第十章輻射效應(yīng)課件

第九章輻射效應(yīng)輻射環(huán)境，輻射效應(yīng)，輻射的加固第九章輻射效應(yīng)輻射環(huán)境，輻射效應(yīng)，輻射的加固1輻射效應(yīng)的基本情況核輻射的發(fā)展簡史國外情況國內(nèi)情況研究對象與方法描述輻射效應(yīng)的幾個物理量中子注量總劑量劑量率輻射效應(yīng)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(dǎo)體輻射方面的專著1964年成立輻射效應(yīng)委員會，并每年一次學(xué)術(shù)會議（IEEE出版核科學(xué)會刊）歐洲是核輻射研究的另一個發(fā)展中心國內(nèi)20世紀60年代，原電子部14所開始材料和器件的輻射效應(yīng)研究1979年成立核電子學(xué)與核探測技術(shù)學(xué)會1980年在成都召開了第一次抗輻射學(xué)術(shù)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(chǎn)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(shù)空間和靠近地面大氣的單粒子環(huán)境和效應(yīng)，高能中子引起CPU等ULIC的閂鎖雙極，異質(zhì)結(jié)器件及其IC的輻射效應(yīng)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(yīng)的幾個物理量中子注量：在給定的時間間隔內(nèi)進入空間某點為中心小球體的中子數(shù)除以球體最大截面積的商總劑量：樣品在受輻射期間內(nèi)吸收的累積劑量劑量率：樣品在單位時間內(nèi)吸收的劑量描述輻射效應(yīng)的幾個物理量中子注量：在給定的時間間隔內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)電離效應(yīng)劑量增強效應(yīng)：x射線或低能γ射線射入不同原子序數(shù)材料組成的界面時，在界面較低原子序數(shù)材料內(nèi)將產(chǎn)生劑量增強，與入射的方向無關(guān)，導(dǎo)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(yīng)：劑量率小于0.0167Gy/s輻射損傷機理位移效應(yīng)7位移效應(yīng)中子不帶電，穿透能力強，與原子核產(chǎn)生彈性碰撞，形成晶格中的間隙原子空位與雜質(zhì)結(jié)合，使雜質(zhì)不參與導(dǎo)電，從而改變雜質(zhì)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(yīng)中子不帶電，穿透能力強，與原子核產(chǎn)生彈性碰撞，形成晶8位移效應(yīng)對半導(dǎo)體參數(shù)的影響降低少數(shù)載流子的壽命：輻照形成的缺陷在禁帶內(nèi)引入附加能級，增加了復(fù)合的幾率雙極晶體管，硅太陽能電池，單結(jié)晶體管和硅可控整流器載流子去除效應(yīng)：降低半導(dǎo)體材料的純雜質(zhì)濃度場效應(yīng)晶體管，耿氏體效應(yīng)器件，整流和開關(guān)二極管，穩(wěn)壓二極管等位移效應(yīng)對半導(dǎo)體參數(shù)的影響降低少數(shù)載流子的壽命：輻照形成的缺9位移效應(yīng)對半導(dǎo)體參數(shù)的影響降低載流子的遷移率當中子輻射在半導(dǎo)體材料內(nèi)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(yīng)對半導(dǎo)體參數(shù)的影響降低載流子的遷移率10電離效應(yīng)對MOS和雙極器件或材料的表面性能產(chǎn)生影響；也可使器件或電路產(chǎn)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(yīng)劑量率效應(yīng)單粒子效應(yīng)電離效應(yīng)對MOS和雙極器件或材料的表面性能產(chǎn)生影響；也可使器11總劑量效應(yīng)：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(cè)約0.5nm的范圍內(nèi)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(chǎn)生正電荷俘獲或界面態(tài)，這種表面電荷能降低少數(shù)載流子壽命總劑量效應(yīng)：12劑量率效應(yīng)當γ射線射入半導(dǎo)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(nèi)產(chǎn)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(yīng)當γ射線射入半導(dǎo)體材料，部分光子能量被材料吸收和引13單粒子效應(yīng)對集成電路，單粒子進入產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的缺陷大小可與存儲單元的尺寸比擬時。單粒子效應(yīng)對集成電路，單粒子進入產(chǎn)生發(fā)生軟誤差，使存儲單元的14分立器件的輻射效應(yīng)二極管雙極晶體管異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）MOS場效應(yīng)晶體管太陽能電池分立器件的輻射效應(yīng)二極管15二極管二極管16第十章輻射效應(yīng)ppt課件17雙極晶體管中子輻射：降低基區(qū)少數(shù)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(yīng)，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(fù)合電流IRG：基極-發(fā)射極耗盡區(qū)的復(fù)合電流Kf：中子輻射復(fù)合損傷常數(shù)雙極晶體管中子輻射：降低基區(qū)少數(shù)載流子壽命，從而降低器件的電18第十章輻射效應(yīng)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(jié)產(chǎn)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(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）中子注量使E-B結(jié)內(nèi)的復(fù)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(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）中子注量使E-B結(jié)內(nèi)的復(fù)合增加，H21第十章輻射效應(yīng)ppt課件22MOS場效應(yīng)晶體管中子注量：N/P溝MOS的電參數(shù)變化很小總劑量：在氧化層一側(cè)累積正電荷，使P型MOS的負閾值電壓更負劑量率：PMOS產(chǎn)生光電流NMOS產(chǎn)生光電流與劑量率不完全成線性關(guān)系MOS場效應(yīng)晶體管中子注量：N/P溝MOS的電參數(shù)變化很小23第十章輻射效應(yīng)ppt課件24CMOS集成電路輻射效應(yīng)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(guān)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(chǎn)生影響閂鎖效應(yīng)CMOS集成電路輻射效應(yīng)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(zhì)子，是原子序數(shù)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(zhì)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(yīng)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(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)設(shè)計在基片表面附近設(shè)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(jié)構(gòu)降低少數(shù)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(dǎo)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(jié)構(gòu)對現(xiàn)有器件進行改進輻射效應(yīng)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(chǎn)生輻射效應(yīng)的體積，縮短少子壽命，降低對輻射的敏感程度總劑量效應(yīng)：改善表面氧化層劑量率：減少產(chǎn)生輻射效應(yīng)的體積，盡量減少反偏pn結(jié)的大小并降低反偏電壓；在電路中采用合理的設(shè)計，加補償回路和限流保護電阻等半導(dǎo)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(shù)減少產(chǎn)生輻射效應(yīng)的體積采用薄基區(qū)：減小W，橫向幾何尺寸，淺結(jié)擴散降低少數(shù)載流子壽命降低飽和壓降：采用外延層結(jié)構(gòu)，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(guān)系曲線的峰值附近工作輻射篩選：預(yù)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(shù)減少產(chǎn)生輻射效應(yīng)的體積31MOS器件的抗輻射加固技術(shù)合理選擇柵介質(zhì)材料Al2O3，Si3N4，Al2O3/SiO2