第十章輻射效應課件

第九章輻射效應輻射環(huán)境，輻射效應，輻射的加固第九章輻射效應輻射環(huán)境，輻射效應，輻射的加固1輻射效應的基本情況核輻射的發(fā)展簡史國外情況國內情況研究對象與方法描述輻射效應的幾個物理量中子注量總劑量劑量率輻射效應的基本情況核輻射的發(fā)展簡史2發(fā)展簡史國外20世紀50年代，研究各種材料在輻射場中性能的變化1968年美國出版了半導體輻射方面的專著1964年成立輻射效應委員會，并每年一次學術會議（IEEE出版核科學會刊）歐洲是核輻射研究的另一個發(fā)展中心國內20世紀60年代，原電子部14所開始材料和器件的輻射效應研究1979年成立核電子學與核探測技術學會1980年在成都召開了第一次抗輻射學術會議發(fā)展簡史國外3研究對象與方法主要是輻射環(huán)境中的材料、元器件、集成電路和電子系統(tǒng)熱門課題新型抗輻射器件Si/SiO2界面因輻射產生的俘獲電荷和界面態(tài)理論亞微米器件SOS和SOI抗輻射隔離技術空間和靠近地面大氣的單粒子環(huán)境和效應，高能中子引起CPU等ULIC的閂鎖雙極，異質結器件及其IC的輻射效應研究方法研究對象與方法主要是輻射環(huán)境中的材料、元器件、集成電路和電子4描述輻射效應的幾個物理量中子注量：在給定的時間間隔內進入空間某點為中心小球體的中子數除以球體最大截面積的商總劑量：樣品在受輻射期間內吸收的累積劑量劑量率：樣品在單位時間內吸收的劑量描述輻射效應的幾個物理量中子注量：在給定的時間間隔內進入空間5輻射環(huán)境核爆炸輻射環(huán)境：x射線，中子，γ射線空間環(huán)境：宇宙射線、范艾倫帶、極光輻射和太陽耀斑模擬源環(huán)境：中子劑量，γ和X射線總劑量等核動力輻射環(huán)境：核電站、核潛艇等產生的輻射環(huán)境其他輻射環(huán)境：正負離子對撞機等在運行時可產生附帶的x射線輻射環(huán)境核爆炸輻射環(huán)境：x射線，中子，γ射線6輻射損傷機理位移效應電離效應劑量增強效應：x射線或低能γ射線射入不同原子序數材料組成的界面時，在界面較低原子序數材料內將產生劑量增強，與入射的方向無關，導致在相同劑量下，x射線對器件的損傷比核爆炸γ射線等要嚴重低劑量率效應：劑量率小于0.0167Gy/s輻射損傷機理位移效應7位移效應中子不帶電，穿透能力強，與原子核產生彈性碰撞，形成晶格中的間隙原子空位與雜質結合，使雜質不參與導電，從而改變雜質濃度。弗侖克爾缺陷：單原子位移缺陷群：中子能量足夠大位移效應中子不帶電，穿透能力強，與原子核產生彈性碰撞，形成晶8位移效應對半導體參數的影響降低少數載流子的壽命：輻照形成的缺陷在禁帶內引入附加能級，增加了復合的幾率雙極晶體管，硅太陽能電池，單結晶體管和硅可控整流器載流子去除效應：降低半導體材料的純雜質濃度場效應晶體管，耿氏體效應器件，整流和開關二極管，穩(wěn)壓二極管等位移效應對半導體參數的影響降低少數載流子的壽命：輻照形成的缺9位移效應對半導體參數的影響降低載流子的遷移率當中子輻射在半導體材料內引入缺陷后，這些缺陷可作為載流子的散射中心，有效地降低載流子的遷移率。位移效應對半導體參數的影響降低載流子的遷移率10電離效應對MOS和雙極器件或材料的表面性能產生影響；也可使器件或電路產生光電流，引起電路擾動，嚴重時引起器件閂鎖或燒毀引起軟錯誤或硬失效分類總劑量效應劑量率效應單粒子效應電離效應對MOS和雙極器件或材料的表面性能產生影響；也可使器11總劑量效應：1、在界面附近的正電荷改變了SiO2/Si界面勢位，必須在柵上加負電壓才能抵消界面處正電荷層的影響，影響N溝MOS的閾電壓，2、使SiO2/Si界面SiO2一側約0.5nm的范圍內部分SiO2的價鍵斷裂，引入界面態(tài)3、如果表面用SiO2鈍化，也會產生正電荷俘獲或界面態(tài)，這種表面電荷能降低少數載流子壽命總劑量效應：12劑量率效應當γ射線射入半導體材料，部分光子能量被材料吸收和引起電離，激勵出電子，且在材料內產生空穴-電子對，隨著輻射強度的增加，空穴-電子對也隨時間按比例變化光電流劑量率效應當γ射線射入半導體材料，部分光子能量被材料吸收和引13單粒子效應對集成電路，單粒子進入產生發(fā)生軟誤差，使存儲單元的邏輯狀態(tài)發(fā)生變化，使集成電路產生擾動如果單粒子通過SiO2柵氧化物時，引起VLSI的MOS管的閾電壓漂移，可能使器件失效，比如14MeV的中子產生的缺陷大小可與存儲單元的尺寸比擬時。單粒子效應對集成電路，單粒子進入產生發(fā)生軟誤差，使存儲單元的14分立器件的輻射效應二極管雙極晶體管異質結雙極晶體管（HBT）MOS場效應晶體管太陽能電池分立器件的輻射效應二極管15二極管二極管16第十章輻射效應ppt課件17雙極晶體管中子輻射：降低基區(qū)少數載流子壽命，從而降低器件的電流增益中子輻射在集電區(qū)引起載流子的去除效應，增加了集電區(qū)電阻，飽和壓降增加，漏電流增加。對于功率器件和高反壓器件尤其明顯IRB：基區(qū)體復合電流IRG：基極-發(fā)射極耗盡區(qū)的復合電流Kf：中子輻射復合損傷常數雙極晶體管中子輻射：降低基區(qū)少數載流子壽命，從而降低器件的電18第十章輻射效應ppt課件19總劑量對雙極器件的影響電離輻射引起的氧化物中缺陷加圖漏電流損傷退火劑量率在基極-集電結產生光電流總劑量對雙極器件的影響電離輻射引起的氧化物中缺陷加圖20異質結雙極晶體管（HBT）中子注量使E-B結內的復合增加，HBT的增益下降總劑量輻射后，器件的增益下降，fT和fmax也下降異質結雙極晶體管（HBT）中子注量使E-B結內的復合增加，H21第十章輻射效應ppt課件22MOS場效應晶體管中子注量：N/P溝MOS的電參數變化很小總劑量：在氧化層一側累積正電荷，使P型MOS的負閾值電壓更負劑量率：PMOS產生光電流NMOS產生光電流與劑量率不完全成線性關系MOS場效應晶體管中子注量：N/P溝MOS的電參數變化很小23第十章輻射效應ppt課件24CMOS集成電路輻射效應中子注量：不靈敏，抗中子水平可達1015/cm2總劑量:有四種失效模式邏輯電路的開關狀態(tài)失效由于上升和下落時間的增加，電路達不到要求的速度漏源電流過大電路的噪聲容限變小劑量率擾動：N溝/P溝的光電流，對輸出電壓產生影響閂鎖效應CMOS集成電路輻射效應中子注量：不靈敏，抗中子水平可達1025大規(guī)模集成電路的軟誤差是一種隨機的非破壞性的誤差，受封裝材料α射線的影響α粒子是失去兩個電子的氦核，包含兩個中子和兩個質子，是原子序數高的核素在放射性衰變中放射出來的其能量范圍4-9MeV，在空氣中的射程為2-9cm，在硅中的約16-65um在物質中近似直線形式前進，分散性小幾乎所有的封裝材料都含有α粒子的放射源大規(guī)模集成電路的軟誤差是一種隨機的非破壞性的誤差，受封裝材料26第十章輻射效應ppt課件27影響軟誤差率的因素軟誤差率（%/1000器件小時）與α射線通量（α/cm2小時）成直線關系臨界電荷與鑒別信息“1”，“0”的電壓差成正比，與軟誤差率近似成反比關系。集成度和幾何尺寸，集成度高，臨界電荷減小，軟誤差率增加收集效率影響軟誤差率的因素軟誤差率（%/1000器件小時）與α射線通28降低軟誤差率的措施增大臨界電荷改變結構設計在基片表面附近設置電位勢壘，推遲和減少電子或空穴集中到電路節(jié)點采用SOI結構降低少數載流子壽命引入載流子收集區(qū)和分散區(qū)降低軟誤差率的措施增大臨界電荷29半導體器件的核加固核加固的基本方法利用全新的抗輻射元器件（包括采用新材料和新結構對現有器件進行改進輻射效應作用的對象和過程不同，采用的加固措施也不同中子注量：縮小產生輻射效應的體積，縮短少子壽命，降低對輻射的敏感程度總劑量效應：改善表面氧化層劑量率：減少產生輻射效應的體積，盡量減少反偏pn結的大小并降低反偏電壓；在電路中采用合理的設計，加補償回路和限流保護電阻等半導體器件的核加固核加固的基本方法30雙極晶體管的抗核加固技術減少產生輻射效應的體積采用薄基區(qū)：減小W，橫向幾何尺寸，淺結擴散降低少數載流子壽命降低飽和壓降：采用外延層結構，降低集電區(qū)電阻率表面鈍化：三氧化二鋁，氮化硅等采用真空封裝和加保護涂層使器件在hFE~I關系曲線的峰值附近工作輻射篩選：預輻照，然后退火，消除損傷后使用雙極晶體管的抗核加固技術減少產生輻射效應的體積31MOS器件的抗輻射加固技術合理選擇柵介質材料Al2O3，Si3N4，Al2O3/SiO2