Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

654 Раздел 6. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

ви кривых 4, 5, 6 на рис. 23.3), но и на фононах, появляющихся из-за эф­

фектов смещения атомов (левые нарастающие ветви кривых 4, 5, 6 и кри­ вые 2, 3). Кривые 2 и 4 получены при облучении потоками нейтронов со­

ответственно с интенсивностью Фи = 1,6 • 1014 см-2 и Фн = 3,3 • 1015 см-2 , кривая 3 - электронами с Фе = 1015 см-2; 5, 6 - протонами с Фпр = = 1014 см-2 и Фпр = 6 • 1014 см-2 и энергией Епр = 660 МэВ. Значительное

уменьшение подвижности при низких температурах (большие значе-

ния ~ ) вовремя облучения посравнениюсисходнымсостояниемобус­

ловлено появлением ионизованных атомов и комплексов атомов. Ради­

ация увеличивает число заряженных неподвижных частиц, что приво­

дит к возрастанию вероятности кулоновских столкновений свободных носителей с ионами и, соответственно, к уменьшению подвижности. Поскольку физические механизмы взаимодействия с веществом полу­ проводников потоков облучения различной природы количественно и

качественно могут существенно различаться (см. табл. 23.1), измене­ ние подвижности в Si для каждого типа потоков будет разное, что хоро­ шо видно на примере рис. 23.4(кривая1 - у-кванты, 2 - электроны с энергией 10 МэВ, 3 - быстрые нейтроны).

Изменение концентрации свободных носителей в Si наиболее силь­ но сказывается при небольших уровнях легирования и облучении по­

током нейтронов с Фн > 1014 нейтр/см2 •

Радиационная стойкость полупроводниковых диодов. К настоящему

времени наиболее изучены радиационные эффекты в выпрямительных диодах. В кремниевых диодах при воздействии ионизирующего излуче­

ния любого вида с достаточно высокой энергией происходит деградация

его вентильных свойств, связанная с увеличением обратной и уменьше­ нием прямой проводимости. Скорость деградации в основном определя­

ется шириной базы W, ее удельным сопротивлением Рв и значением прямого тока Iпр· Помимо этого, заметное влияние оказывают энергия излучения, концентрация примесей в эмиттерной области, градиенты концентрации и время жизни дырок в базе 'tP (для базы с электронной проводимостью). В большинстве случаев в кремниевых диодах наиболь­ шие изменения при облучении претерпевает прямая ветвь БАХ, поэто­

му радиационную стойкость диодов часто оценивают по двукратному

увеличению прямого напряжения Ипр при заданном прямом токе I пр·

Основными электрофизическими параметрами полупроводников, оп­

ределяющими изменение БАХ при облучении, являются 'tP' Nд, Рви W.

Изменение времени жизни дырок 'tP в базе диода, которое является функ­

Цией упомянутых параметров Nд, Рви W, в широком диапазоне значений

I пр при различных видах облучения можно оценить по формуле (23.1).

658 Раздел б. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Радиационная стойкость транзисторов. При облучении большинство параметров биполярных транзисторов (ВТ) изменяется. Однако, как

правило, из всех параметров рассматривают один основной - статиче­

ский коэффициент передачи тока. Изменение этого коэффициента,

связанное с объемными и поверхностными явлениями, определяет ра­ диационную стойкость большинства самых разнообразных схем, где

используются ВТ. Объемные изменения под действием ионизирующе­ го излучения обусловлены в основном упругим рассеянием ИИ с обра­

зованием радиационных дефектов, приводящих к изменению времени жизни, концентрации и подвижности носителей заряда.

Неупругое рассеяние излучения ионизирует газ в корпусе прибора и

генерирует свободные носители в веществе, которые захватываются

поверхностными уровнями. В результате ионизации газа может проис­ ходить осаждение ионов на поверхность полупроводника~ :Как захват свободных носителей поверхностными ловушками, так и осаждение

ионов изменяют поверхностные свойства полупроводника, в частности

скорость поверхностной рекомбинации. При наличии объемных и по­ верхностных явлений в полупроводнике изменение статического коэф~ фициента передачи тока в схеме с общим эмиттером (h21э) может'быть

оценено по формуле

(23.2)

где tэк - время пролета носителей между эмиттером и коллектором;

к.ффэффективный коэффициент радиационных повреждений, свя­

занный прежде всего с изменением времени жизни неосновных носите­

лей заряда и скорости Поверхностной рекомбинации, т. е. К•ФФ по срав­ нению с Kt учитывает большее число факторов, изменяющих время

жизни в конкретных приборах. Например, К•ФФ в германиевых тран­

зисторах определяется: радиационным изменением времени жизни не­

основных носителей заряда в активной и пассивной областях базы;

конфигурацией и геометрическими размерами как этих областей, так

и эмиттера; величиной внутреннего поля в пассивной базе. Для умень­ шения влияния пассивной базы на величину h21э при облучении необ­ ходимо обрабатывать приэмиттерную поверхность базы транзисторов

ускоренными ионами, а германиевые планарные приборы необходимо

изготавливать с тонкими эмиттером и пассивной областью базы. Величина КЭФФ для кремниевых транзисторов определяется ради­

ационными процессами в активной базе и в области пространственного

заряда эмиттерного перехода.

На рис. 23.10 представлены экспериментальные зависимости отно­ сительных значений коэффициента передачи тока кремниевых тран­

зисторов малой и средней мощности в зависимости от величины интег­

рального потока нейтронного Фн, электронного Фе, протонного Фпр и

у-излучений Фу. Приведенные зависимости позволяют проводить ориен­

тировочную оценку стойкости транзисторов к любому виду излучений.

В ряде приборов, таких, как германиевые непассивированные (с не­

протравленной поверхностью кристалла) транзисторы, кремниевые тран­

зисторы, работающие в микрорежимах, МДП-транзисторы, в основном

именно поверхностные изменения при облучении определяют радиаци­

онную стойкость приборов и стабильность их параметров после облуче­

ния. Основные процессы на поверхности полупроводников при облуче­ нии можно классифицировать следующим образом:

-образование новых быстрых поверхностных состояний, что уве­ личивает скорость поверхностной рекомбинации;

-возбуждение поверхностн;ых состояний или захват генерируе­

мых облучением носителей ловушками, что изменяет заряд поверхно­ стных состояний и величину поверхностного потенциала;

-ионизация газа в корпусе прибора при облучении и осаждение за­

ряженных ионов на поверхности кристалла, что изменяет также по­

верхностный потенциал.

Для современных полупроводниковых приборов с пассивированной

поверхностью, например для планарных транзисторов с пленкой Si02 ,

ионизация газа в корпусе при облучении практически не сказывается

на изменении их параметров.

Под действием ионизирующего излучения в пленке Si02 формиру­

ется дополнительный положительный заряд, что в сово:купности с рос­

том плотности быстрых поверхностньiх состояний приводит к измене­

нию параметров приборов. Так, в МОП-транзисторах ер-каналом обра­

зование дополнительного положительного заряда смещает пороговое

напряжение затвор-исток Изи пор в·сторону больших отрицательных

значений, а увеличение плотности быстрых поверхностных состояний

изменяет крутизну вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик.

Оба эти эффекта не исчезают после снятия ИИ.

Возникновение положительного заряда ионов можно объяснить сле­

дующим образом~ Ионизирующее излучение вызывает образование элек­

тронно-дырочных пар в слое диэлектрика. Если к затвору приложено по-

660 Раздел 6. ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

ложительное относительно подложки напряжение, то, в первую очередь,

из-за большой подвижности, электроны будут выт.ягиватьс.я полем затво­

ра. Дырки захватываются дырочными ловушками или рекомбинируют с электронами до выхода из окисла. В результате в диэлектрике Si02 фор­ мируете.я избыточный положительный зар.яд. Образующийся зар.яд Q

при фиксированном потенциале затвора уменьшает напряженность пол.я

в окисле, что приводит к насыщению Q при росте поглощенной дозы D.

Объемный заряд расположен внутри окисла на расстоянии нескольких десятков нанометров от границы раздела кремний-диэлектрик. Величи­

на объемного заряда определяется только поглощенной дозой облучения.

Величина и локализация пространственного заряда определяется величи­

ной и полярностью напряжения смещения на затворе в процессе облуче­ ния. При этом наблюдается линейная зависимость наведенного заряда от напряжения затвор-исток Изи· Это связано с тем, что все приложенное к затвору напряжение падает на слой объемного заряда, создающегося в

окисле во время облучения, а не на весь слой окисла.

Положительный пространственный заряд в слое диэлектрика моду­

лирует проводимость канала полевого транзистора и изменяет все его

характеристики.

Наиболее чувствительны к облучению ИИ п-канальные МОП-тран­

зисторы, у которых наименьшие значения Изи пор· Зависимость Изи пор

дляр-канального транзистора от D дана на рис. 23.11. При увеличении tзи пор соответственно возрастает и время задержки tзд. вкл сигнала при

работе транзистора в импульсном режиме (см. рис. 23.11).

Облученные электронами образцы были стабильны при комнатной

температуре в различных средах и при разных электрических режимах.

Восстанов.Ление заряда до величины Q ~ 10-11 см-2 протекает в течение

нескольких месяцев. Процесс ускоренного восстановления пространст­

венного заряда в окисле, который называется отжигом, происходит за

счет нейтрализации его электронами, введенными в окисел. Обычно

нейтрализующие электроны получают за счет или повышения темпера­ туры прибора (материала) - термического отжига, или облучения све­

том - УФ отжига. Восстановление заряда при термическом отжиге

обусловлено инжекцией электро­

нов из кремния в окисел. Одновре-

В настоящее время ведутся поиски новых диэлектриков для затво­

ра, в которых скорости накопления заряда при облучении были бЬ! ми­ нимальны. К таким диэлектрикам относятся структуры Si02-Si3N4 (нитрид кремния), а также Al20 3. Одной из причин уменьшения ско­

рости накопления заряда в этих диэлектриках при облучении ИИ яв­ ляется более высокая, чем у Si02, проводимость, что приводит к час­

тичной компенсации положительного объемного заряда дырок элект7

ронами проводимости.

Радиационная стойкость транзисторов к непрерывному ИИ .в су­ щественной мере зависит от их частотных свойств, технологии из­

готовления, конструкции. Ддя биполярных мощных НЧ-транзисторов предельные плотности потоков частиц (нейтронов) составляют Фн =

= 3•1011 ... 3·1013 см-2 , для ВЧ-транзисторов - Фн = 5•1015... 5•1017 см-2,

для МОП-транзисторов - Фн = 3 • 1012... 2 • 1014 см-2.

Наиболее критичными параметрами к импульсному ИИ являются

токи через обратносмещенные переходы. Радиационная стойкость к

импульсному ИИ составляет 103... 106 Гр/с для кремниевых биполярных

транзисторов. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) из-за ИИ первичный ток

коллекторного р-п-перехода может вызвать вторичный ток эмиттерно­

го перехода. Первичный ток, вызванный ИИ, является результатом диф­ фузии неосновных носителей из коллектора в базу транзистора. В базе

эти носители становятся основными и при малых токах утечки начина­

ют снижать потенциальный барьер эмиттерного перехода. Для схемы транзистора с ОЭ этот эффект накопления носителей в базе приводит к

открыванию транзистора и усилению коллекторного тока.

Для тиристоров импульсные токи, возникающие под действием им­

пульсного ИИ, могут вызвать его переключение из закрытого в откры­

тое состояние.

Следует также обратить внимание на возможность ионизации газа в

герметичном корпусе транзистора, что может приводить к изменениям

параметров транзисторов.

Радиационные эффекты в арсенид-галлиевых полупроводниковых при­

борах и интегральных схемах. Высокая подвижность свободных носителей (µ = 5000 см/(В ·с)), большая ширина запрещенной зоны (ЛЕ3 = 1,43 эВ),

малые времена жизни носителей ('t ~ 1о-8 с) арсенида галлия делают

этот материал одним Из наиболее перспективных полупроводников для

изготовления приборов и интегральных схем, работающих при повы­

шенных температурах, в широком диапазоне частот, включая милли­

метровый диапазон.

Основными причинами изменения характеристик GaAs при воздей­ ствии ИИ, так же как у Ge и Si, являются процессы возникновения ра­

диационных дефектов в кристаллической структуре и генерации не­

равновесных носителей заряда.