半导体器件总剂量辐射效应的热力学影响

对商用三极管和MOS场效应晶体管进行了不同环境温度下的总剂量辐照实验,对比了不同辐照温度对这两种器件辐射效应特性的影响。实验结果表明,对于同一辐照总剂量,三极管的基极电流、电流增益和MOS场效应晶体管的阈值电压漂移值都随着辐照温度的不同而存在较大的差异。总剂量为100 krad,辐照温度分别为25,70,100 ℃时,NPN三极管的电流增益倍数分别衰减了71,89和113,而NMOS晶体管的阈值电压V_T分别减少了3.53,2.8,2.82 V。     

深亚微米金属氧化物场效应晶体管及寄生双极晶体管的总剂量效应研究

为从工艺角度深入研究航空航天用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺混合信号集成电路总剂量辐射损伤机理, 选取国产CMOS 工艺制作的NMOS晶体管及寄生双极晶体管进行了⁶⁰Coγ射线源下的总剂量试验研究. 发现: 1) CMOS工艺中固有的寄生效应导致NMOS晶体管截止区漏电流对总剂量敏感, 随总剂量累积而增 大; 2) 寄生双极晶体管总剂量损伤与常规双极晶体管不同, 表现为对总剂量不敏感, 分析认为两者辐射损伤的差异来源于制作工艺的不同; 3)寄生双极晶体管与NMOS晶体 管的总剂量损伤没有耦合效应; 4)基于上述研究成果, 初步分析CMOS工艺混合信号集成电路中数字模块及模拟模块辐射损伤机制, 认为MOS晶体管截止漏电流增大是导致数字模块功耗增大的主因, 而Bandgap电压基准源模块对总剂量不敏感源于寄生双极晶体管抗总剂量辐射的能力. 关键词： 总剂量效应 N沟道金属氧化物场效应晶体管 寄生双极晶体管 Bandgap基准电压源     

绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管中辐射导致的寄生效应研究

基于⁶⁰Co γ射线源研究了总剂量辐射对绝缘体上硅（silicon on insulator,SOI）金属氧化物半导体场效应晶体管器件的影响.通过对比不同尺寸器件的辐射响应,分析了导致辐照后器件性能退化的不同机制.实验表明：器件的性能退化来源于辐射增强的寄生效应;浅沟槽隔离（shallow trench isolation,STI）寄生晶体管的开启导致了关态漏电流随总剂量呈指数增加,直到达到饱和;STI氧化层的陷阱电荷共享导致了窄沟道器件的阈值电压漂移,而短沟道器件的阈值电压漂移则来自于背栅阈值耦合;在同一工艺下,尺寸较小的器件对总剂量效应更敏感.探讨了背栅和体区加负偏压对总剂量效应的影响,SOI器件背栅或体区的负偏压可以在一定程度上抑制辐射增强的寄生效应,从而改善辐照后器件的电学特性.     

0.18 μm窄沟NMOS晶体管总剂量效应研究

为明确深亚微米NMOS器件抗辐照能力以及研究其加固措施, 本文对0.18 μm窄沟NMOS晶体管进行了⁶⁰Coγ总剂量辐射效应研究. 结果表明: 和宽沟器件不同, 阈值电压、跨导、漏源电导对总剂量辐照敏感, 此现象被称之为辐射感生窄沟道效应; 相比较栅氧化层, 器件隔离氧化层对总剂量辐照更敏感; 窄沟道NMOS器件阈值电压不仅和沟道耗尽区电荷有关, 寄生晶体管耗尽区电荷对其影响也不可忽略, 而辐照引起源漏之间寄生晶体管开启, 形成漏电通道, 正是导致漏电流、亚阈斜率等参数变化的原因. 关键词： 0.18μmm 窄沟NMOS晶体管 60Coγ辐照')" href="#">⁶⁰Coγ辐照 辐射感生窄沟道效应     

不同顺序中子/γ辐照对双极器件电流增益的影响

利用CFBR-Ⅱ快中子反应堆(中国第二座快中子脉冲堆)和60Co装置开展不同顺序的中子/γ辐照双极晶体管的实验。在集电极-发射极电压恒定条件下,测量了双极晶体管电流增益随集电极电流的变化曲线,研究不同顺序中子/γ辐照对双极晶体管电流增益的影响。分析实验结果发现,集电极-发射极电压一定时,集电极电流极低情况下电流增益退化比较大,随集电极电流增加电流增益逐渐减小;就实验选中的两类晶体管而言,先中子后γ辐照造成双极晶体管电流增益的退化程度大于先γ后中子辐照,而且PNP型晶体管比NPN型晶体管差异更明显。本文进行了双极晶体管电离/位移协同辐照效应相关机理的初步探讨。     

基于环形栅和半环形栅N沟道金属氧化物半导体晶体管的总剂量辐射效应研究

在商用0.35 μm互补金属氧化物半导体工艺上制备了两种栅氧化层厚度(t_ox)的条形栅、环形栅和半环形栅N沟道金属氧化物半导体 (n-channel metal oxide semiconductor, 简记为NMOS) 晶体管, 并进行了2000 Gy(Si)的总剂量辐射效应实验. 实验结果显示, 栅氧厚度对阈值电压漂移的影响大于栅氧厚度的3次方. 对于t_ox为11 nm的低压NMOS晶体管, 通过环形栅或半环形栅的加固方式能将其抗总剂量辐射能力从300 Gy(Si)提高到2000 Gy(Si)以上; 而对于t_ox为26 nm的高压NMOS晶体管, 通过环栅或半环栅的加固方式, 则只能在低于1000 Gy(Si)的总剂量下, 一定程度地抑制截止漏电流的增加. 作为两种不同的版图加固方式, 环形栅和半环形栅对同一t_ox的NMOS器件加固效果类似, 环形栅的加固效果略优于半环形栅. 对于上述实验结果, 进行了理论分析并阐释了产生这些现象的原因. 关键词： 环形栅 半环形栅 总剂量 辐射效应     

栅长对PDSOINMOS器件总剂量辐照效应影响的实验研究

本文对PDS01NMOS器件进行了60Coγ射线总剂量辐照的实验测试,分析了不同的栅长对器件辐射效应的影响及其物理机理．研究结果表明,短沟道器件辐照后感生的界面态密度更大,使器件跨导出现退化．PDSOI器件的局部浮体效应是造成不同栅长器件辐照后输出特性变化不一致的主要原因．短沟道器件输出特性的击穿电压更低．在关态偏置条件下,由于背栅晶体管更严重的辐射效应,短沟道SOI器件的电离辐射效应比同样偏置条件下长沟道器件严重．     

p型金属氧化物半导体场效应晶体管低剂量率辐射损伤增强效应模型研究

对一种非加固4007电路中p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)在不同剂量率条件下的电离辐射损伤效应及高剂量率辐照后的退火效应进行了研究. 通过测量不同剂量率条件下PMOSFET的亚阈I-V特性曲线,得到阈值电压漂移量随累积剂量、退火时间的变化关系. 实验发现,此种型号的PMOSFET具有低剂量率辐射损伤增强效应. 通过描述H⁺在氧化层中的输运过程,解释了界面态的形成原因,初步探讨了非加固4007电路中PMOSFET低剂量率辐射损伤增强效应模型. 关键词： p型金属氧化物半导体场效应晶体管 60Co γ射线')" href="#">⁶⁰Co γ射线 电离辐射损伤 低剂量率辐射损伤增强效应     

栅控横向PNP双极晶体管基极电流峰值展宽效应及电荷分离研究

为了对双极器件在电离辐射环境下的损伤机理及加固技术进行深入的研究,对设计制作的不同工艺类型的栅控横向PNP双极晶体管进行了60Co-γ低剂量率辐照试验.结果表明:1)栅控双极晶体管的辐射特性具有很强的工艺相关性,钝化层的存在对于双极晶体管的辐射响应具有很大影响,有钝化层的器件在电离辐射环境中会产生更多的界面态,其抗辐射能力大大减弱;2)针对国产栅控横向PNP晶体管在低剂量率辐照时会发生峰值电流展宽效应,文中对展宽效应潜在机理进行了分析,并针对展宽效应提出了新的分离方法.这不但对设计抗辐射加固器件提供了依据,而且为进一步深入研究双极器件的低剂量率辐射损伤增强效应提供了强有力工具.     

抗辐射双极n-p-n晶体管的研究

根据发射极周长与面积比(P/A)最小的原则,优化设计了双极n-p-n晶体管的尺寸参数,采用20 V双极型工艺设计制造了三种抗辐射加固的n-p-n晶体管.测试表明,在总剂量为1 kGy的辐照条件下,所制备的发射结加固型n-p-n晶体管和含有重掺杂基区环的n-p-n晶体管,辐照后的电流增益比常规结构的n-p-n晶体管高10%-15%;而两种加固措施都有的n-p-n晶体管,辐照后的电流增益比常规结构的n-p-n晶体管高15%-20%. 关键词： 双极n-p-n晶体管 辐射效应 电流增益 抗辐射     

高$lt;i$gt;k$lt;/i$gt;栅介质小尺寸全耗尽绝缘体上锗p型金属氧化物半导体场效应晶体管漏源电流模型

通过求解沟道的二维泊松方程得到沟道表面势和沟道反型层电荷, 建立了高k栅介质小尺寸绝缘体上锗(GeOI) p型金属氧化物半导体场效应晶体管(PMOSFET)的漏源电流解析模型. 模型包括了速度饱和效应、迁移率调制效应和沟长调制效应, 同时考虑了栅氧化层和埋氧层与沟道界面处的界面陷阱电荷、氧化层固定电荷对漏源电流的影响. 在饱和区和非饱和区, 漏源电流模拟结果与实验数据符合得较好, 证实了模型的正确性和实用性. 利用建立的漏源电流模型模拟分析了器件主要结构和物理参数对跨导、漏导、截止频率和电压增益的影响, 对GeOI PMOSFET的设计具有一定的指导作用. 关键词： 绝缘体上锗p型金属氧化物半导体场效应晶体管 漏源电流模型 跨导 截止频率     

γ射线电离辐射对商用CMOS APS性能参数的影响

研究了γ射线电离辐射效应对商用CMOS有源像素传感器(APS)性能参数的影响,着重分析了量子效率、转换增益、暗电流、坏点和脉冲颗粒噪声等参数。研究结果表明:当受到1 000 Gy辐射后,APS失去工作能力,无信号输出或像素灰度值仅为0,110,255 DN。60Coγ射线的离位截面约为10-25cm2(0.1 b)。当剂量率低于58.3 Gy/h且辐照时间较短时,辐射对量子效率及转换增益无影响,坏点产生数为0,总剂量效应使3T-APS的本底噪声升高到4.62 DN但对4T PPD APS几乎无影响。脉冲颗粒噪声引起的各灰度值像素数量分布呈泊松分布,并与剂量率正相关。     

65 nm互补金属氧化物半导体场效应和晶体管总剂量效应及损伤机制

对65 nm互补金属氧化物半导体工艺下不同尺寸的N型和P型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET和PMOSFET)开展了不同偏置条件下电离总剂量辐照实验.结果表明:PMOSFET的电离辐射响应与器件结构和偏置条件均有很强的依赖性,而NMOSFET表现出较强的抗总剂量性能;在累积相同总剂量时,PMOSFET的辐照损伤远大于NMOSFET.结合理论分析和数值模拟给出了PMOSFET的辐射敏感位置及辐射损伤的物理机制.     

激光引信高速窄脉冲互补驱动电源设计

针对激光近炸引信探测系统对激光脉冲前沿速率、激光脉宽和功率的需求,通过RLC放电回路理论分析,采用双晶体三极管互补驱动高速金属氧化物半导体场效应晶体管作为高速开关,应用微处理器C8051FXXX产生脉冲触发信号,设计出激光近炸引信高速窄脉冲大功率驱动电源.通过PSPICE软件分析与实验验证,结果表明该电源脉冲前沿上升时间约为4ns,脉宽10ns左右,激光峰值电流可以达50A.该研究有效提高了系统探测距离与抗云雾烟尘干扰的能力.     

Si_3N_4钝化层对横向PNP双极晶体管电离辐射损伤的影响机理

航天器中电子器件在轨服役期间,会遭受到空间带电粒子及各种射线的辐射环境的显著影响,易于造成电离辐射损伤.本文采用60Coγ射线辐照源,针对有/无Si_3N_4钝化层结构的横向PNP型(LPNP)双极晶体管,开展了电离辐射损伤效应及机理研究.利用KEITHLEY 4200-SCS半导体参数测试仪测试了LPNP晶体管电性能参数(包括Gummel特性曲线和电流增益等).采用深能级瞬态谱分析仪(DLTS),对辐照前后有/无Si_3N_4钝化层结构的LPNP晶体管的电离缺陷进行测试.研究结果表明,在相同吸收剂量条件下,与无Si_3N_4钝化层的晶体管相比,具有Si_3N_4钝化层的LPNP晶体管基极电流退化程度大,并且随吸收剂量的增加,电流增益退化更为显著.通过DLTS分析表明,与无Si_3N_4钝化层的晶体管相比,有Si_3N_4钝化层的晶体管辐射诱导的界面态能级位置更接近于禁带中心.这是由于制备Si_3N_4钝化层时引入了大量的氢所导致,而氢的存在会促使辐射诱导的界面态能级位置更接近于禁带中心,复合率增大,从而加剧了晶体管性能的退化.     

带有n+深阱的三阱CMOS工艺中寄生NPN双极效应及其对电荷共享的影响

基于三维TCAD器件模拟, 研究了带有 n⁺深阱的90 nm三阱CMOS器件在重离子辐照下产生的电荷共享效应. 研究结果表明在重离子辐照时, n⁺深阱会导致寄生的NPN双极型晶体管触发, 显著增强NMOS间的电荷共享, 其放大因子达到双阱工艺中寄生PNP晶体管放大因子的2---4倍. 进而分别研究了n阱接触和p 阱接触对寄生NPN双极放大的影响, 结果表明增大p阱接触的面积和减小 n 阱接触的距离将抑制NPN晶体管的放大作用, 而增大n 阱接触的面积将增强NPN的放大作用.     

γ射线总剂量辐照对单轴应变Si纳米n型金属氧化物半导体场效应晶体管栅隧穿电流的影响

基于γ射线辐照条件下单轴应变Si纳米n型金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)载流子的微观输运机制,揭示了单轴应变Si纳米NMOSFET器件电学特性随总剂量辐照的变化规律,同时基于量子机制建立了小尺寸单轴应变Si NMOSFET在γ射线辐照条件下的栅隧穿电流模型,应用Matlab对该模型进行了数值模拟仿真,探究了总剂量、器件几何结构参数、材料物理参数等对栅隧穿电流的影响.此外,通过实验进行对比,该模型仿真结果和总剂量辐照实验测试结果基本符合,从而验证了模型的可行性.本文所建模型为研究纳米级单轴应变Si NMOSFET应变集成器件可靠性及电路的应用提供了有价值的理论指导与实践基础.     

光电耦合器不同辐照剂量率下的伽玛总剂量效应

开展了光电耦合器在0.01,0.1,1.0和50rad(Si)/s四种剂量率下的伽玛射线(60 Coγ)辐照实验,结果表明:γ辐照导致光电耦合器电流传输比下降,辐照到相同总剂量,电流传输比下降幅度基本上随剂量率的减小而增大。在不拆封破坏光电耦合器的情况下,通过对光电耦合器中的发光二极管I-V特性、光敏晶体管增益及初级光电流的测试,以及耦合介质传输损耗特性的分析,证明了导致光电耦合器电流传输比退化的主导因素是光敏晶体管C-B区光响应度的下降。     

单粒子瞬变中的双极放大效应研究

采用三维数值模拟的方法对比研究了单个NMOS晶体管和反相器链中的单粒子瞬变（single event transient,SET）电流脉冲,发现深亚微米工艺下双极放大电流在单管的SET电流脉冲中占主要成分,而在反相器链的SET模拟中不明显,分析二者的区别解释了源/体结偏压的形成过程和放大机理,并证明了双极放大效应受源/体结偏压影响的结论.在此基础上分析了NMOS管中源极的正向电流及其机理,发现台阶区的源极正向电流主要是由扩散作用形成的. 关键词： 单粒子瞬变 双极放大 混合模拟 台阶区电流     

稳态、瞬态X射线辐照引起的互补性金属-氧化物-半导体器件剂量增强效应研究

重点开展了稳态、瞬态X射线辐照引起的金属氧化物半导体(CMOS)器件剂量增强效应relative dose enhancement effect(RDEF)研究.通过实验给出辐照敏感参数随总剂量的变化关系,旨在建立CMOS器件相同累积剂量时Χ射线辐照和γ射线辐照的总剂量效应损伤等效关系.在脉冲X射线源dense plasma focus(DPF)装置上,采用双层膜结构开展瞬态翻转增强效应研究,获得了瞬态翻转剂量增强因子.这些方法为器件抗X射线辐照加固技术研究提供了实验技术手段. 关键词： X射线 剂量增强因子 总剂量效应 剂量率效应