• A
  • A
  • A
  • АБВ
  • АБВ
  • АБВ
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»Исследовательские проектыРазработка теории и методологии определения влияния электрического поля на подвижность носителей заряда в молекулярно допированных полимерах для случая неравновесного транспорта

Разработка теории и методологии определения влияния электрического поля на подвижность носителей заряда в молекулярно допированных полимерах для случая неравновесного транспорта

Приоритетные направления развития: инженерные науки
2014

Цель работы: разработка теории и методологии определения влияния электрического поля на подвижность носителей заряда в молекулярно допированных полимерах для случая неравновесного транспорта.

Используемые методы:

  • современные физико-математические методы моделирования транспорта носителей заряда в неупорядоченных твердых телах;
  • радиационно-индуцированный метод времени пролета применительно к области сверхвысоких полей, близких к электрической прочности МДП;
  • оригинальная (защищенная рядом патентов), единственная в мире методика изучения электронного транспорта и электризации полимерных пленок на базе электронно-лучевого агрегата ЭЛА-50/5, созданная и работающая в Учебно-исследовательской лаборатории функциональной безопасности космических аппаратов и систем МИЭМ НИУ ВШЭ (УИЛ ФБКА и С);
  • метод структурного электрофизического моделирования, основанный на расчете картины растекания токов по элементам конструкции космических аппаратов (КА) при электростатических разрядах и последующем определении уровня электромагнитных помех во фрагментах бортовой кабельной сети (БКС)  КА, проложенных по внешней поверхности;
  • методы макромоделирования для ускоренного, без применения суперкомпьютеров, решения систем линейных дифференциальных уравнений большой размерности (порядка 106 и более), созданные, создающиеся и совершенствующиеся сотрудниками УИЛ ФБКА и С на основе математического аппарата теории матриц.

Эмпирическая база исследования:

  • проведение экспериментальных исследований по зависимости подвижности носителей заряда в МДП от приложенного электрического поля с использованием усовершенствованной методологии, основанной на радиационно-индуцированном варианте времяпролетной методики;
  • проведение численных расчетов на базе разработанной нами программы численного анализа неравновесного транспорта носителей заряда, используя для этой цели модель многократного захвата с гауссовым распределением ловушек по энергии.

Результаты работы:

  • Определены и доказаны фундаментальные ограничения моделей дипольных ловушек и диэлектрического континуума, дипольного стекла и гауссова беспорядка, связанные с режимом уже установившегося транспорта;
  • Теоретически предсказаны и экспериментально подтверждены данные по полевой зависимости подвижности в условиях неравновесного транспорта для нескольких наиболее типичных полярных МДП, позволяющие проведение корректировки общепринятого подхода к описанию эффекта Пула-Френкеля, и в частности, значения параметра, количественно характеризующего этот эффект;
  • Создана методология моделирования растекания токов по элементам конструкции космических аппаратов при электростатических разрядах и вычисление уровней помех в БКС на входах электронных блоков КА;
  • Определен и развит новый подход в методологии моделирования воздействия электростатического разряда на радиоэлектронную аппаратуру КА, на основе анализа кинетических особенностей нарастания тока при ЭСР и роли скин-эффекта при растекании токов от этих разрядов;
  • Предложена и обоснована новая классификация математических моделей элементов радиоэлектронных систем, позволяющая четко позиционировать модель с точки зрения ее функциональности;
  • Предложена и обоснована новая классификация методов синтеза структуры математических моделей элементов радиоэлектронных систем, основанная на теории надежности.

Степень внедрения, рекомендации по внедрению или итоги внедрения результатов НИР:

Итоги НИР:

  • Методами численного анализа с использованием модели многократного захвата изучено влияние неравновесности транспорта дырок на полевую зависимость дрейфовой подвижности в условиях классического времяпролетного эксперимента. Изначально полевая зависимость заложена в модель через частотный фактор и соответствует известному закону Пула-Френкеля. Рассмотрены случаи чисто дисперсионного транспорта, а также неравновесного транспорта, характерного для модели гауссова беспорядка. Показано, что анализ полевой зависимости подвижности в условиях неравновесного (особенно, дисперсионного) транспорта требует более тщательного рассмотрения, чем это принято в настоящее время.
  • Рассмотрены общие вопросы транспорта дырок и бимолекулярной рекомбинации носителей заряда в молекулярно допированном поликарбонате с низкой концентрацией допанта (10 мас.%). Экспериментальные исследования выполнены с использованием радиационно-индуцированного метода времени пролета с объемной генерацией носителей заряда. Проведены численные расчеты кривых переходного тока с использованием модели многократного захвата. Достигнуто хорошее совпадение расчетных и экспериментальных результатов по форме переходного тока. Показано, что в исследованном молекулярно допированном полимере наблюдается неравновесный транспорт дырок, а бимолекулярная рекомбинация близка к ланжевеновской при ее описании в рамках модели многократного захвата.
  • Рассмотрен оригинальный подход к решению большой системы линейных обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка. Изложен вывод новой редуцированной вычислительной схемы на основе методов Эйлера. Приведены нюансы алгоритмизации построения вычислительной схемы. Оценена погрешность данной схемы по сравнению с неявным методом Эйлера. Посчитаны временные затраты на реализацию редуцированной вычислительной схемы.
  • Разработаны новые редуцированные вычислительные схемы численного интегрирования системы линейных дифференциальных уравнений на основе методов Эйлера. При этом подвергается редукции не исходная модель в виде системы линейных обыкновенных дифференциальных уравнений, а математические выражения, определяющие явный и неявный методы Эйлера. С помощью новых вычислительных схем время расчета неизвестных величин в локальной области, обозначенной пользователем, было сокращено на 2-3 порядка по сравнению с вычислением неизвестных полной модели. Изложен вывод новых редуцированных вычислительных схем, приведена трудоемкость построения одной из них.
  • Разработан новый  метод построения макромоделей линейных электрических эквивалентных схем в однородном координатном базисе.  Подробно описана операция обращения полиномиальной матрицы второй степени, на которой основано построение макромодели. Метод позволяет существенно снизить трудоемкость построения макромоделей схем, содержащих большое количество индуктивных элементов, и матрицы моделей которых близки к плотным матрицам.
  • Рассмотрена модель заряженной платы (CBM) - особый вид ЭСР по модели заряженного компонента (CDM). Подтверждено снижение порога отказа электронных компонентов при CBM ЭСР. Проведено экспериментальное исследование и моделирование формы тока ЭСР. Получено хорошее согласование экспериментальных и расчётных данных.
  • Показатели безотказности бортовой космической аппаратуры в значительной степени зависят от характеристик надежности интегральных схем. Одной из возможных причин отказов интегральных схем является воздействие катастрофических электрических перегрузок вследствие электростатических разрядов. Рассмотрен метод формирования математической модели интенсивности отказов интегральных схем и возможность его применения для интегральных схем аппаратуры космических аппаратов, эксплуатируемых на геостационарных или высокоэллиптических орбитах.
  • Рассмотрены вопросы прогнозирования показателей надежности радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов, работающих в сеансном режиме для режима ожидания.
  • Изложен процесс подготовки и проведения компьютерного моделирования цифровых устройств бортовой аппаратуры космических аппаратов. Указанные цифровые устройства защищены от возникновения в диэлектрике печатного узла электростатических разрядов (в результате внутренней электризации) повышенной проводимостью этого диэлектрика – нанопроводимостью. Отличительной особенностью предложенного процесса моделирования является учет нанопроводимости диэлектрика печатного узла на параметры цифрового устройства.
  • Рассмотрены некоторые экологические вопросы, возникающие на разных стадиях жизненного цикла изделий, применяемых в процессе использования современных IT - технологий.

Рекомендации по внедрению результатов работы:

  • полученные результаты рекомендуется использовать при проектировании радиоэлектронной аппаратуры, работающей в экстремальных условиях космического пространства и в зонах атомных электростанций с повышенным радиационным фоном;
  • научные результаты по полевой зависимости подвижности носителей заряда в молекулярно допированных полимерах уместно использовать при разработке новых образцов множительной техники: цветных принтеров и ксероксов.

 

 

Публикации по проекту:


Vostrikov A. V., Borisov N. Development reduced computational scheme is based on using numerical methods for calculation of dynamic characteristics mathematical model, in: Innovative Information Technologies: Materials of the International scientific–practical conference. Part 2 / Ed. by S. U. Uvaysov. Part 2. M. : HSE, 2014. P. 633-639.
Гузенкова А. С., Иванов С. С., Гузенков С. А. Трещиностойкость напряженного полиэтилена в водном растворе ПАВ // Технология металлов. 2014. № 6. С. 28-31.
Pozhidaev E.D., Smirnov D.D., Pozhidaeva N.V. About the microscopic picture of the hole transport in dehdoped polycarbonate, in: Innovative Information Technologies: Materials of the International scientific–practical conference. Part 2 / Ed. by S. U. Uvaysov. Part 2. M. : HSE, 2014. P. 557-558.
Костенников С. И., Тумковский С. Р. Исследование адекватности макромодели операционного усилителя // В кн.: Современные проблемы и достижения в области радиотехники, телекоммуникаций и информационных технологий: Тезисы докладов VII Международной научно-практической конференции (17-19 сентября 2014 г., м. Запорожье). Запорожье : Запорожский национальный университет, 2014. С. 45-47.
Измайлов А., Саенко В.С. Компьютерное моделирование цифровых устройств на печатных узлах с нанопроводящим диэлектриком // В кн.: Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий: Материалы международной научно-практической конференции, 2014 / Отв. ред.: И. А. Иванов; под общ. ред.: С. У. Увайсов; науч. ред.: А. Н. Тихонов. М. : НИУ ВШЭ, 2014. С. 406-408.
Жаднов В. В. Прогнозирование показателей безотказности РЭА КА, работающей в сеансном режиме // В кн.: Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий: Материалы международной научно-практической конференции, 2014 / Отв. ред.: И. А. Иванов; под общ. ред.: С. У. Увайсов; науч. ред.: А. Н. Тихонов. М. : НИУ ВШЭ, 2014. С. 265-267.
Иванов Е. С., Гузенкова А. С., Иванов С. С. Ингибиторы кислотного травления сталей // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2014. № 5. С. 18-25.
Кечиев Л. Н., Кузнецов В. В., Абрамешин А. Е. Экспериментальное исследование формы тока ЭСР при разряде с печатной платой // Технологии электромагнитной совместимости. 2014. № 1(48). С. 46-52.