双极结转移（BJT）的总电离剂量效应

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，我们将讨论双极 结型晶体管上的电离辐射总剂量 效应。 我们以前看过该图，但我将为 你们中尚未观看过早期视频的人介绍该图。 这是一个 MOS 器件 --金属氧化物半导体 器件的能带结构。 水平轴是垂直轴， 器件的真正物理轴。 左侧是栅极， 中间是氧化层，这是绝缘层， 最后，右侧是硅基片。 垂直轴表示能量，在本例中， 表示电子势能。 因此，当电子在图中向上 移动时，它将获取势能，当它向下 移动时，它将损失势能。 在电离辐射总剂量机制中， 辐射效应是，当栅极氧化层 接触辐射时，栅极氧化层中吸收的任何 能量将产生电子空穴对。 因此，基本而言，电子会吸收辐射能量。 因此它将获得能量，它在该图中向上移动， 留下一个空穴。 现在，栅极氧化层具有 一个使它们对于总剂量而言有问题的特性，这就是， 载流子在栅极氧化层中的移动性 或移动容易程度对于电子和空穴而言是不同的。 实际上，电子具有相当强的移动性， 可以在存在电场的情况下轻松移动。 正如我们在这里显示的，我们具有 正测量电压，这会使电子 能量下降并吸引电子。 因此，传导带中被吸收的辐射 激发的任何电子将很快地向下移动， 穿过栅极氧化层，并进入栅极， 然后再次由正栅极 电压吸引。 相反，它们留下的空穴 具有较弱的移动性，它们将缓慢地跳过价带， 向界面移动。 它们再次被正栅极电压排斥。 空穴带正电。 空穴跳跃输送的另一个特性是， 由于它干扰局部晶体结构，其中 -- 尤其是在栅极氧化层中 -- 包含 质子或离子化氢，当空穴在氢位置 附近经过时，很多时候氢 会由于空穴的存在而被释放。 因此，现在的情况是，您具有按照跳跃机制 移动的空穴。 当它们跳跃时，它们实际上会将氢离子或质子释放到 栅极氧化层中。 当然，由于在该示例中我们 具有电场，因此栅极上的正 电荷会将空穴和带正电的质子 推向界面。 现在，空穴会被捕获在界面附近 所谓的深能级空穴捕获中心中， 之所以说是深能级，是因为 它们位于带隙中间。 因此，它们处于传导带边缘和 价带边缘之间的某个位置，刚好在中间。 因此，存在很多能量使它们到达那里， 使它们进入传导带需要消耗很多能量。 因此任何在这里结束的空穴几乎会停留在这里 或非常难以移动。 因此，这基本上是靠近硅的空穴的 电荷捕获。 当然，该靠近硅的 正电荷将具有一些影响， 正如我们将看到的，尤其是对于双极器件。 质子释放和输送的另一个特性是，质子 实际上会在氧化层中以不同的方式发生 相互作用。 它们基本上会移向界面 -- 因此这里是硅-二氧化硅 界面。 由于原子结构中的差异， 您会在这里创建所谓的缺陷状态或表面状态。 现在，它们通常由质子进行修改， 这可以在表面创建 正电、负电或中性捕获中心。 这些将影响载流子浓度 和载流子寿命，我们将看到 这会对双极结型晶体管产生很大的影响。 好的，那么我在左侧展示了 侧向双极器件的横截面。 我们在这里具有集电极区、狭窄的基极区 -- 至少在该部分它是狭窄的， 在这里它相当宽 --然后这里是发射极 基极耗尽区。 因此，发射极、基极和集电极。 现在，当我们收集该正电荷并获得 界面状态时，所发生的是， 我们可以在辐射之后获得反型区，或者 我们仅得到载流子捕获区。 因此载流子捕获效应、重新结合率会增加， 即电子和空穴的重新结合率。 这意味着，注入到基极中的任何载流子、 这其中的一部分基本上将在界面处 开始重新结合或消失。 那么，这意味着您具有基极电流， 它与表面重新结合率成正比。 缺陷的存在会增加表面 结合率，这会相应地增加 基极电流。 当然，这带来的问题是，您的 集电极电流不会有任何增加。 因此，外部电路必须强制实现更大的基极 电流，从而泄漏相同的集电极电流。 您的双极晶体管的 HFE 或 β 值会有效地降低，因为现在您必须产生 更大的基极电流或注入更大的基极电流 以补偿由总剂量效应引起的这些缺陷所导致的 表面重新结合效应。 在右侧，我们可以看到，作为 总剂量的函数，当我们增加电离 辐射总剂量时 --因此越来越多的 辐射 -- 基本而言，该基极电流将增大。 这又是一个对数坐标。 因此，从总剂量 10k rad 到100k rad，我们增加了大约 50 倍的基极电流。 因此，再一次地，如果基极电流增加 50 倍， 这意味着您的双极晶体管增益 将随着电离辐射总剂量的增加而 极大地下降。 现在，需要意识到的一点是，双极晶体管中的 总剂量效应很多时候对于剂量率 很敏感。 换话句话说，器件接触到的 辐射率会改变 器件的灵敏度。 这有点违反直觉， 因为在较低的剂量率下，您实际上会获得更强的 效应。 因此，我们将其称为增强的低剂量率 灵敏度。 它之所以很糟糕，是因为当我们 执行加速测试时，我们希望使用 尽量高的剂量率，以便 我们可以在很短的时间内获得我们 所需的总剂量。 坏消息是，由于较旧的灵敏度 -- 这对于双极结型晶体管而言尤其 是个问题 -- 由于较旧的灵敏度， 我们必须非常小心。 换句话说，我们必须确定， 该双极技术是否具有较旧的灵敏度？ 因为如果它是这样，那么我们就无法使用高剂量率测试。 我们必须使用极低的剂量率 测试，以验证最坏情况下的器件漂移 是怎样的。 在左侧，我展示了一组不同的 PNP 和 NPN 器件。 这些是微不足道的器件，但它们作为剂量率的函数 向您进行了展示。 因此，这里的水平轴是剂量率， 垂直轴是相对破坏。 这可能是 β下降，这可能 是基极电流增加。 但这是相对度量。 我在这里显示的是独立于剂量的 器件。 因此不存在较旧的灵敏度。 这基本上是您预期的平坦线。 换句话说，独立于剂量 状态，我获得相同的值。 这里的相对破坏就是一个。 这一个也具有平坦区。 但是，当您达到更高的剂量率时， 您实际上开始逐渐减小。 您将注意到，在较高的剂量率下，标准化的 破坏实际上会下降。 这再次成为一个问题，因为我们 希望在很高的剂量率下操作， 快速完成测试，但我们将低估 较低剂量率下的实际破坏。 然后，这最后两个器件非常敏感。 实际上，作为剂量的函数， 它在这里几乎是线性关系，或对数线性。 因此，这是概念验证。 在右侧，我基本上展示了这是一个 问题的原因。 在这里，我具有 LM 124运算放大器的一条 通过实验获取的线。 在 10 弧度每秒，我展示了输入 偏置电流 -- 再一次地，当我们增加总剂量时， 它将随时间增加。 水平轴是总剂量。 因此，它将随时间缓慢增加。 如果我们在这里停止测试并说，好的，我们 确定了该器件的特征。 我们知道它将从10 纳安变为 20 纳安。 这对于我们的设计案例而言可能是可以接受的。 有些人会说，不，等一下，让我对较旧的情况或极低的剂量率 也测试一下。 因此，我们对类似的器件执行其他测试， 但现在为 0.01 弧度每秒，而不是 10 弧度每秒。 因此，在更低的剂量率下，我们 将看到基极电流有很大的增加。 为了记住相关内容，这针对 航天器应用或卫星应用。 剂量随时间而改变。 正如我们在另一个讲座中所说的，根据 轨道以及您可能要穿过或不穿过哪些辐射带， 您基本上会随时间的推移具有不同的剂量。 但关键点是，与高剂量情况 相比，该航天器剂量要更加接近于低剂量 情况。 因此，如果您仅希望在高剂量情况下测试 双极性晶体管，您将得到错误的 答案，并且您会低估破坏。 因此，这会非常糟糕。 您的系统可能会失败。 因此这里的关键点是，在双极晶体管中，对于 某些晶体管类型或技术， 总剂量效应在低剂量率时可能更糟糕。 实际上，您必须在低剂量率情况下进行测试， 以查看您是否具有剂量率灵敏度。 因此，我曾提到这有点违反直觉。 对于问题是什么以及它是怎么 导致的，业界仍存在很多争论。 但是，与此相关的持续存在的理论 之一是，它必须处理您会创建 和输送空穴和质子释放这样 一个事实。 空穴和质子具有不同的移动性。 它们还会在界面占据不同的陷阱状态。 因此该理论处于低剂量率， 您具有一些电子空穴对， 因此您具有一些正电空穴捕获， 正如我提到过的，您通过空穴在栅极 氧化层中的移动获得质子释放。 现在，由于它仅是小量的空穴捕获， 因此这里没有足够来自空穴 捕获的正电势来推开质子。 因此质子仍会成功到达界面，正如我们说过的， 界面缺陷控制重新结合时间， 这会导致双极结型晶体管的 基极电流增加。 在底部图片中所示的高剂量率 情况下，我们生成了大量 立即被捕获的电子。 根据这些作者的观点， 该理论是，您得到基本上 会禁止质子的静电势。 因此质子仍会通过 空穴跳跃过程被释放， 但质子无法到达界面。 因此，您基本上会阻止处于高剂量状态的质子， 因此在测试过程中由质子导致的破坏 并不明显。 这可能是双极中的高剂量率测试通常 会掩盖低剂量率效应的一个原因。 因为我们知道这其中涉及到氢， 所以您可能期待的一件事情是， 如果您能够在没有氢或者有 极少量氢的情况下执行半导体工艺， 与具有大量氢的工艺相对比，您 应该会看到剂量率灵敏度的差异。 事实上，您可以看到。 在本文中，我们用正方形表示有氮化物，用圆圈 表示没有氮化物。 在本例中，氮化物是氮化硅。 它通常通过富氢工艺进行沉积。 因此，在您具有氮化物的情况下 -- 在强调以下，是方框 -- 您的工艺中可能嵌有具有大量的氢。 因此，如果该质子释放机制是基极 电流升高的关键，您会期望 在具有大量氢的氮化物 工艺中具有更大的总剂量效应。 毫无疑问，该数据向您展示了在没有 氮化物的情况下，它几乎独立于总计量。 输入偏置电流或剂量导致的基极 电流没有大的变化。 再说一次，这里的水平访问是电离辐射总剂量。 对于这里的其他两个具有氮化物的 分量，您可以看到非常大的作为剂量 函数的差异。 您可以看到较旧的效应，或极低的剂量率 灵敏度。 因为灰色的正方形是处于高剂量率的氮化物。 因此，它将再次低估实际破坏或基极 电流的增加。 对于低剂量率，我们可以看到 当存在氮化物时，基极电流会增大很多。 因此，没有氮化物意味着少得多的氢。 因此，我们期望在没有氮化物的 工艺中，或实际上没有大量氢的工艺中，它将 具有更低的低剂量率灵敏度。 那么，概括而言，电离辐射总剂量 对双极结型器件有什么影响？ 被捕获的基本带正电荷的 空穴和质子产生的界面 缺陷会影响表面载流子浓度。 这对潜在的 [听不清]和载流子寿命具有 很大的影响，正如我们看到的， 在本例中，由于它影响重新结合率，直接联系到 获取一定的集电极电流 所需的基极电流，因此具有很大的 影响。 基本而言，重新结合率的 增加意味着基极电流的增加，这意味着 您的 β 值会下降。 因此，基极中电离辐射总剂量引起的载流子 寿命缩短强制外部电路针对 给定的集电极电流提供更大的基极电流。 因此，双极器件的β 值或 HFE 会作为 电离辐射总剂量的函数随时间的推移 而降低。 需要意识到的一点是，在表面 氧化层附近具有更多基极区域的 双极结型晶体管将对于总剂量更加敏感。 因此，这意味着典型的侧向 BJT 要比垂直 BJT 敏感很多。