第04章核輻射失效及抗核加固

1、第四章核輻射失效及抗核加固1*核輻射環(huán)境由于核武器技術/空間技術和核動力的發(fā)展，大量的電子設備和系統(tǒng)必然要處于在核武器爆炸和其它核環(huán)境下工作。核輻射環(huán)境對于電子系統(tǒng)來說是目前存在的最惡劣環(huán)境。核武器爆炸時，除了產生大火球和蘑菇云外，還會產生具有巨大破壞作用的沖擊波/光熱輻射/M射性沉降物/核輻射和核電磁脈沖等。其中，核輻射和核電磁脈沖對電子和電力系統(tǒng)/電子元器件的破壞作用最為嚴重。電子元器件所受的輻射損傷可以分為永久損傷/半永久損傷和瞬時損傷等幾種情況。永久損傷就是在輻射源去除后，元器件仍喪失工作性能不能恢復性能效應；半永久損傷是輻射源去除后，在不太長的時間內元器件可逐漸地自行恢復性能；瞬時損

2、傷效應是指在輻射源消失后，元器件的工作性能能立即得到恢復。人造地球衛(wèi)星和宇宙飛船在空間飛行時，將受到空間各種高能粒子的轟擊?？臻g輻射的主要來源是天然輻射帶和高空核爆炸造成的人工輻射帶。天然輻射帶又稱為范艾倫輻射帶，它是由于地球附近存在著大量的帶電粒子，在地磁場作用下它們始終在地磁場的“捕獲區(qū)”內運動而構成。天然輻射帶象一條很寬很厚的帶子圍繞在地球周圍，其主要成分是質子和電子。它又分內輻射和外輻射兩部分。內帶位于160-800Km的高度間，由能量小于500MeV的質子和和能量小于1MeV的低能電子組成。外帶位于800-3200Km的高度間，主要是由能量為0.4KeV到1.6KeV的電子組成。范艾

3、倫帶的電子和質子構成了空間飛行器的主要威脅，飛行器外表面的太陽能電池和內部的晶體管/集成電路等將受到損傷。中/低軌道的衛(wèi)星主要是受內輻射帶中質子和電子的影響；高軌道衛(wèi)星則主要是受到外輻射帶中的電子和太陽質子事件粒子的影響。高空核爆炸產生的大量的高能粒子，在地磁場的作用下沿磁力線來回運動，并逐漸擴散而形成一個圍繞地球的輻射帶，它稱之為人工輻射帶。人工輻射帶由高能電子組成，它的強度比天然輻射帶強得多，對衛(wèi)星和飛船的電子設備/儀器儀表和電子元器件等都有較大的破壞作用。核反應堆和同位素電池等也會在其周圍產生一定程度的核輻射。我們把這種環(huán)境稱為核動力環(huán)境。核反應堆周圍的核輻射主要是中子和丫射線；其中中子

4、引起的損傷比較嚴重。2*核輻照效應極其機理核武器爆炸時產生的中子和丫射線和核電磁脈沖，以及空間輻射中的電子/質子和高能粒子，雖然都能造成電子器件和電子系統(tǒng)的損傷，但它們對不同器件的損傷機理卻不相同。中子在半導體內產生位移效應，引起半導體器件的永久損傷；丫射線在半導體器件的表面鈍化層內產生電離效應，引起半永久損傷；瞬時丫輻射在反偏的半導體PN結中產生瞬時光電流；核爆炸時產生的核電磁脈沖會在電子系統(tǒng)內部和外部產生很強的感應電流，它們將引起電子系統(tǒng)的瞬時干擾和永久損傷。空間輻射中的高能電子能引起電離效應；質子能引起位移效應。高能質子/高能中子還能引起單粒子效應。一.位移效應中子不帶電，它具有很強的穿

5、透能力，可以足夠地靠近被照射材料原子的原子核。當中子與原子核發(fā)生彈性碰撞時，晶格原子在碰撞中獲得能量后離開了它原來的點陣位置，成為晶格中的間隙原子，并在原來的位置上留下一個空位，因而形成了一個空位-間隙原子對。通常將它們稱為弗蘭克爾（Frenkel）缺陷。這種現(xiàn)象稱為位移效應。硅晶格原子的位移閾值約為15eV。中子彈性碰撞產生的高能晶格原子又能使更多的晶格原子位移，從而在晶體內形成了局部損傷區(qū)-缺陷群。由于位移效應破壞了半導體晶格的勢能，因而在禁帶中形成了新的電子能級；它可以起復合中心和雜質補償中心以及載流子散射中心的作用，所以引起載流子濃度/電導率和少數載流子壽命及遷移率等大大下降，直接影響

6、半導體特性。位移效應對半導體材料性能的影響有以下三方面：1 .減少半導體多數載流子的密度。由于孔穴-間隙原子對在禁帶中形成的新電子能級，可以充當多數載流子的復空中心，從而引起了半導體中多數載流子的減少，這種現(xiàn)象稱為多子去除效應。把每平方厘米中的一個中子消除的自由多數載流子數目定義為載流子去除率，用以衡量中子對多數載流子的影響程度。因為載流子的去除率與半導體的費米能級有關，而費米能級主要取決于雜質濃度，因此，去除率直接與摻雜濃度有關。載流子去除效應將引起N型和P型硅趨向于本征硅（即電阻率增大）。這種效應是以多數載流子為導電機理的半導體器件特性衰退的主要原因。位移效應和多子去除效應對雙極器件的危害

7、最大，它增大了發(fā)射結空間電荷區(qū)的產生-復合電流，縮短了基區(qū)少子壽命，從而引起電流放大系數下降，飽和壓降增大以及微波管的截止頻率下降等。2 .載流子遷移率的衰減。中子輻照引起多數載流子密度和遷移率降低。3 .影響少數載流子壽命。少數載流子壽命是中子輻照引起半導體材料特性變化的最靈敏參數，它是以少數載流子為導電機理的半導體器件對中子輻照特別靈敏的主要原因。處于低注入下工作的雙極型晶體管，經過1010個/cm2中子注量輻照器件特性開始衰減，而在1013個/cm2中子時則嚴重衰減。二.電離效應當輻射粒子穿透物質并與原子軌道上的電子相互作用時，輻射粒子就會把能量傳遞給電子。如果電子獲得的能量大于它的結合

8、能時，電子將離開原來的軌道成為自由電子，原子則變成帶正電荷的離子而成為空穴，產生電子-空穴對，這一過程稱為電離過程。1 .丫射線和X射線特別容易引起電離效應。電離效應在半導體內部產生的電子-空穴對可以很快地復合，因而對半導體器件的影響并不大。但是，在器件表面鈍化層中特別是MOS器件的柵氧化物中，因電離效應形成的正空間電荷則構成了電離陷阱，并使SiO2-Si界面密度增加；電離效應在PN結上能產生PN結瞬時光電流；丫射線還可以使管殼中的氣體電離，在芯片表面積累可動電荷，引起表面復合電流和溝道電流。2 .電離效應對MOS器件的危害最大，它會導致閾值電壓漂移；對MOS電容器的C-V曲線，則引起曲線向負

9、柵方向漂移并發(fā)生嚴重畸變。三.瞬時輻射效應1 .瞬時丫脈沖輻射在反偏PN結中將產生瞬時光電流。因為瞬時輻照在PN結空間電荷區(qū)內產生了大量的電子-空穴對，它們在PN結內電場的作用下，產生了漂移運動。即電子被拉向N區(qū)，空穴被拉向P區(qū)，從而形成了空間電荷區(qū)的光電流。這種光電流的方向是從N區(qū)向P區(qū)，其大小與空間電荷區(qū)的寬度有關。而空間電荷區(qū)又與反偏電壓有關，所以空間電荷區(qū)光電流隨反偏壓的大小而變化。瞬時輻照在空間電荷區(qū)附近的少數載流子擴散區(qū)內產生的大量電子-空穴對，它們可以分別擴散到空間電荷區(qū)邊界，由漂移運動通過空間電荷區(qū)，從而形成所謂擴散區(qū)光電流。擴散區(qū)光電流與空間電荷區(qū)光電流的方向相同，它的大小與

10、少數載流子的擴散長度有關，而擴散長度與少數載流子壽命有關，所以擴散區(qū)光電流隨少數載流子壽命變化而變化。瞬時丫脈沖的寬度越大，產生的過量載流子越多，光電流也越大。因此，瞬時光電流的大小，直接與丫脈沖的劑量率/脈沖寬度/PN結面積，少數載流子壽命和反偏壓大小等因素有關。2 .瞬時輻照下，晶體管除了BC結產生的初始光電流外，還產生二次光電流。在高劑量率下，峰值光電流出現(xiàn)的突變現(xiàn)象，正是由二次光電流引起的。二次光電流的出現(xiàn)是由于BC結光電流流進基區(qū)而提高于基區(qū)電位，它相當于在EB結上加上了一個正向偏壓，引起發(fā)射結注入電流增大，因而使初始光電流得到了放大。放大后又出現(xiàn)的光電流被稱為二次光電流。由于二次光

11、電流大于初始光電流，從而使光電流偏離與劑量率的線性關系，出現(xiàn)突變。3 .瞬時輻照引起半導體器件發(fā)生栓鎖是另一種瞬時輻照效應。這種效應僅發(fā)生在有PNPN四層結構的器件中，這種四層結構等效于互補的PNP和NPN晶體管，它們相當于可控硅結構。體硅CMOS電路中因為存在著許多固有的四層結構，所以特別容易引起栓鎖效應。在PN結隔離的單塊集成電路中也同樣存在著許多寄生PNPN四層結構。這種四層結構產生栓鎖的條件是：(1)互補晶體管的電流增益乘積大于1或等于1,即3pnp*3npn>1。4 2)兩只互補晶體管的發(fā)射結同時保持正向偏置(與輻照有關)。5 3)電源能提供NPNP可控硅結構的維持電流。瞬時輻

12、照在集成電路中產生的瞬時光電流，有可能觸發(fā)寄生的四層可控硅結構發(fā)生栓鎖。例如，一般未加固的CMOS電路，在106Gy(硅)/S量級劑量率的瞬時輻照下就會發(fā)生栓鎖。四.單粒子效應單粒子效應又叫單粒子擾動，是最近幾年發(fā)現(xiàn)的重要核輻射效應。這種效應是單個粒子作用的結果，故稱之為單粒子效應。單粒子效應使半導體器件產生的錯誤，稱之為軟錯誤(可以恢復)。它是一種隨機的非循環(huán)的單個錯誤。隨著集成電路集成度的提高，元器件的尺寸進一步減小，人們發(fā)現(xiàn)陶瓷管殼中存在微量放射性同位素產生的“粒子也能引起存儲器瞬時損傷(如64K動態(tài)隨機存儲器)。1 .a粒子能引起單粒子效應。a粒子是氯核粒子(Z=2),a粒子穿透硅片的

13、深度與它的能量有關。一般從陶瓷管殼中產生的a粒子，能量為5MeV,穿透深度為25um,產生電子-空穴對的數目為106量級。a粒子在靈敏區(qū)內產生的大量電子-空穴對，由擴散和漂移運動分別被P區(qū)和N區(qū)收集，這種由電荷引起的電流能使半導體器件產生軟錯誤。a粒子能量不同引起的軟錯誤率也不同，能量在4MeV左右的a粒子引起的軟錯誤率最大。a粒子的注入角度不同，引起的軟錯誤率也不同；其中60*注入角引起的軟錯誤最多，因為這樣的注入角度在靈敏區(qū)內穿透的路徑最長。對于動態(tài)隨機存儲器，當a粒子穿透存儲電容器時容易激發(fā)軟錯誤，從而使“1”態(tài)反轉成“0”態(tài)。因為a粒子穿透電容時產生電子一空穴對，在電荷聚集效應的作用下

14、，電子被拉向電容的電子阱，而空穴被拉向P型襯底。當存儲器為“1”態(tài)時，由于電子阱中缺乏電子，大量電子被補充進去，從而使“1”態(tài)反轉成“0”態(tài)。而存儲器為“0”態(tài)時，因為電子阱內已充滿電子，所以不能反轉。試驗表明，a粒子對動態(tài)隨機存儲器的損傷不僅發(fā)生在存儲電容上，而且主要發(fā)生在N+位線上。因為N+區(qū)可以收集電子一空穴對中的電子，收集電子后改變了位線的電位從而使存儲單元讀出和寫入錯誤的數據。試驗還表明，讀出放大器也可以產生兩種幾率的軟錯誤。讀出放大器實際上是一個觸發(fā)器，在a粒子的作用下可以從一種狀態(tài)轉換到另一種狀態(tài)，并且兩種狀態(tài)相互轉換的幾率同時存在。2 .核爆炸產生的聚變中子和其它高能中子也能引

15、起單粒子效應。高能中子通過硅原子的核反應淀積能量。一個14MeV的中子與硅原子作用，產生下列四種主要核反應：0 (n,n)2814Si彈性散射，2814Si(n,p)2813Al1 (n,n/)2814Si非彈性散射，2814Si(n,2)2814Mg六種反應產物中，a粒子具有最大能量，又加上其阻塞能力比質子大，能在小體積內產生大量的電子-空穴對，因而對單粒子效應的貢獻最大。3.重核粒子，特別是宇宙射線中的核粒子，幾乎對所有的大規(guī)模集成電路都能產生單粒子效應。重粒子穿入硅片，由于庫侖力相互作用的結果，把能量傳給電子。帶有不同能量的二次電子，向不同方向發(fā)射，約經過幾微米的距離并產生大量電子-空穴

16、對，形成一個圓柱型電離區(qū)。如果這個電離區(qū)，位于半導體器件的靈敏區(qū)，就會引起單粒子效應。3*核輻射對半導體器件的影響提高電子系統(tǒng)的抗核輻射能力，除了在屏蔽和系統(tǒng)設計上采取相應的措施外，關鍵是提高電子元器件的抗輻射能力。大量試驗表明，半導體器件和集成電路最容易受到核輻射的損傷。半導體器件不同，其輻射退化機理也不同。于雙極器件，輻射的瞬時損傷是PN結光電流，永久損傷則是電流增益下降/飽和壓降增加和漏電流增加。在結型器件中，可控整流器/單結晶體管和太陽能電池等最容易受到損傷。所以，在輻射環(huán)境中應盡可能避免使用可控硅和單結晶體管，其次是功率管和低頻管，而高頻管稍好一些。MOS場效應管器件的電離輻射損傷比

17、較嚴重，丫射線引起二氧化硅的電離陷阱及Si-SiO2界面態(tài)增加，使閾值電壓VT改變，而且減小溝道遷移率，從而降低跨導和增加噪聲。這其中最敏感的參數是VT。一.雙極晶體管的輻照特性1.雙極晶體管的電流增益受中子輻照的影響特別嚴重，中子輻照使其下降，下降幅度與下列因素有關：(1)與注入電流的大小有關。當注入電流較大時，中子輻照對少數載流子壽命的影響較小，從而使電流增益下降也較小。(2)與基區(qū)寬度和雜質分布有關。基區(qū)愈窄，基區(qū)內的復合電流就愈小，電流增益的下降也愈小。(3)與工作頻率有關。頻率愈高，抗中子輻射能力愈好。2.對于功率晶體管，飽和壓降增加量是中子輻射引起的一個重要參數。其原因來自兩方面，

18、一方面是中子的多數載流子去除效應引起芯片中硅材料電阻率增大；另一方面是中子的位移效應引起電流增益降低導致飽和深度減小的結果。3.中子輻射引起開關晶體管開關上升時間增加，存儲時間和下降時間減小。4.電離輻射對雙極晶體管造成的損傷，主要發(fā)生在器件表面的鈍化層內，在鈍化層內產生電離輻口陷阱，并在SiO2-Si界面產生新的界面態(tài)。對NPN管新生界面態(tài)增加了基區(qū)的表面復合率，輻照陷阱引起基區(qū)表面耗盡，從而增加了耗盡層體內的復合率，它們導致電流增益顯著下降。對PNP管，輻照陷阱可以使輕摻雜的收集區(qū)產生耗盡層或反型層。反型層會一直延伸到硅片邊緣，由于邊緣有劃片留下的嚴重機械損傷，損傷缺陷形成載流子激發(fā)中心，

19、產生大量載流子，從而使漏電流Iceo大大增加，電流增益明顯下降。二.MOS晶體管的輻照特性1 .由于MOS管是多數載流子器件，因此具有很好的抗中子輻照能力。但它抗丫電離輻照的能力卻較差，因為MOS管與雙極管不同，芯片表面的柵氧化物是MOS管本身的重要組成部分。丫射線的電離效應在柵氧化物內產生的電離陷阱(正電荷)相當于在MOS管的柵介質上加上了正偏壓，使MOS管的閾值電壓向負偏方向漂移，所以MOS管對電離輻射十分敏感。2 .MOS管受中子輻照也存在三種損傷機理：增加襯底材料的電阻率/減少溝道載流子遷移率/增加表面態(tài)密度。其中表面態(tài)密度增加是最主要的損傷因素。閾值電壓漂移同樣是MOS管受中子輻射損

20、傷的最主要標志。閾值電壓向負方向漂移，在柵壓不變的條件下出現(xiàn)漏極電流下降，從而引起跨導降低。3 .可控硅整流器的輻照特性可控硅通常使用在大電流高電壓的條件下。它的互補PNP和NPN管具有基區(qū)寬度較大/結面積大雁材料電阻率較高/少數載流子壽命長等特點。因此，它對核輻射特別敏感，尤其在瞬時核輻射下容易產生栓鎖。中子輻照將引起可控硅特性嚴重惡化，出現(xiàn)陽極-陰極電壓和飽和電阻增大，維持電流和控制柵電流上升等。電離輻射的累積劑量也可引起可控硅整流器開關性能嚴重惡化，這是由于電離輻射使漏電流增大的結果。當漏電流增加到一定程度時，就會使可控硅導通；在加偏壓的情況下更為敏感，10Gy（硅）照射下就會引起失效。

21、4 .太陽能電池的輻照特性硅太陽能電池多數是衛(wèi)星的主要電源，因為太陽能電池通過光電效應能將入射的太陽光直接轉換為電能，向人造衛(wèi)星提供能源。但太陽能電池對核輻射環(huán)境特別敏感。由于它安放于衛(wèi)星外表面，不斷受到宇宙空間高能粒子（如電子和質子）的轟擊，使其電性能受到嚴重影響。高能粒子轟到硅太陽能粒子上的主要效應是縮短少數載流子擴散長度，從而引起輸出電流的明顯下降。硅太陽能電池是PN結光敏器件，瞬時輻射使硅材料電導率增大，因而串聯(lián)電阻會出現(xiàn)瞬時降低的現(xiàn)象。中子輻照會引起太陽能電池永久性損傷，隨中子注量增加，它的輸出電流會明顯減小。太陽能電池的電子輻照效應受硅片厚度和基區(qū)電阻率變化的影響較顯著。硅片越薄，

22、低注量電子輻照引起的損傷就越小。5 .雙極邏輯電路的輻照特性雙極邏輯電路抗中子輻射能力強，但由于芯片內存在大量的有源器件和寄生二極管，因此抗瞬時輻射能力較差。電阻-晶體管邏輯（RTL）電路，由于有源器件較少，抗瞬時輻射能力比晶體管-晶體管邏輯（TTL）電路強。介質隔離器件，由于沒有PN結隔離二極管，因此抗瞬時輻射能力提高了一個數量級以上。肖特基鉗位TTL（S/TTL）電路，由于硅片中沒有摻金，避免了栓鎖效應，因此有較好的抗瞬時輻照能力。各種邏輯電路的抗瞬時輻照能力如表4-1所示。表4-1各種邏輯電路的瞬時輻照損傷閾值邏輯電路損傷閾值（Gy（硅）/S）RTL（電阻-晶體管邏輯）5*105-1*1

23、07DTL（二極管-晶體管邏輯）5*105-5*106TTL（晶體管-晶體管邏輯）1*106-3*106低功率TTL5*104-4*105介質隔離DTL1*106-8*106介質隔離TTL6*106-5*107肖特基鉗位TTL（S/TTL）1010電離輻射對雙級邏輯電路的損傷主要表現(xiàn)為內部晶體管的電流增益下降/漏電流增大，而其它效應如飽和壓降增大等則變化不明顯。一般電路可達到和超過1*106Gy（硅），但對于表面鈍化層質量差的器件，在105Gy（硅）輻射下，漏電流就會嚴重增大。雙極邏輯電路的抗中子輻照能力較強，其主要原因是這種電路的設計余量很大，它允許晶體管的電流增益在很大范圍內變化，而不影響

24、電路的正常工作。6 .雙極線性電路中由于采用了橫向PNP管和超增益管，它們又在工作在小電流狀態(tài)，因此，它對輻射損傷的靈敏度比雙極邏輯電路要高得多。中子輻照引起的線性電路內部晶體管電流增益下降，下降最嚴重的橫向晶體管，在1013個中子/cm2的中子注量下，電流增益幾乎下降70%以上。其次是高增益晶體管，在同樣中子注量下，電流增益下降約50%。中子輻照引起線性電路參數變化，主要表現(xiàn)在輸入失調電壓，輸入失調電流和偏置電流增大。電離輻照同樣會引起線性電路內部晶體管電流增益嚴重下降。例如，高增益運算放大器內部的超增益NPN管在1*103Gy（硅）照射下，電流增益幾乎下降了半個數量級。電參數的變化主要表現(xiàn)

25、在輸入失調電壓/輸入失調電流/偏置電流增加，直流開環(huán)增益/上升速率和增益-帶寬乘積減少。線性電路抗瞬時輻射能力較差，因為它除了有較多有源器件和寄生元件外，其晶體管又工作在放大區(qū)。在高計量率的瞬時輻照下，一般都可能產生二次光電流，使總光電流很大。它的抗瞬時輻照能力比雙極邏輯電路低一個數量級，約在105Gy（硅）/S的量級。線性電路的抗中子和抗電離輻射能力具有很大的分散性，其中約有30%的電路抗輻射能力較好。這是因為它的抗輻射性能在很大程度上取決于差動輸入級晶體管的對稱匹配程度；對稱匹配很好時抗輻射性能就好。由于線性電路抗輻射能力分散性很大，因此抗輻射篩選的效果就比較好，可以通過抗輻射篩選挑選出抗

26、輻射能力較好的電路。七.集成注入邏輯（i2l）電路的輻照特性集成注入邏輯電路的基本單元由一個橫向PNP管和NPN管組成，PNP管向NPN管的基區(qū)注入電流，輸出電壓低于一個二極管的正向壓降。I2L基本單元白正視圖/剖面圖和線路圖如圖4-1所示。I2L電路由于器件之間不需要隔離/邏輯擺幅?。?.6-0.7V）沒有電阻/NPN管bc結面積小等原因，使它具有較好的抗瞬時輻射能力，預計比雙極邏輯電路tWj12個量級。CPCN圖4-1|2L基本單元結構和電路中子輻射和電離輻射都會引起L電路內部晶體管電流增益下降（PNP管的a,NPN管的3）下降。下降的原因如下：1 .橫向PNP管的基區(qū)較寬，有較大面積，電

27、離輻照后表面漏電流增大。又由于基區(qū)摻雜濃度低，中子輻照后表面復合電流增大。2 .縱向NPN管處于反向運用，EB結空間電荷區(qū)較厚，在丫射線照射后表面漏電流增大，中子輻照后空間電荷區(qū)復合電流增大。3 .NPN管發(fā)射區(qū)摻雜濃度遠低于基區(qū)，發(fā)射效率低。但第二代注入邏輯電路，由于采用離子注入工藝可獲得最佳摻雜截面，從而消除了減速場，獲得了較高的發(fā)射效率，提高了抗輻射能力。8 .CMOS電路在電離輻照后因N溝和P溝MOS管閾值電壓發(fā)生漂移，引起輸出低電平上升/抗干擾能力下降/靈敏度提高/速度下降和漏電流增大等。由于CMOS電路存在固有的光電流補償效應，因此瞬時輻照是產生的光電流較小。COMS電路由NMOS

28、管和PMOS管構成互補結構，輻照后在反相器輸出端的N-MOS管和P-MOS管的漏極二極管上所產生的光電流，由于方向相反而相互補償；因此，不會在輸出端引起瞬態(tài)信號（源極二極管/P阱二極管和輸入二極管的光電流都不會流經輸出端），光電流產生的補償情況如圖4-2所示。但是瞬時輻照產生白光電流會引起CMOS電路發(fā)生栓鎖。試驗表明，在3*106Gy（硅）/S的輻射劑量下就會發(fā)生栓鎖現(xiàn)象。提高CMOS電路抗栓鎖能力的關鍵是消除和消弱產生栓鎖的條件，具體措施在抗核加固一節(jié)中敘述。圖4-2CMOS電路中的光電流補償9 .N-MOS電路的輻照特性N-MOS電路具有集成度高，速度-功耗乘積合適等優(yōu)點，在電子系統(tǒng)中已

29、得到廣泛的應用。但是它有一個很大的缺點，即抗輻射能力很差，特別是N-MOS微處理器（CPU）和動態(tài)隨機存儲器是抗輻射能力最差的集成電路。當電離輻射達到17Gy（硅）時CPU就開始受到損傷，30Gy（硅）時幾乎完全失效。動態(tài)隨機存儲器，在電離輻射達到17Gy（硅）時就開始受到損傷，35Gy（硅）時幾乎完全失效。所有試驗樣品的損傷，主要都是由于MOS管閾值電壓漂移引起的。4*核電磁脈沖損傷一.電子系統(tǒng)的核電磁脈沖損傷核武器爆炸，特別是高空核爆炸產生的核電磁脈沖，被普遍認為是核爆炸產生的諸殺傷因素中威脅最大的因素。核電磁脈沖在電子系統(tǒng)的電纜和其它形式的天線上所產生的感應電流，可以流入電子系統(tǒng)內部，使

30、電子系統(tǒng)產生瞬時干擾和永久性損傷。高速數字電路對核電磁脈沖的感應電流非常敏感,當它的輸入/輸出或電源端受到瞬時干擾時，都可能改變邏輯狀態(tài)。通常計算機存儲器本身具有較好的抗核電磁脈沖能力，但是存儲器的寫入電路在瞬時的干擾下，可以在存儲器中存入錯誤數據。核電磁脈沖產生的感應電流可以觸發(fā)半導體器件發(fā)生栓鎖而燒毀，如果栓鎖效應沒有引起器件燒毀，器件性能還可以由重新偏置得到恢復。核電磁脈沖的感應電流，當引入數字邏輯電路的輸出端時，主要表現(xiàn)是輸入端發(fā)生柵穿或燒毀保護電路。核電磁脈沖感應電流引入CMOS電路的輸入/輸出端時則會觸發(fā)栓鎖而損傷。對于屏蔽/接地良好和無窗口的電子系統(tǒng)，核電磁脈沖損傷主要是從電纜和

31、其它形式的天線輸入端引入器件的。所以，研究電子系統(tǒng)的核電磁脈沖損傷，主要是研究輸入端電子器件的核電磁脈沖效應，從而使研究工作得到大量簡化。二.電子器件的PN結面積愈大，抗核電磁脈沖的能力愈強。雙極晶體管的BC截面積比EB截面積大得多，其抗核電磁脈沖的能力也大得多。MOS器件的抗核電磁脈沖能力與保護電路的結構和柵氧化物的擊穿電壓有關。隨著集成度的提高，電子器件核電磁脈沖的能力愈來愈差。通常用最低損傷能量表示電子器件的核電磁脈沖損傷的閾值。部分半導體器件的損傷閾值如表4-2所示。核電磁脈沖引起電子系統(tǒng)發(fā)生瞬時干擾的能量很低，通常在109J以下即可發(fā)生。一些典型的核電磁脈沖引起瞬時干擾的最低能量如表

32、4-3所示。4-2電子器件的核電磁脈沖損傷閾值器件名稱損傷，清況損傷閾值(J)微波混頻二極管燒毀10-7線性集成電路干擾或燒毀10小功率晶體管和雙集成電路干擾或燒毀10-5CMOS邏輯電路/中功率晶體管/二極管永久性破壞10-4齊納二極管/可控硅/結型場效應管/大功率管/薄膜電阻受到破壞10-3表4-3核電磁脈沖干擾的最低能量器件種類故障情況最低能量典型邏輯門構成的邏輯電路邏輯干擾93*10J-K觸發(fā)器電路邏輯干擾-104*10布羅局速計算機磁芯存儲器接線抹擦-92*10布羅中速計算機磁芯存儲器接線抹擦-95*10RCA中速計算機磁芯存儲器接線抹擦-93*10典型高增益放大器干擾-114*10

33、三.半導體器件的核電磁脈沖損傷機理1. PN結反偏時的損傷機理如下：(1)圍繞結的表面發(fā)生擊穿。在結的周圍形成很大的漏電通路而失效，但PN結本身并沒有損傷，只要刻蝕掉表面鈍化層，就可以使PN結得到復原。通過合理的設計就可以消除這種擊穿。(2)穿過結的內部發(fā)生擊穿。這種擊穿是由于電流集中引起局部高溫。電流密度足夠大時PN結發(fā)生二次擊穿，在結內出現(xiàn)熱點，引起重新合金化和雜質離子擴散，導致PN結通路。二次擊穿損傷是積累性的，損傷點的形成與偏壓條件/過量的PN結電流和材料缺陷等有關。(3)介質擊穿引起PN結短路。當介質擊穿時，較大的雪崩電流可以形成一條電磁脈沖放電通路，在介質上造成針孔。2. PN結正

34、向偏置時的損傷機理：因核電磁脈沖產生很大感應電流引起PN結出現(xiàn)溫升，引起內部出現(xiàn)擊穿；但它比反偏PN結內部擊穿所需的能量要大得多。單結的損傷機理，適用于晶體管的每個PN結。5*半導體器件的抗核加固一.抗核加固電子系統(tǒng)的器件選擇1 .設計抗核加固的系統(tǒng)，首先要選擇抗核輻射性能好的器件。為了便于使用者合理的選擇半導體器件，表4-4列出了常用半導體器件的抗核能力。表4-4半導體器件的抗輻射能力比較器件種類抗中子輻射能力中子/cm2抗電曷輻射能力Gy(硅)低頻功率晶體管1010-10111010中頻晶體管1012-10131010局頻晶體管1013-10141010結型場效應管1014-1015104

35、-105微波晶體管1014-1015整流二極管1013-1014104-105穩(wěn)壓二極管5*1013-5*1014104-105隧道二極管5*1014-5*1015>105單結晶體管5*1011-5*1012"TT'2約10可控硅5*1010-5*1013101邏輯電路<5*1011104-105線性電路5*1013-5*1015約103MOS電路12>5*10.2約10MOS場效應管1014-10152約10從表中可以看出以下規(guī)律：(1) 一般晶體管的抗中子輻射能力約約1013個中子/cm2,抗電離輻射能力為104-105Gy(硅)。(2)同種材料/同一種

36、頻率響應的晶體管，小功率晶體管比大功率晶體管的抗輻射能力強。(3)同種材料的高頻晶體管，比低頻晶體管的抗輻射能力強。(4)同種材料，相同功率的晶體管，NPN管比PNP管抗輻射能力好。(5)同種材料的二極管比三極管的抗輻射能力好。(6)同類形的晶體管，錯晶體管比硅晶體管的抗輻射能力好。(7)單結晶體管及可控硅器件的抗輻射能力最差，比一般二極管低兩個數量級。(8)微波器件的抗輻射能力最好，比一般晶體管高12個數量級。(9)結型場效應管的抗中子輻射能力比雙極型晶體管好，比一般雙極型晶體管高兩個數量級。(10)MOS場效應管的抗中子輻射能力比一般雙極晶體管高12個數量級。但它的抗電離輻射能力卻比一般雙

37、極晶體管低2-3個數量級。(11)雙極邏輯電路的抗輻射能力比一般分立器件好，可以高1-2個數量級。(12)在瞬時輻射劑量率大于104-105Gy/S時，一般晶體管將產生明顯的瞬時光電流。(13)高頻晶體管比低頻晶體管的抗瞬時輻射能力好。(14)小功率晶體管比大功率晶體管的抗瞬時輻射能力好。(15)開關晶體管比一般晶體管的抗瞬時輻射能力好。(16)雙極集成電路中，介質隔離比PN結隔離的電路抗瞬時輻射能力要好得多。2.抗中子輻射加固。雙極型晶體管的抗中子輻射能力較差。采用下列工藝加固和線路加固可取得一定抗核效果。(1)減小晶體管的基區(qū)寬度，可減小少數載流子在基區(qū)的渡越時間，減少復合。(2)基區(qū)摻金

38、可以降低少數載流子壽命，相對地降低了輻射對少數載流子的壽命的影響。(3)采用濃基區(qū)/淺擴散/薄外延/低電阻率以及陡發(fā)射結和圓形結構等。(4)設計雙極器件電子系統(tǒng)時，應充分注意提高晶體管增益的設計余量。(5)共發(fā)射極放大器中采用低阻偏置線路對電路進行加固，這種加固可提供較強的基極驅動電流。不同的電子系統(tǒng)有不同的線路加固方法，具體問題需要具體考慮。3.抗電離輻射加固。MOS器件抗電離輻射的性能較差，它的加固工作主要集中于溝道介質方面。(1)加固工藝：用(100)晶向的硅襯底；1000*C干氧化工藝制備柵氧化層；氧化后在氮氣中退火，退火溫度低于850*C或者不退火。(2)減少柵氧化層厚度可以提高MO

39、S器件的抗輻射能力。(3)柵氧化前用HCI凈化爐管(但不能在氧化時摻HCI)。(4)用碳增期蒸發(fā)鋁金屬化。(5)用燒氫氧化工藝制備柵氧化物。雙極器件的AL2O3和Si3N4表面鈍化技術能明顯的提高它的抗電離輻射能力。AL2O3薄膜具有較強的抗電離輻射能力，用等離子體陽極氧化和氣向沉積的AL2O3薄膜，抗電離輻射能力最好，幾乎提高了10-30倍。其機理解釋如下：(1)輻照前AL2O3薄膜的陷阱密度大，電離輻射產生的陷阱對它的密度增加影響不大；而SiO2薄膜輻照前陷阱密度較小，電離輻射產生的陷阱則使它的密度大大增加。(2) AL2O3薄膜在電離輻射下產生電子一空穴對，當電子離開薄膜和空穴俘獲之前，

40、電子和空穴就開始大量復合，從而使電子和空穴大大減少。(3) AL2O3薄膜中存在電子陷阱，電離輻射時它大量俘獲負電荷，從而補償了電離輻射引入的正空間電荷，使薄膜中正電荷明顯減少，甚至有時還會出現(xiàn)純負電荷。Si3N4薄膜的抗電離輻射能力比SiO2薄膜高三倍。AL2O3和Si3N4薄膜受輻射后引入的正空間電荷比較少，用它們作為表面鈍化層，可以提高雙極器件的抗電離輻射能力。3.抗瞬時輻射加固。半導體器件抗瞬時輻射能力與器件PN結面積大小/反偏電壓高低及少數載流子壽命長短有關。因此，減小PN結面積/降低反偏電壓和少數載流子壽命，可以提高器件的抗瞬時輻射能力。(1)TTL電路由于有源器件較多，PN結隔離

41、與擴散電阻形成的寄生二極管，在瞬時輻射下會產生很大光電流，所以抗瞬時輻射能力較差。為了提高雙極器件的抗瞬時輻射能力，可采取以下加固措施：介質隔離/薄膜電阻器/減小晶體管幾何尺寸/降低收集區(qū)電阻率和收集區(qū)厚度/光電流補償/加限流電阻/重摻金和中子輻照等。采用以上措施后，抗瞬時輻射能力可以提高2-3個數量級。這些加固措施中，用介質隔離代替PN結隔離是主要的加固措施。(2)光電流補償是提高器件抗瞬時輻射能力的一種有效技術。光電流補償原理是線路加固的基礎。補償電路如圖4-3所示。圖中Q2是補償晶體管/BE結反偏。晶體管Q1產生的光電流，大部分流過晶體管Q2,從而降低了晶體管Q1產生二次光電流的可能性。

42、這種補償技術，要求晶體管Q2必須與晶體管Q1特性相同，只有這樣才能在很寬的劑量率范圍內提供補償作用。(3)CMOS電路存在固有的可控硅結構，瞬時輻射會觸發(fā)CMOS電路發(fā)生栓鎖，因此抗栓鎖加固也是抗瞬時輻射的一部分。提高CMOS電路抗栓鎖能力的關鍵是消除栓鎖產生的條件。目前采取的措施有：A.減少少數載流子的壽命。用摻金和中子輻照來降低少子壽命。B.通過合理的器件設計，可以提高CMOS電路的抗栓鎖能力。例如：盡量減小“P阱”面積，以便于減小P阱一襯底結光電流；盡可能地多開設電源孔和接地孔，并且電源孔盡量設置在PMOS與P阱之間，接地孔開設在靠近PMOS管的P阱內。C.抗栓鎖工藝：采用外延襯底和埋層

43、結構，可大大降低襯底電阻/P阱電阻和降低寄生NPN管的電流增益；采用“偽收集極”結構，可切斷引起栓鎖效應的橫向電流。D.在電源線上串進一個電感-電阻-電容(LRC)網絡，如圖，40-11所示。圖4-4電源濾波網絡4.抗核電磁脈沖加固。近十余年來，人們愈來愈重視電子系統(tǒng)的抗核電磁脈沖加固，已提出各種抗核加固方案，它們可歸結為三個主要方面。(1)對電子系統(tǒng)的外殼和電纜進行全面屏蔽，電纜的插頭座必須保持與外殼和電纜屏蔽的連續(xù)性，并采用最佳接地方案。(2)用旁路的方法對感應信號濾波和限壓。一般用的限壓器件有介質擊穿器件/半導體擊穿器件和非線性擊穿器件/齊納穩(wěn)壓二極管等，其中半導體擊穿器件比較好。在穩(wěn)壓二極管上反向串聯(lián)一個結電容小的二極管，它不僅旁路電流大，而且高頻特性好。采用旁路電路加固的電子系統(tǒng)，抗核電磁脈沖能力可以提高二倍以上，對計算機可以達到8*104V/m以上。(3)元器件的選擇和加固。選擇抗核電磁脈沖最強的器件。上述三個方面中第一方面是最主要的。