкость GaAs –излучающего диода су;
щественно возрастает при замещении в кристалличе;
ской решетке частиц арсенида галлия алюминием,
т.е. при переходе к GaAsAl – излучающему диоду.
Как показали исследования [2], дефекты, возника;
ющие в кристалле полупроводника при воздействии
ионизирующих излучений, представляют собой неус;
№8, 2008
47
КАЧЕСТВО: РУКОВОДСТВО, УПРАВЛЕНИЕ, ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Рис. 1б. Временные диаграммы работы "самоотжигающегося" ПрОУ
тойчивую систему, которую можно привести в устой;
чивую систему при воздействии на полупроводник
повышенной температуры или пропускания через не;
го токового импульса, т.е. «отжига», или, другими
словами, восстановить качество функционирования
ОАК. При пропускании через кристалл полупровод;
ника ИД коротких импульсов тока электроны, захва;
ченные дефектами в узлах решетки, освобождаются и
переходят обратно в зону проводимости. Барьер, пре;
пятствующий рекомбинации пар Френкеля, снижает;
ся, и дефекты исчезают, т.е. полупроводник восста;
навливает свои свойства – излучательную мощность
ИД. Эту особенность можно использовать для разра;
ботки схемотехники ОАК [3], качественно работаю;
щих при ионизирующих излучениях.
Такой передатчик ОАК (рис. 1а, б) работает сле;
дующим образом. Информационные сигналы в коде
№8, 2008
без возврата к нулю NRZ поступают с источника 1
информационных сигналов на первый вход входной
логической схемы И2, открытый по второму входу
положительным уравнением напряжения 22, сни;
маемым с выхода демодулятора 14; с выхода вход;
ной логической схемы И2 сигналы информации по;
ступают на информационный вход D;триггера 3,
тактируемого сигналами 23, поступающими с выхо;
да выделителя 13 тактовой частоты. Затем инфор;
мационные сигналы 24 с выхода D;триггера 3 по;
ступают на вход колирующего блока 4, где они пре;
образуются из кода NRZ в код с возвратом к нулю
RZ типа Манчестер;11. Далее информационные
сигналы усиливаются формирователем токовых
импульсов 6 и передаются на излучающий диод 8.
Оптический сигнал с ИД 8 поступает, с одной сто;
роны, на торец волоконно;оптического кабеля
КАЧЕСТВО ИННОВАЦИИ ОБРАЗОВАНИЕ
48
КАЧЕСТВО: РУКОВОДСТВО, УПРАВЛЕНИЕ, ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Рис. 2. Прямые ветви ИД ОАК и графики функций излучательной (eeU/kT) и безызлучательной (eeU/2kT) составляющих
прямого тока ИД для различных номеров образцов ОАК
(ВОК), а с другой – на фотодиод 9 в цепи обратной
связи. Фототок фотодиода 9 усиливается усилите;
лем фототока 10 и поступает на вход порогового ус;
тройства 12. Пороговое устройство сравнивает уро;
вень входного сигнала усилителя 10 с опорным
уровнем Uоп источника напряжения 11. Если вели;
чина напряжения по амплитуде превышает Uоп, то
на выходе порогового устройства 12 появляется ин;
формационный сигнал, который поступает на выде;
литель тактовой частоты 13. Выделитель тактовой
частоты 13 формирует тактовые импульсы из ин;
формационной последовательности сигналов и за;
дает тактовые импульсы на D;триггер 3, с одной
стороны, и одновременно запитывает формирова;
тель уровня 14 – с другой. Постоянный положи;
тельный уровень на выходе формирователя 14 под;
держивает открытое состояние первой входной ло;
КАЧЕСТВО ИННОВАЦИИ ОБРАЗОВАНИЕ
гической схемы «И» 2 и закрытое состояние второй
логической схемы «И» 16.
Исследованию стабильности излучающих дио;
дов, определяющих качество работы ОАК, уделяется
большое внимание при разработке вычислительной
аппаратуры. Одним из основных недостатков ИД
первого поколения было снижение излучательной
составляющей внутреннего квантового выхода и, со;
ответственно, излучательной мощности ИД и пара;
метров ОАК, связанных с этим, например, снижение
коэффициента передачи по току ОАК, “несрабатыва;
ние” выходных микросхем из;за малого выходного
“вытекающего” тока микросхем и т.п.
Наиболее интенсивная деградация ИД происходит
в том случае, если изначально полупроводниковый
материал (GaAs, GaAlAs и др.) имел повышенную де;
фектность, т.е. обладал высоким уровнем безызлуча;
№8, 2008
49
КАЧЕСТВО: РУКОВОДСТВО, УПРАВЛЕНИЕ, ОБЕСПЕЧЕНИЕ
тельной составляющей, например, из;за недостаточно
высокой чистоты исходного арсенида галлия. Этот
факт авторами был подтвержден экспериментально.
При эксплуатации ИД в составе ОАК в вычислитель;
ной аппаратуре были обнаружены отказы ОАК из;за
снижения коэффициента передачи по току.
Отказавшие приборы исследовались. Методика
исследования заключалась в следующем [4]. Воль;
тамперная характеристика ИД может быть описана
выражением:
где Iупр – прямой ток через ИД; Iбез – безызлучатель;
ная составляющая тока ИД; Iизл – излучательная со;
ставляющая тока ИД; U – прямое напряжение на ИД;
е – заряд электрона; k – постоянная Больцмана; Т –
температура кристалла ИД, °К.
Графики обеих функций выражения для удобст;
ва анализа приведены в полулогарифмическом мас;
штабе (рис. 2).
Вольтамперные характеристики (ВАХ), изобра;
женные на рис. 2, можно разделить на две группы: ле;
вее остальных проходят характеристики ИД дефект;
ных ОАК, правее расположены характеристики год;
ных ОАК. По виду ВАХ на начальном участке (диа;
пазон нано; и микротоков) можно сделать вывод о
наличии в теле кристалла ИД отказавших ОАК до;
полнительных каналов безызлучательной рекомби;
нации. Наклон ВАХ дефектных ИД меньше наклона
прямой eeU/2kT. Это, в свою очередь, сдвигает прямую
ветвь ОАК.
Для подтверждения этого дефекта были проведе;
ны испытания двух групп ОАК. Первая группа ОАК
№8, 2008
была укомплектована ИД, у которых наклон ВАХ на
начальном участке больше наклона прямой у eeU/2kT
(имеется в виду прямая в полулогарифмическом
масштабе), а вторая группа ОАК – у которой наклон
меньше. В результате испытаний на длительную ра;
боту было обнаружено повышенное число отказов в
первой группе ОАК.
Данный факт может быть положен в основу мето;
дики отбраковки потенциально ненадежных ОАК на
стадии их изготовления или в процессе эксплуата;
ции ОАК, а на входном контроле – с целью отбраков;
ки потенциально ненадежных ОАК, которые монти;
руются в узлы и блоки вычислительной аппаратуры.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дмитриев В.П. Физико;технологические методы
повышения радиационной стойкости элементной
базы оптоэлектроники // Сб. статей «Вопросы
обеспечения радиационной стойкости электрора;
диоизделий и материалов к воздействию ионизи;
рующего излучения ядерного взрыва»; – М., 1985.
С. 162;166.
2. Aukerman L.W., Miller M.F. and Coll M.M.
Processes in neutron irradiated silicon//IEEE
Transactions on nuclear Science. NS;13, 174. 1966.
3. Дмитриев В.П., Волчков В.П., Носов Ю.Р. Поме;
хоустойчивый формирователь оптических сигна;
лов // Б.И. №5. 1986. – А.С. № 1237042.
4. Дмитриев В.П., Гридин В.Н., Гребнев А.К. Оптоэ;
лектронные приборы и устройства. – М: Радио и
связь, 1998. 336 с.
КАЧЕСТВО ИННОВАЦИИ ОБРАЗОВАНИЕ