Слаботочка Книги

0 1 2 3 4 5 6 7 8 [9] 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

- вероятность безотказной работы в течение времени t *>:

P(0 = jf(Od = e-";

- средний срок службы (физическая долговечность):

- интенсивность отказов k{t)=f{t)/P{i)=X;

-гарантийный срок службы, отвечающий заданной вероятности безотказной работы (или у-процентный ресурс) t., определяемый из уравнения Р(,) = у.

Кроме этих характеристик, используемых в научно-технической литературе, в технической документации на оптроны учитывается еще и минимальная наработка на отказ - минимальное время работы изделия в заданных режимах, в течение которого отказы практически отсутствуют **\

Следует иметь в виду, что в технической документации приводятся так называемые «производственные» значения н, , гарантируемые при испытаниях в очень жестких условиях, практически не встречающихся в эксплуатации. Опыт показывает, что значение X, наблюдаемое при эксплуатации приборов, не менее чем на 1-2 порядка меньше значения К, получаемого при производственных испытаниях. Иными словами, «эксплуатационная» надежность приборов во столько же раз выше «производственной».

При исследовании надежности оптронов выделяют два вида отказов: частичные (параметрические), проявляющиеся в уходе хотя бы одного из важнейших параметров оптрона за пределы норм, установленных в технической документации и полные (или катастрофи-

*) Вторые равенства в этой и последуюа;их формулах справедливы для случая экспоненциального закона распределения отказов во времени, т. е. при X = const.

**) Введение этого параметра, строго не определенного, отражает тот факт, что при высокой надежности полупроводниковых приборов при малом времени испытания (до 10 ... ч) и ограниченных выборках (50 ... 100 шт.) отказы наблюдаются крайне редко.

ческие), проявляющиеся в том или ином нарушении конструкционной целостности прибора: возникновение обрывов, коротких замыканий или очень сильное ухудшение определяющих параметров. При оценке схемотехнических возможностей оптронов в расчет приходится принимать отказы обоих этих видов.

К числу параметров - критериев годности оптронов- относятся: коэффициент передачи тока Кг, темно-вой обратный ток фотоприемника /т вых (для фотоприемников с р-п-переходом), сопротивление гальванической развязки /?разв, падение прямого напряжения на светодиоде Ux- Выбор этих параметров обусловлен тем, что они характеризуют входную, выходную, передаточную характеристики оптрона и его свойства как элемента гальванической развязки. Сохранение этих параметров в пределах оговоренных норм свидетельствует о работоспособности оптрона.

Изучение длительной работы оптронов, оптоэлек-тронных микросхем и их компонентов в лабораторных и производственных условиях, а также в процессе эксплуатации в аппаратуре приводит к заключению, что в качестве основных могут быть выделены следующие причины отказов (с соответствующими значениями интенсивностей отказов):

- деградация излучателя, выражающаяся в посте-- пенном уменьшении его внешнего квантового выхода и

проявляющаяся в уменьшении коэффициента передачи тока оптрона (Аизл);

- ухудшение параметров выходной цепи, вызванное деградационными процессами в фотоприемнике (А,фп1);

- деградация параметров фотоприемника под воздействием высокой напряженности электрического поля ,между элементами оптрона (Яфпг);

- возникновение тех или иных нарушений конструкции в процессе эксплуатации (обрывы внутренних проволочных межсоединений, помутнение или расслоение иммерсионной среды, возникновение утечек между входом и выходом по наружной и внутренней поверхностям корпуса и т. п.) (Ак);

- неправильное применение оптрона.

Полагая, что перечисленные механизмы отказов действуют независимо друг от друга и для каждого из них справедлив экспоненциальный закон, исключая также Нз рассмотрения неправильное при.менение оптронов,



можно записать [28] =?1„зл+А,фп1+Хфп2+Як. Значения всех этих параметров теоретич-ески не рассчитываются, а определяются эмпирически на основании многочисленных испытаний на долговечность.

Перейдем к рассмотрению физических процессов, определяющих изменение параметров оптронов в процессе эксплуатации. Эмпирически твердо установлено, что в процессе работы внешний квантовый выход излучателя уменьшается тем более заметно, чем больше рабочий ток светодиода /пр и чем выше температура окружающей среды вокр- Сопоставление вида вольт-амперных и ампер-ваттных характеристик светодиодов в процессе старения показывает, что уменьшение r]ext обусловлено уменьшением как коэффициента инжекции у, так и внутреннего квантового выхода Tjint. Величина 7 уменьшается вследствие изменения структуры объемного заряда вблизи р-л-перехода и возрастания роли безызлучательной рекомбинации в этой области и .на поверхности. Эти эффекты существенны при измерении мощности излучения в области малых токов.

Известно, что имеется много факторов, уменьшающих величину квантового выхода светодгюда. К ним относятся дефекты, возникающие в диодах в процессе изготовления: недопустимые отклонения концентрации вводимых примесей, избыточная концентрация неконтролируемых примесей, отклонения от стехиометрии, рассогласование постоянных решетки в гетеропереходе, большая концентрация дислокаций, микротрещнн и дефектов поверхности, возникающих при механической и термической обработке, химические загрязнения [7]. Для деградации существенны процессы, приводящие к изменению картины распределения дефектов в полупроводниковом кр11сталле. Наиболее удачно процессы деградации объясняются в рамках диффузионной модели [29] и модели, связанной с образованием в обедненном слое точечных дефектов по Френкелю [30].

Первая модель связана с дрейфом в поле р-п-перехода ионов быстро диффундирующих атомов, главным образом меди. Создавая центры с глубокими уровнями, медь тем самым увеличивает вероятность безызлучательной рекомбинации и ведет к уменьшению Timt-Интенсивность диффузионно-дрейфового процесса возрастает в местах механических напрял<ений и микротрещин, в местах скопления дислокаций и т. п. Отсюда

неоднозначность экспериментальных результатов разных авторов.

Вторая модель учитывает смещение атомов вследствие безызлучательной рекомбинации и образования парных дефектов узел -ушедший атом, также повышающих интенсивность безызлучательной рекомбинации. При очень больших плотностях тока в междоузлия могут переходить и атомы, ответственные за излучатель-ную рекомбинацию (например, Zn), что также ведет к снижению T)int [31]. Все эти механизмы предсказывают степенную зависимость деградации от прямого тока:

дег--/,

где /дег - время процесса, обычно определяемое по уровню T)int(О ==72111111(0); т=\ ... 2.

Зависимость процесса деградации от температуры вокр хорошо подчиняется закону Аррениуйа:

~ехр(£а/вокр), -

где Ец - активационная энергия, определяемая типом . излучающей структуры. Для GaAs ее значение составляет 0,4 эВ при легировании цинком и 1 эВ при легировании кремнием; для GaP (Яизл=0,66 мкм) 0,7 эВ [32]; для GaAsP (Лизл=0,67 мкм) 0,4 эВ [33] и для GaAlAs (л„зл=0,80 мкм) 0,5 эВ [34].

Исследование работоспособности большого числа ти-;пов оптронов подтвердило правильность развитых представлений; э.мпирическая формула долговечности, учитывающая отказы излучателя (кшл), конструкции (Лк) и прямые отказы фотоприемника (Кфп) имеет вид [35]

(1.32)

где коэффициент Л - эмпирическая константа, характерная для приборов данного конкретного типа. Она определяется рядом факторов:

1. Материал и конструкция излучателя. Жидкофаз-ные излучатели надежнее диффузионных GaAs(Zn); для диффузионных излучателей надежность тем выше, чем больше площадь р-п-перехода.

2. Материал оптической среды. Воздушное наполнение корпуса оптрона дает несколько большую надеж-

fность, чем при соединении излучателя и приемника Пластмассовыми оптическими клеями или силиконовой резиновой связкой. Различие это, правда, невелико и нередко перекрывается действием других факторов.



3. Вид корпуса. Предпочтительны герметичные ме-таллостеклянные корпуса (в сравнении с пластмассовыми), однако различие в величине долговечности не всегда заметно.

4. Определение параметров - критериев годности. Обычно в процессе длительной работы допустимым считается уменьшение коэффициента передачи тока Ki на 30% от начального номинального значения. Если же перейти на 50%-ный допустимый уровень снижения Ki, то определяемое значение оптр увеличится в 2 ... 3 раза.

-9 piI}«

ТТТТТТТП

1 - J п

Рис. 1.25. Влияние напряження развязки {1) на возникновение подвижных носителей заряда на пассивированной поверхности фототранзистора (2) и каналов в базовой области (3) / - светодиод, 2 - фототранзистор, 3 - ионный экран

Vtttttttt

Эмпирическое значение Еа. в формуле (1.32) близко к 0,15 эВ (т. е. при возрастании на каждые 30°С величина оптр снижается вдвое), что заметно расходится с приведенными выше данными. Это, по-видимому, связано с различными условиями эксперимента.

Приведенные оценки и соотношения носят фактиче- ; ски полуколичественный характер, они справедливы ; в том, относительно узком, интервале изменения параметров, который практически имеет место в оптронах, и, что самое главное, существенным образом зависят от технологического уровня изготовления данного типа оптронов.

Экспериментальные исследования показывают, что долговечность наиболее массовых отечественных и за-

рубел<ных оптронов при вероятности безотказной работы 0,99 превышает 40 ... 50 тыс. ч, а экстраполяция эмпирических кривых за 20 ... 30 тыс. ч приводит к величине физической долговечности (1/) вплоть до 10... 10« ч [34, 36, 37].

Специфически «оптронными» являются изменения параметров фотоприемников, обусловленные приложением высокого напряжения между излучателем и фотоприемником (напряжение гальванической развязки f/разв, рис. 1.25) [38]. Если выход оптрона находится под положительным смещением относительно входа, то • на пассивированной поверхности кристалла фототранзистора за счет миграции ионов неконтролируемых примесей щелочных металлов появляется отрицательный заряд: возникают каналы, приводящие к возрастанию тока утечки коллекторного перехода /т (рис. 1.25,а). При изменении полярности f/разв наведенный положительный заряд на поверхности кристалла так деформирует область объемного заряда, что уменьшается коэффициент Вст транзистора и соответственно/С/оптрона (рис. 1.25,6). Эффект возрастания /т и уменьшения Ki оказывается тем значительнее, чем больше величина t/разв и температура окружающей среды. Создание в активных зонах . фототранзистора специальных ионных экранов, обеспечивающих стекание наведенных зарядов с пассивирующей поверхности (рис. 1.25,в), открывает путь к устранению описанных деградационных дефектов [38, 39].

Параметры оптронов и устройств на их основе очень чувствительны к воздействию проникающей ядерной радиации, что связано прежде всего с особенностями излучателя. Облучение нейтронами или у-лучами приводит к образованию в кристалле арсенида галлия дефектов [40], являющихся центрами безызлучательной рекомбинации, вследствие чего мощность излучения падает. Установлено, что концентрация радиационных дефектов линейно зависит от потока облучения в широких пределах изменения последнего.

Теоретический анализ приводит к следующему выражению, определяющему уменьшение (деградацию) мощности арсенидогаллиевого излучателя после радиационного воздействия [41-43]:

Р = РЛ1--хД „Ф „)-,

де Р и Pq - мощность излучения до и после воздействия радиации; то -время жизни носителей заряда до




0 1 2 3 4 5 6 7 8 [9] 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45
Яндекс.Метрика