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[音乐播放] 大家好，我叫 Rob Baumann，是高可靠性方面的首席 技术专家。 如果在观看本视频之后，您想了解有关 TI 航天 产品的更多信息，请访问 ti.com/space。 感谢您的观看。 在本次讲座中，我们将讨论电离辐射 总剂量。 因此，我们重点关注辐射的物理表现。 也就是说，辐射是如何与物质发生相互作用的， 以及它会对电子器件产生什么影响？ 那么，辐射在物质中 损失能量的主要途径之一是制造电荷。 现在，如果没有采取任何措施， 该过剩的电荷将重新结合或移动到别处，具体取决于 器件中的电场。 那么，一般而言，半导体中的电荷 生成是瞬态的。 换话句话说，辐射经过 半导体，生成过量电荷， 然后，正如我所说的，其中的大量电荷 会重新结合，部分电荷由 处于不同电势的结 或节点进行收集。 辐射可能在物质中损失能量的另一种途径 是实际制造结构破坏。 这通常称为NIEL，即非电离 辐射能量损失，因为它不是直接形式的电荷 制造，而是通过辐射 对物质结构带来物理破坏。 例如，如果我们有一个质子，一个 射在硅器件上的高能质子，该质子 可能会造成结构破坏。 也就是说，它可能会将硅原子或掺杂剂 原子从其正常位置撞出，从而 通过结构破坏产生电子效应， 即使该初始反应未生成 电荷也是如此。 因此，基本而言，我们经历了瞬态电荷生成 和结构破坏。 另外还有第三种途径能让辐射从根本上 在物质中损失能量，这就是核反应。 例如，这是一个核粒子，比如 质子或中子，它射在硅 晶圆上，可能会实际与硅原子核发生反应， 从而形成核反应。 当然，这些像是小型原子核爆炸。 因此，您会得到副产品。 这些副产品是原子核碎片。 它们是高度电离辐射的，因此这些 副产品可能会生成其他瞬态 电荷，并造成其他结构破坏。 那么，这些是辐射与物质 相互作用时发生的三种机制。 现在，我们可以将我们在器件中看到的效应 分为两类。 第一类是所谓的剂量效应。 器件中存在与电荷相关的剂量 效应，这正是我们要在本部分中讨论的。 还存在与结构破坏相关的 剂量效应，我们将在单独的部分中 对其进行讨论。 但在计量效应之上，计量效应基本上 是长期接触辐射 --因此随着时间的推移， 接触辐射会缓慢地改变器件参数， 直到器件不再工作。 但关键点在于，它通常会在长时间内 会聚大量辐射粒子。 因此，您可以想象一下在轨卫星， 它围绕地球不停运转。 它每个小时都围绕地球运转。 它可能会在长达 10 年或 20年的时间中处于轨道上。 它会在其整个生命周期中都接触到辐射。 随着时间的推移，计量效应将开始接管。 与此形成鲜明对比的另一个关键 机制是单粒子效应。 再次说明一下，这不是本次讨论的主题。 但出于完整性考虑，我刚才提及了它。 在这种情况下，单个核粒子或 辐射粒子会导致可测量的扰乱或实际电路故障。 再强调一下，计量效应是随着时间推移长期接触辐射。 单粒子效应就像雷击。 基本而言，事件发生，紧接着就对您的电子产品 产生不良影响。 那么，在经过这些介绍之后，什么是电离辐射总剂量呢？ 我们把它视为许多辐射粒子的 积累接触。 因此它是长期接触。 再次想象一下不停地穿过辐射带运转的 在轨卫星。 它随着时间推移积累辐射。 主要的机制是，该辐射接触会 在栅氧化层和绝缘氧化层中 产生陷阱电荷和界面状态。 因此，基本而言，由于绝缘体的 电气属性，绝缘体基本会捕获该电荷。 我曾讨论过半导体中的 瞬态电荷生成。 在绝缘体中，该瞬态电荷 实际上可能是永久性的，因为它在绝缘体中 被捕获，无法移动。 最后，这些捕获的电荷随着时间的推移进行 积累，从而导致准永久性的器件 漂移，进而导致功能故障。 这里有一个小型动画，可能有助于 您思考总剂量是什么样的。 我们有这两头小猪，其中一头使用了防晒油，另一头 没使用防晒油。 一头变成了熏肉。 很像是晒伤，电离辐射 总剂量是，随着时间的推移，不断 积累辐射。 您的氧化层会捕获电荷。 随着时间的推移，这些氧化层和 被捕获的电荷将不断积累，从而导致器件中发生漂移。 那么，让我们更详细一点儿地 查看我们的半导体材料在电气方面发生了什么。 我在这里显示的是一个 [听不清] 图。 这是一种用于在垂直轴上显示能量的方法。 在水平轴上，我们具有实际的物理距离。 那么，这实际上是晶体管结构， 一个场效应晶体管中的垂直切口。 我展示这里的栅极。 当然，这一大块物质是栅氧化层。 在右侧，我显示了 硅基片，所有奇迹都是在这里发生的， 即器件物理现象。 但实际的总计量效应完全在 氧化层发生。 实际上，所发生的是， 入射辐射会使价带中的 电子电离 -- 因此在这里的底部 -- 留下一个空穴，电子会上升到这里。 这会在大部分氧化层中发生。 在该图中，显示了它刚好处于边缘位置。 但想象流过该氧化层的辐射， 在该氧化层块内的任何位置生成电荷。 现在，您将注意到这里有一个斜坡。 这是因为我们施加了正栅极电压。 我们将下拉栅极。 再说一次，这是电势能。 因此，该图的上方意味着 电子具有更高的势能，下方意味着 它损失了势能。 因此，电子将再次向下 移动，被吸引到正栅极电压。 它们将损失势能。 因此，它们从辐射中吸收了能量。 现在，它们正在快速移动。 它们被正极向下拉。 它们被吸引到正栅极。 它们损失了该能量，进入栅极。 现在，氧化层的主要特性，以及氧化层 从总剂量的角度而言有问题的原因，是粒子的 移动性或其移动的容易 程度，相对于 空穴而言，电子的移动性很高。 因此，即使您具有正极和负极， 它们也不均衡。 电子会很容易从传导带移走， 留下空穴以跳跃机制 非常缓慢地移动。 您将注意到它们按照这些 绿色箭头，向着界面以跳跃机制 漂浮或移动。 它们再次被正栅极电压排斥。 它们在栅极氧化层的局域态以跳跃方式 移动。 这里的主要特性是它们非常缓慢地移动。 当它们离界面足够近时，会出现 一些深空穴陷阱。 这些实际上是要捕获空穴的位置。 当空穴靠近这里时，它们 基本上会填充这些陷阱。 对于空穴和我们而言， 不幸的是，这些空穴会被准永久性地 捕获在这些位置。 因此，您将获得离您的硅非常 近的正电荷。 很显然，由于这是一个场效应器件， 因此，在这种情况下，该正电荷 将影响局域场。 正如我们将在其他讲座中看到的， 它会影响器件特征。 但关键点是空穴会向上移向界面 并被捕获在氧化层深空穴陷阱中。 但还会发生的是，我用紫色记录 在这里，会释放质子。 现在，每个半导体工艺中都有氢。 即使您认真地尝试排除氢， 您的工艺中也会出现 一些氢，尤其是在您的栅极 氧化层中。 现在，该氢会占据陷阱或局域态。 它几乎全部被捕获在氧化层。 不过，当空穴取代这些局域态时-- 换句话说，它在局部场中产生了弯曲-- 该氢能够自由逃逸。 因此，您不仅会得到向界面移动的空穴， 而且由于该释放，质子释放以及 质子输送 -- 再强调一次，请记住， 质子是离子化氢。因此它们带正电。 它们将被沿着与空穴相同的 方向推动。 请注意，质子与空穴稍有不同。 它们实际上会移向界面。 它们实际上会对界面态造成严重破坏，从而 在硅与氧化层 相结合的表面产生缺陷。 对于双极器件而言，这会带来很大的问题。 我们将在以后的讲座中看到这一点。 对于 MOSFET 而言，它没有那么重要。 通常，由于氧化层的 质量，它不会造成太大的破坏。 但您需要意识到这一点。 那么，以上就是两种机制。 因此，辐射被吸收了。 它会制造电子空穴对。 电子的移动性比空穴强。 它们很快会被移走。 那么，我们将得到正电荷，然后该正 电荷移向界面。 正是该正电荷以及质子制造的 界面态导致所有问题 与总剂量相关。 那么，什么种类的辐射会导致总剂量？ 基本而言，正如我们可以从该图中看到的， 大约任何种类的辐射都可以。 我在该图中显示的是 水平轴上的电场以及垂直轴上的 部分产额。 这是对不同辐射在导致 总剂量问题 -- 换句话说，氧化层中的陷阱电荷方面 有效性的测量。 您将注意到，基本而言，高能 电子和钴 60，这是伽马射线，效率非常高。 这意味着，独立于电场，您可以接近 一个 100% 的部分产额。 换话句话说，对于在辐照 过程中生成的所有电荷，其中的大多数会停留在 氧化层中。 现在，您将注意到，对于不同的粒子， 尤其是当您转向 阿尔法粒子等比质子更重的 离子时，该效率会下降。 对此，有很多物理原因。 我们没有时间对此进行讨论。 但您只需要意识到不同的粒子将产生 不同的总剂量效应即可。 当您尝试进行测量或理解 数据时，您必须考虑这些方面。 幸运的是，业界已经 相当关注钴 60接触的总剂量。 一切都根据钴 60 有时是 X 射线进行了校准。 但一般而言，由于这些 粒子的低效率，不会将其用于 总剂量测试。 现在，您将注意到的一件事是电场之所以 重要的原因，您应该记得， 我曾告诉您电子的移动性比空穴强。 嗯，如果您不对您的栅极氧化层 施加电场，换句话说，如果该 [? 带 ?] 图是平的， 则电子会留在氧化层中，并且 实际上可能会与空穴重新结合。 因此，重新结合将降低部分产额。 那么，这就是所有这些曲线向右 倾斜的原因。 换句话说，当您增大电场时， 您基本上可能会拉出更多电子， 降低重新结合和空穴的部分产额， 基本而言，空穴电荷会保持较高或变得更高。 为了对其进行校准，再次将电场调为 每厘米几兆伏。 这显示了从两微米一直到 90 纳米的 技术节点。 您可以看到，我们的栅极 氧化层中每个技术节点的电场 实际上已经大幅增加。 我们显然正在采用现代技术。 我们正在采用每厘米 5至 6 MeV -- 或者，抱歉，每厘米 几兆伏的技术。 因此部分产额将非常高。 您需要意识到这一点。 再一次地，对于伽马 射线，空穴率保持在每厘米 5 兆伏，对于 所谓的钴 60，保持在 95%。 对于 X 射线，大约为 80%。 如果您看看质子，则为 35%。 对于阿尔法粒子，仅约 12% 实际生成的电荷最终被 捕获在氧化层中。 这样您就了解了什么是总剂量效应。 嗯，太空环境怎么样呢？ 在太空环境中我们应该担心什么呢？ 这基本上是一个来自 NASA 的图，其中显示了范艾伦 辐射带。 这些辐射带是因地球的磁场 而形成的。 存在陷阱。 因此磁场在这些类型的 甜甜圈状辐射带中捕获带电粒子。 外侧的辐射带是电子。 内侧的辐射带是质子。 它们能量很高，为 10 到 200 MeV。 在内侧的辐射带中，它们的能量不高。 这就是它们离得更近的原因。 但关键点是当我们将卫星送入轨道时， 它很多时候是近地轨道。 因此大部分通信卫星处于该绿色 轨道中。 存在一系列值。 但它处于这些辐射带的内部。 国际空间站也处于所谓的 LEO 或近地轨道中。 我们确实有一些处于地球同步 轨道中的卫星应用。 它们通常是 GPS，即全球定位卫星， 或某些类型的应用，其中卫星基本上 必须停留在地球上某个位置上方的 固定位置。 基本而言，卫星会精确地跟踪 地球，始终处于地球上方的同一位置。 现在，这些不同卫星轨道的关键点是， 如果您在辐射带中飞行，您将受到 大量电离辐射总剂量效应的影响。 如果您在这些辐射带的内部飞行，并且如果您愿意的话， 您位于甜甜圈洞的内部，那么 您实际上受到了保护。 这些辐射带为您提供了一个电磁屏障，使您免受 辐射源的影响。 因此，如果您对其进行考虑，近地轨道 被屏蔽的效果比地球同步轨道要好。 因此，我可能会在稍后的 讲座中就不同轨道中的环境 对其进行更详细的讨论。 但您只需要意识到，随着卫星任务的不同， 卫星可能具有不同的轨道。 它接收到的辐射剂量以及因此 而导致的您将看到的电离辐射总剂量效应， 非常依赖于轨道。 这是大致的总结。 大多数卫星通过某种方式受到屏蔽。 换句话说，电子未滞留 在卫星的外部。 但它们通常位于金属盒中以实现电气屏蔽 和辐射屏蔽。 该金属盒通常由铝制成，并且 很多时候使用200 至 300 密耳的铝。 那么，该图，轫致辐射， 告诉您的是，这是来自正在减速的粒子的 X 射线辐射。 再说一次，我们在这里有来自电子带的电子。 然后我们还有质子。 这将告诉您，在屏蔽系统中， 质子通常处于支配地位。 它们是您将看到的处于支配地位形式的剂量。 仅在非屏蔽系统中电子才会真正 成为显著特征。 由于大多数卫星电子产品 通过某种形式受到屏蔽，因此您会处于曲线上 此处的某个地方，从总剂量的角度而言，质子是我们主要 关心的问题。 因此，正如我说过的，在使用任何种类的 屏蔽的应用中，总剂量由质子控制，至少对于卫星轨道 而言是这样。 概括而言，电离辐射总剂量 会通过以下方式影响电子设备。 辐射会导致绝缘体中产生过量的电子 空穴对。 电子具有更强的移动性。 它们会离开，从而留下空穴电荷。 空穴电荷被捕获在氧化层中的深能级陷阱中，这包括 栅极氧化层，以及绝缘层，然后空穴电荷通过从一个 陷阱跳跃到另一个陷阱的方式非常缓慢地移动。 跳跃的空穴会带来其他破坏 并释放被捕获的质子，或者氢，离子化氢，它也 很容易移动。 被捕获的空穴，基本而言，它们被捕获在深能级陷阱中， 正如我们讨论过的，非常接近于界面， 会改变硅中表面载流子的浓度。 移动到界面的空穴和质子 会在界面造成其他缺陷。 由于我们的大多数器件是表面器件， MOSFET、场效应器件当然 对界面非常敏感。 正如我们将在稍后的讲座中看到的，这很明显 对器件有很大的影响。 该被捕获的电荷和界面 缺陷会更改局部载流子数量，并降低 SiO2 硅界面附近载流子的 寿命。 再说一次，该效应对双极器件 以及场效应器件有直接影响。