2.2 Транзисторные структуры

Определяющим эффектом при облучении большинства типов биполярных транзисторов является снижение основного классификационного параметра — коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером . Изменение  при радиационном облучении может быть описано выражением [3]

, (2.11)

где ₀, _Ф — коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером до и после облучения соответственно; K_инт — интегральный коэффициент, характеризующий снижение времени жизни в объеме транзистора при облучении; (1/_sФ) — изменение поверхностной составляющей времени жизни при облучении; f_T — предельная частота (частота, на которой ||_f = 1).

Из выражения (2.11) следует, что изменение  может происходить как за счет образования радиационных центров в объеме структуры транзистора, так и за счет изменения поверхностных свойств структуры. Относительный вклад этих процессов в изменение  зависит от вида и потока радиации, типа прибора и условий облучения. Так, при чистом нейтронном облучении транзисторов величина (1/_sФ) мала [3], и выражение (2.11) упрощается:

, (2.12)

где — интегральный коэффициент, характеризующий скорость снижения  при облучении за счет объемных процессов.

При ионизирующем облучении вклад (1/_sФ) в изменение  при малых Ф может быть существенным (особенно для германиевых транзисторов с непассивированной поверхностью) и приводит в некоторых случаях к аномальному поведению  при облучении. Роль поверхностных процессов возрастает при облучении маломощных диффузионных дрейфовых транзисторов, так как ускоряющее поле в базе таких транзисторов уменьшает пролетное время неосновных носителей, дополнительно снижая вероятность рекомбинации в объеме базы и соответственно уменьшая относительный вклад объемной составляющей в эффективное время жизни.

Коэффициент K_инт согласно современным представлениям является некоторой эффективной величиной для транзистора и может определяться в общем случае механизмами снижения времени жизни в областях эмиттера и эмиттерного перехода, областях пассивной и активной базы транзистора. Доминирующий механизм снижения  зависит от ряда факторов: исходного состояния материала, конструкции и размеров физических слоев транзисторной структуры, уровня инжекции, потока облучения и др.

В общем случае для коэффициента усиления по постоянному току можно записать [3]

, (2.13)

где I_б — ток базы; I_к — ток коллектора; I_ба, I_бп — ток рекомбинации в активной и пассивной базе соответственно; I_rgv, I_rgs — ток рекомбинации в объеме и на поверхности слоя пространственного заряда эмиттерного перехода соответственно; I_иэ — ток инжектируемых из базы в эмиттер неосновных носителей заряда; I_кан — ток за счет образования каналов на поверхности базы вблизи эмиттерного перехода.

В результате облучения в объеме и на поверхности транзисторной структуры образуются дополнительные центры рекомбинации, что приводит к росту составляющих тока базы, а следовательно — к снижению .

Составляющая I_иэ при облучении меняется слабо [3], поскольку, во-первых, время жизни в сильно легированной области эмиттера достаточно низкое уже до облучения; во-вторых, область эмиттера может быть достаточно тонкой (особенно это касается ВЧ- и СВЧ-транзисторов), так что радиационные изменения  могут быть существенны лишь при высоких Ф, когда диффузионная длина в эмиттере станет меньше его толщины; в третьих, современные транзисторы имеют сильное электрическое поле в области эмиттера, уменьшающее зависимость инжектируемого в эмиттер тока от времени жизни в нем.

Для германиевых транзисторов можно пренебречь членом рекомбинации в слое пространственного заряда эмиттерного перехода, так как отношение диффузионной и рекомбинационной компонент тока пропорционально собственной концентрации носителей заряда n_i, которая в германии примерно в 1,510³ раз выше, чем в кремнии. Кроме того, германиевые транзисторы не используются для работы в микрорежимах, где основной вклад в радиационное изменение  дает составляющая рекомбинации в слое пространственного заряда эмиттерного перехода. Для германиевых транзисторов существенным является механизм радиационных изменений в пассивной базе. При небольших потоках может наблюдаться приблизительно линейная зависимость 1/ = f(Ф), однако по мере увеличения Ф эта зависимость становится нелинейной. Интегральный коэффициент K_инт для германиевых транзисторов является эффективной величиной, зависящей от радиационных процессов как в активной, так и в пассивной базе.

Для кремниевых транзисторов рекомбинационные потери в активной базе незначительны, и зависимость 1/ = f(Ф) имеет нелинейный характер. Коэффициент K_инт здесь также является эффективной величиной, определяемой радиационными процессами в активной базе и области пространственного заряда эмиттерного перехода. С уменьшением уровня инжекции K_инт возрастает, что подтверждается экспериментально, и при работе в микрорежимах рекомбинационные потери в кремниевых транзисторах будут определяться радиационными изменениями в слое пространственного заряда.

Проведенный выше анализ справедлив для случая малых и средних уровней инжекции и не слишком больших Ф, когда можно считать приблизительно постоянным время пролета носителей через активную базу t_пр. Для транзисторов, работающих на больших токах (например, мощные СВЧ-транзисторы) или облученных высокими флюенсами Ф, время пролета уже нельзя считать величиной, независимой от Ф. Известно, что в дрейфовых транзисторах при высоких уровнях инжекции происходит сдвиг границы коллекторного перехода в сторону коллектора из-за компенсации заряда ионизованных атомов примеси зарядом подвижных носителей (и, соответственно, рост t_пр и снижение ), причем чем выше удельное сопротивление коллекторной области, тем значительнее этот эффект. Следовательно, поскольку при облучении удельное сопротивление возрастает, то t_пр будет возрастать еще быстрее. С другой стороны, в ВЧ-транзисторах с однородной базой, облученных значительными потоками Ф, при малых и средних уровнях инжекции наблюдается снижение t_пр вследствие расширения коллекторного перехода в область базы, что косвенно подтверждается снижением емкости коллекторного перехода при облучении. В низкочастотных транзисторах, в отличие от высокочастотных, уменьшение t_пр с ростом Ф происходит в основном из-за изменений условий диффузии неосновных носителей в базе в результате снижения их времени жизни.

Следует отметить, что основной трудностью для точных расчетов зависимости (Ф) является недостаток сведений о значениях (1/_sФ) и интегрального коэффициента K_инт. В силу специфики радиационного комплексообразования в приборных структурах и влияния на этот процесс технологического цикла, использование данных по K_, K_ и скорости изменения концентрации носителей заряда при облучении, полученных на однородных образцах исходных полупроводниковых материалов, требует большой осторожности [3].

Для оценки величины (1/_sФ) можно использовать эмпирическое соотношение [3]

, (2.14)

где величины Ф₂ и Ф₁ и, соответственно, и выбираются при определении K_инт на линейном участке зависимости 1/ = f(Ф), где уже не сказываются поверхностные процессы.

Экспериментально показано, что для величины (1/_sФ) и, соответственно, для изменения 1/ за счет поверхностных процессов характерным является насыщение, причем достигаемый при насыщении уровень и скорость его достижения зависят от условий облучения, типа и режима работы транзисторов.