半导体器件空间辐射总剂量效应

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1、半导体器件空间辐射总剂量效应孙越强朱光武王世金梁金宝王晶陶鹏杜起飞(中国科学院空间科学与应用研究中心北京8701信箱)摘要：空间辐射总剂量效应是引起航天器故障最主要的因素之一。本文主要介绍了，半导体器件辐射总剂量效应的机理，影响器件辐射损伤程度的因素，及器件抗辐射总剂量的测试方法。关键词：电离辐射，说剂量效应.91m最初的辐射研究源于天然核素自发地放射出的p射线、a射线、Y射线。今天我们知道a射线就是氦核子，p射线就是电子，丫射线就是光子。造成辐射剂量效应的辐射除了p射线、a射线、射线，还有质子

2、、中子、X射线、重离子等。r辐射总剂量效应主要是通过以下两种方式产生：一是电离作用，即入射粒子的能量通过被照射的物质的原子电离而被吸收；二是原子的位移作用，即被髙能离子击中原子的位置移动而脱离原来所处晶格中的位置，造成晶格缺陷。位移损伤与电离损伤相比，电离损伤后果更为严重，更易于发生，因此本研究重点是电离辐射剂量。辐射对物质的效应是很复杂的，有电学的、光学的、生物学的和机械学的效应。就辐射来讲，一般可把物质分为两大类：无机和有机。每类按其耐辐射程度又分为：优、中和差二等。一般来说，金属由于共享电

3、子可相对自由地在晶格间移动，因此比较不容易受到辐射损伤，尤其是电离辐射损伤；绝缘体、电介质、塑料润滑剂、液体橡胶等具有共价结合的材料易受电离辐射。无机材料比较耐辐射，但光学和半导体材料是例外；玻璃透镜和玻璃窗对辖射是很敏感的，当受到104—105Rad辐射时，它的颜色就开始变黑；半导体器件在受到103Rad就有产生明显的效应；有机材料对辐射更灵敏。半导体器件在空间受到辐射主要是电子、质子、重离子。2.半导体器件电离辐射总剂量效应机理及影响因素当Si_Si02系统在受到辐射时，在Si02中将以7.

4、6xl012pairs/rad(Si02)cm3比率产生电子空穴对，因为电子具有较高迁移率迅速移开，而空穴迁移率低，其中一部分将被氧化层（Si02)内494的陷阱和Si—Si02界面陷阱所俘获，在氧化层中形成净正电荷，在Si_si025面生成新增界面层。如果在Si02中没有电场的存在，绝大部分的电子与空穴将立即复合*只有极少量的空穴被俘获；而如果在Si02中加有电场，电子与空穴将分别向正、负极移动，高迁移率电子将沿正电极迅速流入外电路，电子与空穴立即复合的几率将被大大减少，被俘获的空穴将大大增加

5、。被俘获的空穴不稳定，随着时间（小时〜年）将逐渐退火，此现象被称为退火效应。虽然电离效应在半导体内部产生的电子空穴对可以很快地复合，但因半导体器件表面存在钝化层Si02,MOS器件栅极还存在栅氧化物（Situ,因此，半导体器件在受到辐射时将在钝化层氧化物中，特别是MOS器件的栅氧化物中，建立了氧化物的正电荷及在Si/Si02界面新增界面态。随着吸收剂量的不断累加，氧化层中的净正电荷及Si—Si02界面上的新增界面层，将不断增加，从而使半导体器件性能不断衰退，如器件的阈值电压不断增加，增益逐渐降低

6、，工作点不断漂移,甚至最终彻底损坏。表1为常用半导体器件受到辐射后工作参数的变化趋势表。表L常用半导体器件受到辐射后工作参数的变化趋势器件类型工作参数参数随注量增大的变化趋势说明pn结二极管正向电压VF增大由于掺杂分布的缘反向击穿电压vr稍增大故，具有低击穿电压反向漏电流Ik增大的快速二极管对永久上升时间tR增大性效应不灵敏存储时间ts减小隧道二极管峰电流IR稍减小由于重掺杂，辐射影谷电流Iv增大响较小双极晶体管电流增益hre减小髙频比低频晶体管的反向漏电流IlCBO增大抗辐射性能好饱和压降VC

7、ES增大MOS场效应管跨导gm减小对中子辐射影响小，闽电压VcT增大但对Y辖射十分灵敏，沟道电阻Rces增大VCT系向负压方向漂移结型场效应管跨导gm减小对中子辐射影响小漏电流IKS(Vc=0)增大夹断电压Vp减小可控硅器件控伟!1极触发电流IwIcf要求的控制极触发电压Vcf增大太阳能电池短路电流I.。减小np比pn结器件抗福开路电压Voc减小射性能好约一个数量最大可能的功率比减小级495电离总剂量效应对器件的损伤程度通常与如下几个方面有关：a.辐射时器件的工作状态，如偏置电压，电源电压等。P

8、MOS器件栅极正偏压愈大，在同样剂量下栅极阈值电压变化越大，无偏置时阈值电压变化最为缓慢。而线性1C,无偏置时，损伤更为严重[2]。晶体管无偏置时辐射损伤低两倍[2]。b.退火效应c.剂量率。对于双极性的器件，在1991年人们发现其存在低剂量率增强效应（ELDRS)。如下图1、2所示。在低剂量率时，阈值电压变化灵敏度被大大增强。这里需特别注意的是，在美军标MIL-STD-883B，1019器件抗剂量辐射试验条件中规定，辐照试验用的辐射剂量率为50-300rad/Sec,而实际空间辐射剂量率低于0