星用双极型器件带电粒子辐照效应及损伤机理

摘要

本文在分析轨道环境参数、地面模拟试验因素等影响的基础上，应用不同能量质子、电子、Br离子及 Co-60?射线作为辐照源，研究了国产 NPN型晶体管(3DG112D、3DG130D)、PNP晶体管(3CG130D)及TTL集成电路(54LS86)的辐照效应和性能退化规律。在此基础上，揭示了双极型晶体管的电离效应、位移效应及电离和位移协同效应的机制，给出了双极型晶体管电离损伤量化模型，并提出了基于器件敏感区NIEL的位移损伤等效模拟试验方法。
　　研究结果表明，在相同的辐照源种类、粒子能量及通量条件下，不同双极型晶体管与集成电路的电性能参数退化趋势相类似，均随辐照注量的增加而加剧。不同双极型晶体管对辐照损伤的敏感性可通过相同性能参数(如电流增益)进行比较。辐照通量在所选择的范围内对双极型器件的电性能退化影响不大，而高通量1MeV电子辐照会加剧双极型集成电路的某些电性能参数(如54LS86器件的VOH)的退化。
　　通过分析双极型晶体管辐照损伤的性能退化规律及单位注量入射粒子的电离吸收剂量 Di和位移吸收剂量 Dd，提出了 Dd/(Dd+Di)作为判定辐照粒子产生位移损伤能力大小的参数。入射粒子在器件敏感区内产生的Dd/(Dd+Di)越大，造成的位移损伤越严重，器件的电性能退化越易呈现位移损伤的特征。在此基础上，基于敏感区 NIEL的位移吸收剂量等效方法，可将多种辐照粒子造成的位移损伤进行归一化。
　　通过70keV和110keV电子及70keV质子辐照试验结果表明，当晶体管受到电离损伤时，其电流增益的倒数随辐照注量的增加而增加且逐渐趋于饱和状态。在相同的辐照注量下，不同种类和能量的入射粒子对双极型晶体管产生不同的电离损伤程度，主要是由于入射粒子的电离损伤能力不同。通过理论计算与性能退化规律分析可知，单位注量入射粒子所导致的电离辐射吸收剂量越大，对双极型晶体管造成的电离损伤程度越小。
　　基于辐照过程中双极型晶体管偏置条件的影响分析可见，偏置条件对电离损伤和位移损伤的影响程度不同。当发射结电压正偏时，耗尽层宽度变窄，受电离效应的影响变弱，导致电离损伤程度较小；反之，反偏会使电离损伤程度加大。偏置条件不会对位移损伤导致的体缺陷造成较大的影响，使位移损伤受偏置的影响较小。但在发射结正偏时，由于电荷的注入，会使基区内的体损伤发生退火效应。
　　从质子和电子综合辐照试验及器件模拟分析两方面，揭示出双极型晶体管呈现电离和位移协同效应的机理。研究结果表明，170keV质子和110keV(或70keV)电子综合辐照时，位移损伤是决定双极型晶体管电性能退化的主导机制，而电离效应会对位移效应起到退火和加剧两种作用。电离效应可在 Si体内产生光电流并钝化一部分位移效应导致的体缺陷，造成位移损伤的退火；电离效应在氧化物层内产生的正电荷及 Si/SiO2界面处的界面态，会使表面复合电流峰向体内移动，导致对体复合电流的影响增强，加剧位移损伤效应。并且，NPN型和PNP型双极型器件的电离和位移协同效应变化趋势一致。
　　基于空间辐射环境参数计算、地面模拟试验结果及辐照损伤效应分析，提出了用于评价双极型器件在轨性能退化的预测方法。该方法考虑了轨道环境中不同种类和能量带电粒子对电离效应和位移效应的贡献，具有实际应用的价值和可行性。

目录

星用双极型器件带电粒子辐照效应及损伤机理

RADIATION EFFECTS AND DAMAGEMECHANISMS CAUSED BY CHARGEDPARTICLES ON BIPOLAR DEVICES USED FORSPACECRAFT

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 高能带电粒子辐射环境及模型

1.3 双极型晶体管工作原理

1.4 双极型器件的辐射效应

1.5 双极型器件辐射效应研究进展

1.6 本文的研究目的和主要内容

第2章 试样及试验方法

2.1 试验样品

2.2 电学参数测试

2.3 辐照源的选择

2.4 测试设备及装置

第3章 双极型器件辐照损伤效应及性能退化规律

3.1 3DG112D晶体管的辐照损伤效应

3.2 3DG130D晶体管的辐照损伤效应

3.3 3CG130D晶体管的辐照损伤效应

3.4 双极型晶体管电流增益的退化

3.5 双极型集成电路的辐照损伤效应

3.6 本章小结

第4章 双极型器件辐照损伤机理分析

4.1 入射粒子辐射损伤能力判据

4.2 电离辐射效应损伤机理

4.3 位移辐射效应损伤机理

4.4 电离与位移损伤交互作用机理

4.5 双极型晶体管与集成电路的关联

4.6 本章小结

第5章 双极型器件在轨性能退化预测相关问题探讨

5.1 预测流程

5.2 空间带电粒子轨道微分能谱计算

5.3 在轨能谱辐射吸收剂量计算

5.4 在轨性能退化预测方法

5.5 预测结果分析

5.6 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历