Скорость, с которой происходит изменение электрических свойств электронных материалов часто выражается с помощью коэффициента повреждения (коэффициента радиационной чувствительности). Например, изменение рекомбинационного времени жизни неосновных носителей может быть записано выражением:
В этом выражении tro и ty - значения времени жизни до и после облучения, Ф - флюенс частиц, к - коэффициент радиационной чувствительности рекомбинационного времени жизни (коэффициент повреждения). Аналогичные выражения можно написать для генерационного времени жизни, диффузионной длины и подвижности носителей. Уменьшение концентрации носителей, происходящее при облучении, характеризуется скоростью удаления носителей. В общем случае коэффициенты повреждения в кремнии зависят от следующих параметров: типа материала, сопротивления, вида примеси и ее концентрации, уровня инжекции, температуры и времени после облучения.
Ионизация и дефекты смешения влияют на электрические свойства транзистора. Наиболее важными изменениями являются уменьшение коэффициента передачи тока и увеличение тока утечки. Усиление падает из-за появления рекомбинационных центров на дефектах смещения во всем объеме биполярного транзистора и за счет эффектов на поверхности, вызванных ионизирующим излучением. Рекомбинационные центры, возникшие под действием излучения в нейтральном эмиттере, в области объемного заряда перехода эмиттер - база, в нейтральной базе и в нейтральном коллекторе, могут вызвать увеличение базового тока, что в свою очередь станет причиной падения усиления. На практике уменьшение времени жизни в нейтральном коллекторе не играет большой роли, а рекомбинация в нейтральной базе может быть существенно уменьшена путем создания тонкой базы (создание тонкой базы позволит добиться того, чтобы время пролета носителей в базе было много меньше времени жизни носителя в этой области). В то же время рекомбинация в нейтральном эмиттере и в области обедненного заряда перехода эмиттер-база является важным фактором в уменьшении усиления. В случае биполярных интегральных схем (ЭСЛ, ТТЛ, И2Л и т.д.) вызванная облучением рекомбинация во внутренней области базы (активной базе), как правило, не имеет значения, поскольку толщина области мала. В то же время внешняя область базы (пассивная база), отличающаяся большими размерами, может вносить определенный вклад в деградацию усиления. Следует добавить, что использование сильно легированного мелкого эмиттера в ЭСЛ и ТТЛ-схемах существенно уменьшает рекомбинацию в нейтральном эмиттере. В общем случае, область (или области) биполярного транзистора, входящего в интегральную схему, которая дает основной вклад в процесс деградации усиления при облучении, зависит от структуры и геометрии прибора и схемы. В уменьшении коэффициента передачи тока в облученных транзисторах важную роль может играть поверхностная рекомбинация. Один из механизмов этого явления заключается в том, что под действием ионизирующего излучения пассивирующий слой оксида заряжается, что приводит к изменению поверхностного потенциала. Возможен и другой механизм, состоящий в возникновении электронных состояний на границе Si-SiO2. Изменение поверхностного потенциала может вызвать увеличение поверхностной рекомбинации и в результате - уменьшение коэффициента передачи тока. Создание граничных ловушек также увеличивает рекомбинацию на поверхности, вызывая падение усиления. Дефекты смещения участвуют также в увеличении числа генерационных центров, которые могут играть важную роль в обратно смещенном переходе база-коллектор. Обратный ток утечки: перехода будет увеличиваться за счет тепловой генерации электронно-дырочных пар на этих радиационно генерированных центрах и после последующего удаления этих носителей существующим сильным полем. Ток утечки может также увеличиваться за счет центров генерации, создаваемых на поверхности ионизирующим излучением. Если коэффициент передачи тока одного из биполярных транзисторов транзисторной цепочки интегральной схемы изменится сильнее, чем у соседних приборов, то он станет потреблять больший базовый ток. Если величина суммарного тока фиксирована, то в ослабленном транзисторе будет наблюдаться условие усиленного потребления тока. Удаление носителей, созданных облучением, также может изменить свойства биполярных транзисторов. Ширина области обеднения обратно смещенного перехода база - коллектор в этом случае будет увеличиваться. Этот эффект является причиной уменьшения напряжения прокола. Если предположить, что из-за удаления носителей из базы ее толщина начнет уменьшаться, то это должно привести к снижению напряжения прокола. Кроме этого, в нейтральном коллекторе удаление носителей будет увеличивать его сопротивление. Энергия генерации электронно-дырочных пар в Si составляет 3,6 эВ, а плотность пар, генерируемых при поглощении энергии 1 рад - 4*103 пара/см3. Для диоксида кремния, соответственно, 17эВ и 8*1012 пара/см3. Основное влияние ионизирующего излучения на SiO2 заключается в генерации электронно-дырочных пар в SiO2 - отрицательно заряженные электроны постепенно уходят, часть положительно заряженных дырок захватываются на границе Si /SiO2 или на границе металл / SiO2. Они могут заряжаться отрицательно или положительно в зависимости от того, принимают или отдают они электроны. На первом этапе воздействия излучения за счет энергии, поглощенной в изолирующем или полупроводниковом материале, в нем создаются пары отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Второй этап - это первоначальная рекомбинация в диэлектрике некоторой части электронов и дырок, созданных облучением. Установлено, что этот рекомбинационный процесс является функцией концентрации ионов в соответствующем материале, и зависит от типа и энергии частиц. Для частиц с низкой энергией и для частиц с большим зарядом значительная часть первоначально созданных пар в SiO2 Еще одним важным следствием воздействия ионизирующего излучения является возникновение граничных ловушек (или поверхностных состояний) на границе раздела Si / SiO2. Эти состояния существуют на границе между материалами, а энергетически расположены в запрещенной зоне Si. Они амфотерны, являются акцептороподобными (т.е. обладают в заполненном состоянии отрицательным зарядом) в верхней половине запрещенной зоны Si и донороподобными (обладают в заполненном состоянии положительным зарядом) в нижней части запрещенной зоны Si. Их заряд зависит от приложенного смещения. Образование ловушек после облучения представляет собой двухступенчатый процесс. Первая стадия, охватывающая интервал времени, необходимый для переноса дырок к границе Si/SiO2, определяет конечное значение (или значение насыщения) плотности граничных ловушек и зависит от напряженности поля и температуры. Эта стадия определяется взаимодействием дырок с оксидом во время их движения к границе раздела. Вторая стадия начинается после того, как дырки достигли границы раздела, и продолжается в течение времени, измеряемого тысячами секунд. Возникновение новых граничных ловушек продолжается только в том случае, если в это время поддерживается положительное смещение. Исторически сложилась технология, при которой биполярные транзисторы и ИС пассивируются слоем диэлектрика (SiO2) на поверхности. Под действием облучения этот пассивирующий слой становится источником захваченного заряда, который может вызывать инверсию поверхности полупроводника и увеличение токов утечки. Механизм отказа заключается в преобладании инверсии кремния р-типа на дне области оксидной канавки, что создает канал между двумя заглубленными слоями, или инверсии вблизи боковых стенок оксида, которая приводит к утечкам в цепи коллектор-база (рис. 2). Оксидная канавка, которая позволяет повысить плотность упаковки и быстродействие в биполярных схемах, создает дополнительный источник радиационной чувствительности.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.