4. Подстроечные коэффициенты

Конверсионная модель имеет три подстроечных параметра: К_Г, К_М и τ_Г. Знание этих параметров позволяет рассчитать полную инверсную S–образную характеристику и прогнозировать деградацию тока базы для любой заданной интенсивности и суммарной накопленной дозе облучения. Для экстракции подстроечных параметров используется

• высокоинтенсивное облучение для определения коэффициента К_М, пропорционального концентрации мелких ловушек;

• высокотемпературный послерадиационный отжиг для определения постоянной конверсии глубоких ловушек τ_Г;

• облучение при высокой температуре для определения коэффициента К_Г, пропорционального концентрации глубоких ловушек.

5.1 Мелкие ловушки

Биполярный транзистор облучается при высокой интенсивности 30÷300 рад/с при комнатной температуре. Радиационно-индуцированное приращение тока базы должно составлять примерно 50% от исходного значения тока базы. Измеряется приращение тока (∆I_Б)_В.И.. Коэффициент К_М вычисляется по формуле:

К_М =(∆I_Б)_В.И./D, (10)

где (∆I_Б)_В.И. – приращение тока базы при воздействии высокой интенсивности.

5.2 Высокотемпературный послерадиационный отжиг

Зависимости деградации тока базы от времени на этапе послерадиационного отжиг при 80ºC и 100ºC представлены на рис. 4. Эти зависимости типичны для исследуемых NPN и PNP транзисторов и входных токов транзисторов операционных усилителей.

Рис.4. Зависимость тока базы от времени (до 10³с – облучение; после 10³c – отжиг) PNP транзистора BC807 (облучение проводится при высокой интенсивности 30 рад (SiO₂)/с).

Поверхностная рекомбинационная составляющая тока базы зависит от плотности поверхностных состояний на границе раздела пассивирующий окисел (SiO₂) -полупроводник (Si) N_it, положительного заряда в окисле Q_ot и заряда на поверхностных состояниях Q_it при прямом смещении эмиттерного перехода. На рис.5 показана зонная диаграмма границы раздела SiO₂-Si на границе прямо смещенного эмиттерного перехода, где обозначены нейтральные поверхностные состояния (N_it), положительный заряд в окисле (Q_ot) и заряд на поверхностных состояниях (Q_it), образующийся на счет захвата инжектированных в базу носителей на поверхностные ловушки. Полагается, как это общепринято, что выше середины запрещенной зоны поверхностны состояния имеют акцепторную природу, т.е. заряжаются отрицательно (Q_it<0), находясь ниже квазиуровня Ферми для электронов E_Fn (рис.5,а). Ниже середины запрещенной зоны поверхностные состояния имеют донорную природу, поэтому заряжаются положительно (Q_it>0), когда свободны, находясь выше квазиуровня Ферми для дырок E_Fp (рис.5,б). Эффективный заряд на границе раздела Q_eff = Q_ot ± Q_it.

Рис.5. Зонная диаграмма границы раздела SiO₂-Si на границе прямо смещенного эмиттерного перехода.

В NPN транзисторе ток поверхностной рекомбинации прямо пропорционален плотности поверхностных состояний и увеличивается при увеличении эффективного положительного заряда на границе раздела (положительный заряд притягивает инжектированные электроны к поверхности раздела и увеличивает рекомбинационные потери). Поэтому уменьшение тока базы на этапе послерадиационного отжига может быть связано с уменьшением Q_ot или увеличением Q_it, так как в NPN транзисторе Q_eff = Q_ot - Q_it. При высокотемпературной обработке заряд Q_ot отжигается, заряд Q_it может возрастать за счет конверсии отжигаемого положительного заряда. Оба этих процесса приводят к уменьшению тока базы.

В PNP транзисторе ток поверхностной рекомбинации также прямо пропорционален плотности поверхностных состояний, но уменьшается при увеличении эффективного положительного заряда на границе раздела (положительный заряд отталкивает инжектированные дырки к поверхности раздела и уменьшает рекомбинационные потери). Уменьшение тока базы в этом случае может быть связано только с увеличением положительного заряда на поверхностных состояниях Q_it, так как в эффективном заряде Q_eff = Q_ot + Q_it составляющая Q_ot уменьшается, а составляющая Q_it возрастает. В обоих случаях приращение плотности поверхностных состояний играет второстепенную роль, не приводя к росту тока поверхностной рекомбинации.

Общим для NPN и PNP транзисторов является то, что уменьшение тока базы при высокотемпературной послерадиационной обработке связано с отжигом накопленного положительного заряда. Поэтому данные по кинетике уменьшения тока базы позволяют оценить энергию активации процесса отжига положительного заряда и измерить постоянную времени обжига глубоких ловушек (мелкие ловушки отжигаются во время облучения).

Предполагая, что зависимость постоянной времени процесса отжига от температуры описывается законом Аррениуса, можно записать

, (11)

где τ_Г0 – предэкспоненциальный множитель, E_A - энергия активации процесса отжига глубоких ловушек, k – постоянная Больцмана, T – температура.

Предэкспоненциальный множитель τ_Г0 и энергия активации E_A в (11) могут быть получены из данных по отжигу при двух различных температурах. Транзисторы, получившие интегральную дозу на этапе высокоинтенсивного облучения, отжигается при двух повышенных температурах Т₁ и Т₂ (например, 80^оС и 100^оС). Снимается зависимость изменения тока базы от времени для каждой температуры и определяются постоянные времени этого процесса (τ_Г)_Т1 и (τ_Г)_Т2, считая, что изменение тока базы от времени носит экспоненциальный характер. Коэффициенты τ_Г0 и E_A определяются по формулам:

τ_Г0= (τ_Г)_Т1/exp(E_A/kT₁), (12а)

E_A= k(T1×T2)/(T2-T1) ln((τ_Г)_Т1/(τ_Г)_Т2). (12б)

Описанный подход позволяет экстрагировать постоянную времени конверсии глубоких ловушек для любой температуры во время облучения.

5.3 Высокотемпературное облучение

Процесс конверсии, как было отмечено выше, действует, как своеобразный «насос», непрерывно перекачивающий радиационно-индуцированный положительный заряд захваченных дырок в поверхностные состояния. Поверхностные состояния образуются лишь за счет конверсии заряда, расположенного на расстоянии 1-2 монослоя от границы раздела. Однако при высокоинтенсивном облучении захваченный заряд может быть пространственно распределен по глубине окисла, в результате чего в поверхностные состояния конвертируется лишь незначительная часть заряда захваченных на ловушки дырок. Это может быть связано с эффектом пространственного заряда при высокоинтенсивном облучении. Положительный заряд, захваченных в окисле дырок у границы раздела SiO₂–Si, создает электрическое поле, препятствующее дальнейшему накоплению захваченных дырок непосредственно около границы раздела. Поэтому захваченные дырки пространственно распределены по глубине окисла на расстоянии до десятка монослоев. При низкоинтенсивном облучении захваченный заряд непрерывно конвертируется в поверхностные состояния и эффект пространственного заряда отсутствует. Указанное обстоятельство делает невозможной оценку количества накопленных глубоких ловушек и извлечение параметра K_Г непосредственно после высокоинтенсивного облучения. Для экстракции K_Г необходимы условия, когда весь заряд глубоких ловушек участвует в процессе отжига. Поэтому предлагается использовать высокоинтенсивное облучение при повышенной температуре, когда за время облучения отжигается весь накопленный заряд.

Для экстракции параметра К_Г облучение проводится при повышенной температуре Т_ВТ (например, 100^оС) и высокой интенсивности 30÷300 рад(SiO₂)/с. Транзистор облучается до накопленной дозы, когда приращение тока базы составляет примерно 50% от исходного значения. Коэффициент К_Г вычисляется с использованием формулы (9а), где левая часть соответствует экспериментальному значению изменения тока базы, а коэффициент τ_Г вычисляется для температуры Т_ВТ по формуле (11) с использованием величин τ_Г0 и E_A (формулы 12а и 12б).

Экстракция подстроечных параметров конверсионной модели проведена экспериментально на установке ГУ-200 (ФГУП «НИИП» г. Лыткарино). В таблице 1 приведены значения подстроечных параметров для транзисторов NPN и PNP типов.

Таблица1. Экспериментальные значения подстроечных параметров.

	KМ , A/рад	KГ , A/рад	τГ0 , с	EA ,эВ
NPN(BC817)	1.2·10-12	6.06·10-12	0.18·10-3	0.48
PNP(BC807)	6.84·10-13	1.2·10-12	4.5·10-3	0.38

На рис.6 показана зависимости приращения тока базы NPN и PNP транзисторов от интенсивности облучения при дозе 30 крад(SiO₂), построенные по экстрагируемым значениям подстроечных параметров. Эффект низкой интенсивности более ярко выражен в NPN транзисторах: увеличение деградации при малых интенсивностях составляет около 5, в то время как для PNP транзисторов увеличение не превышает 2 раз.

Экстракция параметров конверсионной модели позволяет получить полное описание S-образной зависимости деградации тока базы от интенсивности при заданной накопленной дозе. Используя S-образную характеристику можно прогнозировать деградацию коэффициента усиления биполярных транзисторов при любой заданной интенсивности, соответствующей функционированию приборов в реальных условиях. Если космический аппарат пересекает несколько радиационных поясов, то, зная радиационную остановку и время пребывания в каждом поясе, на основе S-образной зависимости можно рассчитать результирующую деградацию приборов в таком режиме эксплуатации.

Рис.6. Зависимость приращения тока базы транзисторов NPN(BC817) и PNP(BC807) от интенсивности облучения при дозе 30 крад(SiO₂), построенная по экспериментальным значениям подстроечных параметров.