双极结转移（BJT）的总电离剂量效应
Loading the player...
将在30s后自动为您播放下一课程
大家好，我叫 Rob Baumann， 是高可靠性方面的首席 技术专家。 如果在观看本视频之后， 您想了解有关 TI 航天 产品的更多信息， 请访问 ti.com/space。 感谢您的观看。 在本次讲座中， 我们将讨论双极 结型晶体管上的 电离辐射总剂量 效应。 我们以前看过 该图，但我将为 你们中尚未观看过 早期视频的人介绍该图。 这是一个 MOS 器件 -- 金属氧化物半导体 器件的能带结构。 水平轴是 垂直轴， 器件的 真正物理轴。 左侧是 栅极， 中间是氧化层， 这是绝缘层， 最后，右侧 是硅基片。 垂直轴表示 能量，在本例中， 表示电子势能。 因此，当电子 在图中向上 移动时，它将获取 势能，当它向下 移动时，它将损失势能。 在电离辐射 总剂量机制中， 辐射效应是， 当栅极氧化层 接触辐射时，栅极 氧化层中吸收的任何 能量将产生电子空穴对。 因此，基本而言， 电子会吸收辐射能量。 因此它将获得能量， 它在该图中向上移动， 留下一个空穴。 现在，栅极 氧化层具有 一个使它们对于总剂量 而言有问题的特性，这就是， 载流子在栅极 氧化层中的移动性 或移动容易程度对于 电子和空穴而言是不同的。 实际上，电子具有 相当强的移动性， 可以在存在电场的 情况下轻松移动。 正如我们在这里 显示的，我们具有 正测量电压， 这会使电子 能量下降并吸引电子。 因此，传导带中 被吸收的辐射 激发的任何电子 将很快地向下移动， 穿过栅极氧化层， 并进入栅极， 然后再次 由正栅极 电压吸引。 相反，它们 留下的空穴 具有较弱的移动性， 它们将缓慢地跳过价带， 向界面移动。 它们再次被正 栅极电压排斥。 空穴带正电。 空穴跳跃输送的 另一个特性是， 由于它干扰局部 晶体结构，其中 -- 尤其是在栅极 氧化层中 -- 包含 质子或离子化氢， 当空穴在氢位置 附近经过时， 很多时候氢 会由于空穴的 存在而被释放。 因此，现在的情况是， 您具有按照跳跃机制 移动的空穴。 当它们跳跃时，它们实际上 会将氢离子或质子释放到 栅极氧化层中。 当然，由于在 该示例中我们 具有电场，因此 栅极上的正 电荷会将空穴 和带正电的质子 推向界面。 现在，空穴会被 捕获在界面附近 所谓的深能级 空穴捕获中心中， 之所以说是 深能级，是因为 它们位于带隙中间。 因此，它们处于 传导带边缘和 价带边缘之间的某个 位置，刚好在中间。 因此，存在很多能量 使它们到达那里， 使它们进入传导带 需要消耗很多能量。 因此任何在这里结束的 空穴几乎会停留在这里 或非常难以移动。 因此，这基本上是 靠近硅的空穴的 电荷捕获。 当然，该 靠近硅的 正电荷将 具有一些影响， 正如我们将看到的， 尤其是对于双极器件。 质子释放和输送的 另一个特性是，质子 实际上会在氧化层中 以不同的方式发生 相互作用。 它们基本上 会移向界面 -- 因此这里是 硅-二氧化硅 界面。 由于原子 结构中的差异， 您会在这里创建所谓的 缺陷状态或表面状态。 现在，它们通常由 质子进行修改， 这可以在 表面创建 正电、负电或 中性捕获中心。 这些将影响 载流子浓度 和载流子寿命， 我们将看到 这会对双极结型 晶体管产生很大的影响。 好的，那么我 在左侧展示了 侧向双极 器件的横截面。 我们在这里具有集电极 区、狭窄的基极区 -- 至少在该部分 它是狭窄的， 在这里它相当宽 -- 然后这里是发射极 基极耗尽区。 因此，发射极、基极和集电极。 现在，当我们收集 该正电荷并获得 界面状态时， 所发生的是， 我们可以在辐射之后 获得反型区，或者 我们仅得到 载流子捕获区。 因此载流子捕获效应、 重新结合率会增加， 即电子和空穴的 重新结合率。 这意味着，注入到 基极中的任何载流子、 这其中的一部分 基本上将在界面处 开始重新结合或消失。 那么，这意味着您 具有基极电流， 它与表面重新 结合率成正比。 缺陷的存在 会增加表面 结合率，这会 相应地增加 基极电流。 当然，这带来的 问题是，您的 集电极电流 不会有任何增加。 因此，外部电路必须 强制实现更大的基极 电流，从而泄漏 相同的集电极电流。 您的双极 晶体管的 HFE 或 β 值会有效地降低， 因为现在您必须产生 更大的基极电流或 注入更大的基极电流 以补偿由总剂量效应 引起的这些缺陷所导致的 表面重新结合效应。 在右侧，我们 可以看到，作为 总剂量的函数， 当我们增加电离 辐射总剂量时 -- 因此越来越多的 辐射 -- 基本而言， 该基极电流将增大。 这又是一个对数坐标。 因此，从总剂量 10k rad 到 100k rad，我们增加了大约 50 倍的基极电流。 因此，再一次地，如果 基极电流增加 50 倍， 这意味着您的 双极晶体管增益 将随着电离辐射 总剂量的增加而 极大地下降。 现在，需要意识到的 一点是，双极晶体管中的 总剂量效应很多 时候对于剂量率 很敏感。 换话句话说， 器件接触到的 辐射率 会改变 器件的 灵敏度。 这有点 违反直觉， 因为在较低的剂量率下， 您实际上会获得更强的 效应。 因此，我们将其称为 增强的低剂量率 灵敏度。 它之所以很糟糕， 是因为当我们 执行加速测试时， 我们希望使用 尽量高的 剂量率，以便 我们可以在很短的 时间内获得我们 所需的总剂量。 坏消息是，由于 较旧的灵敏度 -- 这对于双极结型 晶体管而言尤其 是个问题 -- 由于 较旧的灵敏度， 我们必须非常小心。 换句话说， 我们必须确定， 该双极技术是否 具有较旧的灵敏度？ 因为如果它是这样，那么我们 就无法使用高剂量率测试。 我们必须使用 极低的剂量率 测试，以验证最坏 情况下的器件漂移 是怎样的。 在左侧，我展示了 一组不同的 PNP 和 NPN 器件。 这些是微不足道的器件， 但它们作为剂量率的函数 向您进行了展示。 因此，这里的水平 轴是剂量率， 垂直轴是 相对破坏。 这可能是 β 下降，这可能 是基极 电流增加。 但这是相对度量。 我在这里显示的 是独立于剂量的 器件。 因此不存在较旧的灵敏度。 这基本上是您 预期的平坦线。 换句话说， 独立于剂量 状态，我获得相同的值。 这里的相对破坏就是一个。 这一个也具有平坦区。 但是，当您达到 更高的剂量率时， 您实际上开始逐渐减小。 您将注意到，在较高的 剂量率下，标准化的 破坏实际上会下降。 这再次成为一个 问题，因为我们 希望在很高的 剂量率下操作， 快速完成测试， 但我们将低估 较低剂量率 下的实际破坏。 然后，这最后两个 器件非常敏感。 实际上，作为 剂量的函数， 它在这里几乎是线性 关系，或对数线性。 因此，这是概念验证。 在右侧，我基本上 展示了这是一个 问题的原因。 在这里，我具有 LM 124 运算放大器的一条 通过实验获取的线。 在 10 弧度每秒， 我展示了输入 偏置电流 -- 再一次地， 当我们增加总剂量时， 它将随时间增加。 水平轴是总剂量。 因此，它将随 时间缓慢增加。 如果我们在这里停止 测试并说，好的，我们 确定了该器件的特征。 我们知道它将从 10 纳安变为 20 纳安。 这对于我们的设计案例而言 可能是可以接受的。 有些人会说，不，等一下，让我 对较旧的情况或极低的剂量率 也测试一下。 因此，我们对类似的 器件执行其他测试， 但现在为 0.01 弧度每秒， 而不是 10 弧度每秒。 因此，在更低的 剂量率下，我们 将看到基极电流 有很大的增加。 为了记住相关 内容，这针对 航天器应用 或卫星应用。 剂量随时间而改变。 正如我们在另一个 讲座中所说的，根据 轨道以及您可能要穿过 或不穿过哪些辐射带， 您基本上会随时间的 推移具有不同的剂量。 但关键点是， 与高剂量情况 相比，该航天器剂量 要更加接近于低剂量 情况。 因此，如果您仅希望 在高剂量情况下测试 双极性晶体管， 您将得到错误的 答案，并且您 会低估破坏。 因此，这会非常糟糕。 您的系统可能会失败。 因此这里的关键点是， 在双极晶体管中，对于 某些晶体管 类型或技术， 总剂量效应在低剂量 率时可能更糟糕。 实际上，您必须在低剂量 率情况下进行测试， 以查看您是否 具有剂量率灵敏度。 因此，我曾提到 这有点违反直觉。 对于问题是什么 以及它是怎么 导致的，业界仍 存在很多争论。 但是，与此相关的 持续存在的理论 之一是，它必须 处理您会创建 和输送空穴和 质子释放这样 一个事实。 空穴和质子具有 不同的移动性。 它们还会在界面 占据不同的陷阱状态。 因此该理论 处于低剂量率， 您具有一些 电子空穴对， 因此您具有一些 正电空穴捕获， 正如我提到过的， 您通过空穴在栅极 氧化层中的移动 获得质子释放。 现在，由于它仅是 小量的空穴捕获， 因此这里没有 足够来自空穴 捕获的正电势 来推开质子。 因此质子仍会成功到达 界面，正如我们说过的， 界面缺陷控制 重新结合时间， 这会导致双极 结型晶体管的 基极电流增加。 在底部图片中 所示的高剂量率 情况下，我们 生成了大量 立即被捕获的电子。 根据这些 作者的观点， 该理论是，您 得到基本上 会禁止质子的静电势。 因此质子 仍会通过 空穴跳跃 过程被释放， 但质子无法 到达界面。 因此，您基本上会阻止 处于高剂量状态的质子， 因此在测试过程中 由质子导致的破坏 并不明显。 这可能是双极中的 高剂量率测试通常 会掩盖低剂量率 效应的一个原因。 因为我们知道 这其中涉及到氢， 所以您可能 期待的一件事情是， 如果您能够在 没有氢或者有 极少量氢的情况下 执行半导体工艺， 与具有大量氢的 工艺相对比，您 应该会看到剂量 率灵敏度的差异。 事实上，您可以看到。 在本文中，我们用正方形 表示有氮化物，用圆圈 表示没有氮化物。 在本例中， 氮化物是氮化硅。 它通常通过富氢 工艺进行沉积。 因此，在您具有氮化物的 情况下 -- 在强调以下，是方框 -- 您的工艺中可能 嵌有具有大量的氢。 因此，如果该质子 释放机制是基极 电流升高的 关键，您会期望 在具有大量 氢的氮化物 工艺中具有更大的 总剂量效应。 毫无疑问，该数据 向您展示了在没有 氮化物的情况下， 它几乎独立于总计量。 输入偏置电流或 剂量导致的基极 电流没有大的变化。 再说一次，这里的水平 访问是电离辐射总剂量。 对于这里的其他 两个具有氮化物的 分量，您可以看到 非常大的作为剂量 函数的差异。 您可以看到较旧的 效应，或极低的剂量率 灵敏度。 因为灰色的正方形是 处于高剂量率的氮化物。 因此，它将再次低估 实际破坏或基极 电流的增加。 对于低剂量率， 我们可以看到 当存在氮化物时， 基极电流会增大很多。 因此，没有氮化物 意味着少得多的氢。 因此，我们期望 在没有氮化物的 工艺中，或实际上没有 大量氢的工艺中，它将 具有更低的 低剂量率灵敏度。 那么，概括而言， 电离辐射总剂量 对双极结型器件 有什么影响？ 被捕获的基本 带正电荷的 空穴和质子 产生的界面 缺陷会影响 表面载流子浓度。 这对潜在的 [听不清] 和载流子寿命具有 很大的影响， 正如我们看到的， 在本例中，由于它影响 重新结合率，直接联系到 获取一定的 集电极电流 所需的基极电流， 因此具有很大的 影响。 基本而言， 重新结合率的 增加意味着基极 电流的增加，这意味着 您的 β 值会下降。 因此，基极中电离辐射 总剂量引起的载流子 寿命缩短强制 外部电路针对 给定的集电极电流 提供更大的基极电流。 因此，双极器件的 β 值或 HFE 会作为 电离辐射总剂量的 函数随时间的推移 而降低。 需要意识到的 一点是，在表面 氧化层附近具有 更多基极区域的 双极结型晶体管将 对于总剂量更加敏感。 因此，这意味着 典型的侧向 BJT 要比垂直 BJT 敏感很多。 感谢您的关注。
大家好，我叫 Rob Baumann， 是高可靠性方面的首席 技术专家。 如果在观看本视频之后， 您想了解有关 TI 航天 产品的更多信息， 请访问 ti.com/space。 感谢您的观看。 在本次讲座中， 我们将讨论双极 结型晶体管上的 电离辐射总剂量 效应。 我们以前看过 该图，但我将为 你们中尚未观看过 早期视频的人介绍该图。 这是一个 MOS 器件 -- 金属氧化物半导体 器件的能带结构。 水平轴是 垂直轴， 器件的 真正物理轴。 左侧是 栅极， 中间是氧化层， 这是绝缘层， 最后，右侧 是硅基片。 垂直轴表示 能量，在本例中， 表示电子势能。 因此，当电子 在图中向上 移动时，它将获取 势能，当它向下 移动时，它将损失势能。 在电离辐射 总剂量机制中， 辐射效应是， 当栅极氧化层 接触辐射时，栅极 氧化层中吸收的任何 能量将产生电子空穴对。 因此，基本而言， 电子会吸收辐射能量。 因此它将获得能量， 它在该图中向上移动， 留下一个空穴。 现在，栅极 氧化层具有 一个使它们对于总剂量 而言有问题的特性，这就是， 载流子在栅极 氧化层中的移动性 或移动容易程度对于 电子和空穴而言是不同的。 实际上，电子具有 相当强的移动性， 可以在存在电场的 情况下轻松移动。 正如我们在这里 显示的，我们具有 正测量电压， 这会使电子 能量下降并吸引电子。 因此，传导带中 被吸收的辐射 激发的任何电子 将很快地向下移动， 穿过栅极氧化层， 并进入栅极， 然后再次 由正栅极 电压吸引。 相反，它们 留下的空穴 具有较弱的移动性， 它们将缓慢地跳过价带， 向界面移动。 它们再次被正 栅极电压排斥。 空穴带正电。 空穴跳跃输送的 另一个特性是， 由于它干扰局部 晶体结构，其中 -- 尤其是在栅极 氧化层中 -- 包含 质子或离子化氢， 当空穴在氢位置 附近经过时， 很多时候氢 会由于空穴的 存在而被释放。 因此，现在的情况是， 您具有按照跳跃机制 移动的空穴。 当它们跳跃时，它们实际上 会将氢离子或质子释放到 栅极氧化层中。 当然，由于在 该示例中我们 具有电场，因此 栅极上的正 电荷会将空穴 和带正电的质子 推向界面。 现在，空穴会被 捕获在界面附近 所谓的深能级 空穴捕获中心中， 之所以说是 深能级，是因为 它们位于带隙中间。 因此，它们处于 传导带边缘和 价带边缘之间的某个 位置，刚好在中间。 因此，存在很多能量 使它们到达那里， 使它们进入传导带 需要消耗很多能量。 因此任何在这里结束的 空穴几乎会停留在这里 或非常难以移动。 因此，这基本上是 靠近硅的空穴的 电荷捕获。 当然，该 靠近硅的 正电荷将 具有一些影响， 正如我们将看到的， 尤其是对于双极器件。 质子释放和输送的 另一个特性是，质子 实际上会在氧化层中 以不同的方式发生 相互作用。 它们基本上 会移向界面 -- 因此这里是 硅-二氧化硅 界面。 由于原子 结构中的差异， 您会在这里创建所谓的 缺陷状态或表面状态。 现在，它们通常由 质子进行修改， 这可以在 表面创建 正电、负电或 中性捕获中心。 这些将影响 载流子浓度 和载流子寿命， 我们将看到 这会对双极结型 晶体管产生很大的影响。 好的，那么我 在左侧展示了 侧向双极 器件的横截面。 我们在这里具有集电极 区、狭窄的基极区 -- 至少在该部分 它是狭窄的， 在这里它相当宽 -- 然后这里是发射极 基极耗尽区。 因此，发射极、基极和集电极。 现在，当我们收集 该正电荷并获得 界面状态时， 所发生的是， 我们可以在辐射之后 获得反型区，或者 我们仅得到 载流子捕获区。 因此载流子捕获效应、 重新结合率会增加， 即电子和空穴的 重新结合率。 这意味着，注入到 基极中的任何载流子、 这其中的一部分 基本上将在界面处 开始重新结合或消失。 那么，这意味着您 具有基极电流， 它与表面重新 结合率成正比。 缺陷的存在 会增加表面 结合率，这会 相应地增加 基极电流。 当然，这带来的 问题是，您的 集电极电流 不会有任何增加。 因此，外部电路必须 强制实现更大的基极 电流，从而泄漏 相同的集电极电流。 您的双极 晶体管的 HFE 或 β 值会有效地降低， 因为现在您必须产生 更大的基极电流或 注入更大的基极电流 以补偿由总剂量效应 引起的这些缺陷所导致的 表面重新结合效应。 在右侧，我们 可以看到，作为 总剂量的函数， 当我们增加电离 辐射总剂量时 -- 因此越来越多的 辐射 -- 基本而言， 该基极电流将增大。 这又是一个对数坐标。 因此，从总剂量 10k rad 到 100k rad，我们增加了大约 50 倍的基极电流。 因此，再一次地，如果 基极电流增加 50 倍， 这意味着您的 双极晶体管增益 将随着电离辐射 总剂量的增加而 极大地下降。 现在，需要意识到的 一点是，双极晶体管中的 总剂量效应很多 时候对于剂量率 很敏感。 换话句话说， 器件接触到的 辐射率 会改变 器件的 灵敏度。 这有点 违反直觉， 因为在较低的剂量率下， 您实际上会获得更强的 效应。 因此，我们将其称为 增强的低剂量率 灵敏度。 它之所以很糟糕， 是因为当我们 执行加速测试时， 我们希望使用 尽量高的 剂量率，以便 我们可以在很短的 时间内获得我们 所需的总剂量。 坏消息是，由于 较旧的灵敏度 -- 这对于双极结型 晶体管而言尤其 是个问题 -- 由于 较旧的灵敏度， 我们必须非常小心。 换句话说， 我们必须确定， 该双极技术是否 具有较旧的灵敏度？ 因为如果它是这样，那么我们 就无法使用高剂量率测试。 我们必须使用 极低的剂量率 测试，以验证最坏 情况下的器件漂移 是怎样的。 在左侧，我展示了 一组不同的 PNP 和 NPN 器件。 这些是微不足道的器件， 但它们作为剂量率的函数 向您进行了展示。 因此，这里的水平 轴是剂量率， 垂直轴是 相对破坏。 这可能是 β 下降，这可能 是基极 电流增加。 但这是相对度量。 我在这里显示的 是独立于剂量的 器件。 因此不存在较旧的灵敏度。 这基本上是您 预期的平坦线。 换句话说， 独立于剂量 状态，我获得相同的值。 这里的相对破坏就是一个。 这一个也具有平坦区。 但是，当您达到 更高的剂量率时， 您实际上开始逐渐减小。 您将注意到，在较高的 剂量率下，标准化的 破坏实际上会下降。 这再次成为一个 问题，因为我们 希望在很高的 剂量率下操作， 快速完成测试， 但我们将低估 较低剂量率 下的实际破坏。 然后，这最后两个 器件非常敏感。 实际上，作为 剂量的函数， 它在这里几乎是线性 关系，或对数线性。 因此，这是概念验证。 在右侧，我基本上 展示了这是一个 问题的原因。 在这里，我具有 LM 124 运算放大器的一条 通过实验获取的线。 在 10 弧度每秒， 我展示了输入 偏置电流 -- 再一次地， 当我们增加总剂量时， 它将随时间增加。 水平轴是总剂量。 因此，它将随 时间缓慢增加。 如果我们在这里停止 测试并说，好的，我们 确定了该器件的特征。 我们知道它将从 10 纳安变为 20 纳安。 这对于我们的设计案例而言 可能是可以接受的。 有些人会说，不，等一下，让我 对较旧的情况或极低的剂量率 也测试一下。 因此，我们对类似的 器件执行其他测试， 但现在为 0.01 弧度每秒， 而不是 10 弧度每秒。 因此，在更低的 剂量率下，我们 将看到基极电流 有很大的增加。 为了记住相关 内容，这针对 航天器应用 或卫星应用。 剂量随时间而改变。 正如我们在另一个 讲座中所说的，根据 轨道以及您可能要穿过 或不穿过哪些辐射带， 您基本上会随时间的 推移具有不同的剂量。 但关键点是， 与高剂量情况 相比，该航天器剂量 要更加接近于低剂量 情况。 因此，如果您仅希望 在高剂量情况下测试 双极性晶体管， 您将得到错误的 答案，并且您 会低估破坏。 因此，这会非常糟糕。 您的系统可能会失败。 因此这里的关键点是， 在双极晶体管中，对于 某些晶体管 类型或技术， 总剂量效应在低剂量 率时可能更糟糕。 实际上，您必须在低剂量 率情况下进行测试， 以查看您是否 具有剂量率灵敏度。 因此，我曾提到 这有点违反直觉。 对于问题是什么 以及它是怎么 导致的，业界仍 存在很多争论。 但是，与此相关的 持续存在的理论 之一是，它必须 处理您会创建 和输送空穴和 质子释放这样 一个事实。 空穴和质子具有 不同的移动性。 它们还会在界面 占据不同的陷阱状态。 因此该理论 处于低剂量率， 您具有一些 电子空穴对， 因此您具有一些 正电空穴捕获， 正如我提到过的， 您通过空穴在栅极 氧化层中的移动 获得质子释放。 现在，由于它仅是 小量的空穴捕获， 因此这里没有 足够来自空穴 捕获的正电势 来推开质子。 因此质子仍会成功到达 界面，正如我们说过的， 界面缺陷控制 重新结合时间， 这会导致双极 结型晶体管的 基极电流增加。 在底部图片中 所示的高剂量率 情况下，我们 生成了大量 立即被捕获的电子。 根据这些 作者的观点， 该理论是，您 得到基本上 会禁止质子的静电势。 因此质子 仍会通过 空穴跳跃 过程被释放， 但质子无法 到达界面。 因此，您基本上会阻止 处于高剂量状态的质子， 因此在测试过程中 由质子导致的破坏 并不明显。 这可能是双极中的 高剂量率测试通常 会掩盖低剂量率 效应的一个原因。 因为我们知道 这其中涉及到氢， 所以您可能 期待的一件事情是， 如果您能够在 没有氢或者有 极少量氢的情况下 执行半导体工艺， 与具有大量氢的 工艺相对比，您 应该会看到剂量 率灵敏度的差异。 事实上，您可以看到。 在本文中，我们用正方形 表示有氮化物，用圆圈 表示没有氮化物。 在本例中， 氮化物是氮化硅。 它通常通过富氢 工艺进行沉积。 因此，在您具有氮化物的 情况下 -- 在强调以下，是方框 -- 您的工艺中可能 嵌有具有大量的氢。 因此，如果该质子 释放机制是基极 电流升高的 关键，您会期望 在具有大量 氢的氮化物 工艺中具有更大的 总剂量效应。 毫无疑问，该数据 向您展示了在没有 氮化物的情况下， 它几乎独立于总计量。 输入偏置电流或 剂量导致的基极 电流没有大的变化。 再说一次，这里的水平 访问是电离辐射总剂量。 对于这里的其他 两个具有氮化物的 分量，您可以看到 非常大的作为剂量 函数的差异。 您可以看到较旧的 效应，或极低的剂量率 灵敏度。 因为灰色的正方形是 处于高剂量率的氮化物。 因此，它将再次低估 实际破坏或基极 电流的增加。 对于低剂量率， 我们可以看到 当存在氮化物时， 基极电流会增大很多。 因此，没有氮化物 意味着少得多的氢。 因此，我们期望 在没有氮化物的 工艺中，或实际上没有 大量氢的工艺中，它将 具有更低的 低剂量率灵敏度。 那么，概括而言， 电离辐射总剂量 对双极结型器件 有什么影响？ 被捕获的基本 带正电荷的 空穴和质子 产生的界面 缺陷会影响 表面载流子浓度。 这对潜在的 [听不清] 和载流子寿命具有 很大的影响， 正如我们看到的， 在本例中，由于它影响 重新结合率，直接联系到 获取一定的 集电极电流 所需的基极电流， 因此具有很大的 影响。 基本而言， 重新结合率的 增加意味着基极 电流的增加，这意味着 您的 β 值会下降。 因此，基极中电离辐射 总剂量引起的载流子 寿命缩短强制 外部电路针对 给定的集电极电流 提供更大的基极电流。 因此，双极器件的 β 值或 HFE 会作为 电离辐射总剂量的 函数随时间的推移 而降低。 需要意识到的 一点是，在表面 氧化层附近具有 更多基极区域的 双极结型晶体管将 对于总剂量更加敏感。 因此，这意味着 典型的侧向 BJT 要比垂直 BJT 敏感很多。 感谢您的关注。
大家好，我叫 Rob Baumann， 是高可靠性方面的首席
技术专家。
如果在观看本视频之后， 您想了解有关 TI 航天
产品的更多信息， 请访问 ti.com/space。
感谢您的观看。
在本次讲座中， 我们将讨论双极
结型晶体管上的 电离辐射总剂量
效应。
我们以前看过 该图，但我将为
你们中尚未观看过 早期视频的人介绍该图。
这是一个 MOS 器件 -- 金属氧化物半导体
器件的能带结构。
水平轴是 垂直轴，
器件的 真正物理轴。
左侧是 栅极，
中间是氧化层， 这是绝缘层，
最后，右侧 是硅基片。
垂直轴表示 能量，在本例中，
表示电子势能。
因此，当电子 在图中向上
移动时，它将获取 势能，当它向下
移动时，它将损失势能。
在电离辐射 总剂量机制中，
辐射效应是， 当栅极氧化层
接触辐射时，栅极 氧化层中吸收的任何
能量将产生电子空穴对。
因此，基本而言， 电子会吸收辐射能量。
因此它将获得能量， 它在该图中向上移动，
留下一个空穴。
现在，栅极 氧化层具有
一个使它们对于总剂量 而言有问题的特性，这就是，
载流子在栅极 氧化层中的移动性
或移动容易程度对于 电子和空穴而言是不同的。
实际上，电子具有 相当强的移动性，
可以在存在电场的 情况下轻松移动。
正如我们在这里 显示的，我们具有
正测量电压， 这会使电子
能量下降并吸引电子。
因此，传导带中 被吸收的辐射
激发的任何电子 将很快地向下移动，
穿过栅极氧化层， 并进入栅极，
然后再次 由正栅极
电压吸引。
相反，它们 留下的空穴
具有较弱的移动性， 它们将缓慢地跳过价带，
向界面移动。
它们再次被正 栅极电压排斥。
空穴带正电。
空穴跳跃输送的 另一个特性是，
由于它干扰局部 晶体结构，其中 --
尤其是在栅极 氧化层中 -- 包含
质子或离子化氢， 当空穴在氢位置
附近经过时， 很多时候氢
会由于空穴的 存在而被释放。
因此，现在的情况是， 您具有按照跳跃机制
移动的空穴。
当它们跳跃时，它们实际上 会将氢离子或质子释放到
栅极氧化层中。
当然，由于在 该示例中我们
具有电场，因此 栅极上的正
电荷会将空穴 和带正电的质子
推向界面。
现在，空穴会被 捕获在界面附近
所谓的深能级 空穴捕获中心中，
之所以说是 深能级，是因为
它们位于带隙中间。
因此，它们处于 传导带边缘和
价带边缘之间的某个 位置，刚好在中间。
因此，存在很多能量 使它们到达那里，
使它们进入传导带 需要消耗很多能量。
因此任何在这里结束的 空穴几乎会停留在这里
或非常难以移动。
因此，这基本上是 靠近硅的空穴的
电荷捕获。
当然，该 靠近硅的
正电荷将 具有一些影响，
正如我们将看到的， 尤其是对于双极器件。
质子释放和输送的 另一个特性是，质子
实际上会在氧化层中 以不同的方式发生
相互作用。
它们基本上 会移向界面 --
因此这里是 硅-二氧化硅
界面。
由于原子 结构中的差异，
您会在这里创建所谓的 缺陷状态或表面状态。
现在，它们通常由 质子进行修改，
这可以在 表面创建
正电、负电或 中性捕获中心。
这些将影响 载流子浓度
和载流子寿命， 我们将看到
这会对双极结型 晶体管产生很大的影响。
好的，那么我 在左侧展示了
侧向双极 器件的横截面。
我们在这里具有集电极 区、狭窄的基极区 --
至少在该部分 它是狭窄的，
在这里它相当宽 -- 然后这里是发射极
基极耗尽区。
因此，发射极、基极和集电极。
现在，当我们收集 该正电荷并获得
界面状态时， 所发生的是，
我们可以在辐射之后 获得反型区，或者
我们仅得到 载流子捕获区。
因此载流子捕获效应、 重新结合率会增加，
即电子和空穴的 重新结合率。
这意味着，注入到 基极中的任何载流子、
这其中的一部分 基本上将在界面处
开始重新结合或消失。
那么，这意味着您 具有基极电流，
它与表面重新 结合率成正比。
缺陷的存在 会增加表面
结合率，这会 相应地增加
基极电流。
当然，这带来的 问题是，您的
集电极电流 不会有任何增加。
因此，外部电路必须 强制实现更大的基极
电流，从而泄漏 相同的集电极电流。
您的双极 晶体管的 HFE
或 β 值会有效地降低， 因为现在您必须产生
更大的基极电流或 注入更大的基极电流
以补偿由总剂量效应 引起的这些缺陷所导致的
表面重新结合效应。
在右侧，我们 可以看到，作为
总剂量的函数， 当我们增加电离
辐射总剂量时 -- 因此越来越多的
辐射 -- 基本而言， 该基极电流将增大。
这又是一个对数坐标。
因此，从总剂量 10k rad 到 100k rad，我们增加了大约
50 倍的基极电流。
因此，再一次地，如果 基极电流增加 50 倍，
这意味着您的 双极晶体管增益
将随着电离辐射 总剂量的增加而
极大地下降。
现在，需要意识到的 一点是，双极晶体管中的
总剂量效应很多 时候对于剂量率
很敏感。
换话句话说， 器件接触到的
辐射率 会改变
器件的 灵敏度。
这有点 违反直觉，
因为在较低的剂量率下， 您实际上会获得更强的
效应。
因此，我们将其称为 增强的低剂量率
灵敏度。
它之所以很糟糕， 是因为当我们
执行加速测试时， 我们希望使用
尽量高的 剂量率，以便
我们可以在很短的 时间内获得我们
所需的总剂量。
坏消息是，由于 较旧的灵敏度 --
这对于双极结型 晶体管而言尤其
是个问题 -- 由于 较旧的灵敏度，
我们必须非常小心。
换句话说， 我们必须确定，
该双极技术是否 具有较旧的灵敏度？
因为如果它是这样，那么我们 就无法使用高剂量率测试。
我们必须使用 极低的剂量率
测试，以验证最坏 情况下的器件漂移
是怎样的。
在左侧，我展示了 一组不同的 PNP 和 NPN
器件。
这些是微不足道的器件， 但它们作为剂量率的函数
向您进行了展示。
因此，这里的水平 轴是剂量率，
垂直轴是 相对破坏。
这可能是 β 下降，这可能
是基极 电流增加。
但这是相对度量。
我在这里显示的 是独立于剂量的
器件。
因此不存在较旧的灵敏度。
这基本上是您 预期的平坦线。
换句话说， 独立于剂量
状态，我获得相同的值。
这里的相对破坏就是一个。
这一个也具有平坦区。
但是，当您达到 更高的剂量率时，
您实际上开始逐渐减小。
您将注意到，在较高的 剂量率下，标准化的
破坏实际上会下降。
这再次成为一个 问题，因为我们
希望在很高的 剂量率下操作，
快速完成测试， 但我们将低估
较低剂量率 下的实际破坏。
然后，这最后两个 器件非常敏感。
实际上，作为 剂量的函数，
它在这里几乎是线性 关系，或对数线性。
因此，这是概念验证。
在右侧，我基本上 展示了这是一个
问题的原因。
在这里，我具有 LM 124 运算放大器的一条
通过实验获取的线。
在 10 弧度每秒， 我展示了输入
偏置电流 -- 再一次地， 当我们增加总剂量时，
它将随时间增加。
水平轴是总剂量。
因此，它将随 时间缓慢增加。
如果我们在这里停止 测试并说，好的，我们
确定了该器件的特征。
我们知道它将从 10 纳安变为 20 纳安。
这对于我们的设计案例而言 可能是可以接受的。
有些人会说，不，等一下，让我 对较旧的情况或极低的剂量率
也测试一下。
因此，我们对类似的 器件执行其他测试，
但现在为 0.01 弧度每秒， 而不是 10 弧度每秒。
因此，在更低的 剂量率下，我们
将看到基极电流 有很大的增加。
为了记住相关 内容，这针对
航天器应用 或卫星应用。
剂量随时间而改变。
正如我们在另一个 讲座中所说的，根据
轨道以及您可能要穿过 或不穿过哪些辐射带，
您基本上会随时间的 推移具有不同的剂量。
但关键点是， 与高剂量情况
相比，该航天器剂量 要更加接近于低剂量
情况。
因此，如果您仅希望 在高剂量情况下测试
双极性晶体管， 您将得到错误的
答案，并且您 会低估破坏。
因此，这会非常糟糕。
您的系统可能会失败。
因此这里的关键点是， 在双极晶体管中，对于
某些晶体管 类型或技术，
总剂量效应在低剂量 率时可能更糟糕。
实际上，您必须在低剂量 率情况下进行测试，
以查看您是否 具有剂量率灵敏度。
因此，我曾提到 这有点违反直觉。
对于问题是什么 以及它是怎么
导致的，业界仍 存在很多争论。
但是，与此相关的 持续存在的理论
之一是，它必须 处理您会创建
和输送空穴和 质子释放这样
一个事实。
空穴和质子具有 不同的移动性。
它们还会在界面 占据不同的陷阱状态。
因此该理论 处于低剂量率，
您具有一些 电子空穴对，
因此您具有一些 正电空穴捕获，
正如我提到过的， 您通过空穴在栅极
氧化层中的移动 获得质子释放。
现在，由于它仅是 小量的空穴捕获，
因此这里没有 足够来自空穴
捕获的正电势 来推开质子。
因此质子仍会成功到达 界面，正如我们说过的，
界面缺陷控制 重新结合时间，
这会导致双极 结型晶体管的
基极电流增加。
在底部图片中 所示的高剂量率
情况下，我们 生成了大量
立即被捕获的电子。
根据这些 作者的观点，
该理论是，您 得到基本上
会禁止质子的静电势。
因此质子 仍会通过
空穴跳跃 过程被释放，
但质子无法 到达界面。
因此，您基本上会阻止 处于高剂量状态的质子，
因此在测试过程中 由质子导致的破坏
并不明显。
这可能是双极中的 高剂量率测试通常
会掩盖低剂量率 效应的一个原因。
因为我们知道 这其中涉及到氢，
所以您可能 期待的一件事情是，
如果您能够在 没有氢或者有
极少量氢的情况下 执行半导体工艺，
与具有大量氢的 工艺相对比，您
应该会看到剂量 率灵敏度的差异。
事实上，您可以看到。
在本文中，我们用正方形 表示有氮化物，用圆圈
表示没有氮化物。
在本例中， 氮化物是氮化硅。
它通常通过富氢 工艺进行沉积。
因此，在您具有氮化物的 情况下 -- 在强调以下，是方框 --
您的工艺中可能 嵌有具有大量的氢。
因此，如果该质子 释放机制是基极
电流升高的 关键，您会期望
在具有大量 氢的氮化物
工艺中具有更大的 总剂量效应。
毫无疑问，该数据 向您展示了在没有
氮化物的情况下， 它几乎独立于总计量。
输入偏置电流或 剂量导致的基极
电流没有大的变化。
再说一次，这里的水平 访问是电离辐射总剂量。
对于这里的其他 两个具有氮化物的
分量，您可以看到 非常大的作为剂量
函数的差异。
您可以看到较旧的 效应，或极低的剂量率
灵敏度。
因为灰色的正方形是 处于高剂量率的氮化物。
因此，它将再次低估 实际破坏或基极
电流的增加。
对于低剂量率， 我们可以看到
当存在氮化物时， 基极电流会增大很多。
因此，没有氮化物 意味着少得多的氢。
因此，我们期望 在没有氮化物的
工艺中，或实际上没有 大量氢的工艺中，它将
具有更低的 低剂量率灵敏度。
那么，概括而言， 电离辐射总剂量
对双极结型器件 有什么影响？
被捕获的基本 带正电荷的
空穴和质子 产生的界面
缺陷会影响 表面载流子浓度。
这对潜在的 [听不清] 和载流子寿命具有
很大的影响， 正如我们看到的，
在本例中，由于它影响 重新结合率，直接联系到
获取一定的 集电极电流
所需的基极电流， 因此具有很大的
影响。
基本而言， 重新结合率的
增加意味着基极 电流的增加，这意味着
您的 β 值会下降。
因此，基极中电离辐射 总剂量引起的载流子
寿命缩短强制 外部电路针对
给定的集电极电流 提供更大的基极电流。
因此，双极器件的 β 值或 HFE 会作为
电离辐射总剂量的 函数随时间的推移
而降低。
需要意识到的 一点是，在表面
氧化层附近具有 更多基极区域的
双极结型晶体管将 对于总剂量更加敏感。
因此，这意味着 典型的侧向 BJT
要比垂直 BJT 敏感很多。
感谢您的关注。
大家好，我叫 Rob Baumann， 是高可靠性方面的首席 技术专家。 如果在观看本视频之后， 您想了解有关 TI 航天 产品的更多信息， 请访问 ti.com/space。 感谢您的观看。 在本次讲座中， 我们将讨论双极 结型晶体管上的 电离辐射总剂量 效应。 我们以前看过 该图，但我将为 你们中尚未观看过 早期视频的人介绍该图。 这是一个 MOS 器件 -- 金属氧化物半导体 器件的能带结构。 水平轴是 垂直轴， 器件的 真正物理轴。 左侧是 栅极， 中间是氧化层， 这是绝缘层， 最后，右侧 是硅基片。 垂直轴表示 能量，在本例中， 表示电子势能。 因此，当电子 在图中向上 移动时，它将获取 势能，当它向下 移动时，它将损失势能。 在电离辐射 总剂量机制中， 辐射效应是， 当栅极氧化层 接触辐射时，栅极 氧化层中吸收的任何 能量将产生电子空穴对。 因此，基本而言， 电子会吸收辐射能量。 因此它将获得能量， 它在该图中向上移动， 留下一个空穴。 现在，栅极 氧化层具有 一个使它们对于总剂量 而言有问题的特性，这就是， 载流子在栅极 氧化层中的移动性 或移动容易程度对于 电子和空穴而言是不同的。 实际上，电子具有 相当强的移动性， 可以在存在电场的 情况下轻松移动。 正如我们在这里 显示的，我们具有 正测量电压， 这会使电子 能量下降并吸引电子。 因此，传导带中 被吸收的辐射 激发的任何电子 将很快地向下移动， 穿过栅极氧化层， 并进入栅极， 然后再次 由正栅极 电压吸引。 相反，它们 留下的空穴 具有较弱的移动性， 它们将缓慢地跳过价带， 向界面移动。 它们再次被正 栅极电压排斥。 空穴带正电。 空穴跳跃输送的 另一个特性是， 由于它干扰局部 晶体结构，其中 -- 尤其是在栅极 氧化层中 -- 包含 质子或离子化氢， 当空穴在氢位置 附近经过时， 很多时候氢 会由于空穴的 存在而被释放。 因此，现在的情况是， 您具有按照跳跃机制 移动的空穴。 当它们跳跃时，它们实际上 会将氢离子或质子释放到 栅极氧化层中。 当然，由于在 该示例中我们 具有电场，因此 栅极上的正 电荷会将空穴 和带正电的质子 推向界面。 现在，空穴会被 捕获在界面附近 所谓的深能级 空穴捕获中心中， 之所以说是 深能级，是因为 它们位于带隙中间。 因此，它们处于 传导带边缘和 价带边缘之间的某个 位置，刚好在中间。 因此，存在很多能量 使它们到达那里， 使它们进入传导带 需要消耗很多能量。 因此任何在这里结束的 空穴几乎会停留在这里 或非常难以移动。 因此，这基本上是 靠近硅的空穴的 电荷捕获。 当然，该 靠近硅的 正电荷将 具有一些影响， 正如我们将看到的， 尤其是对于双极器件。 质子释放和输送的 另一个特性是，质子 实际上会在氧化层中 以不同的方式发生 相互作用。 它们基本上 会移向界面 -- 因此这里是 硅-二氧化硅 界面。 由于原子 结构中的差异， 您会在这里创建所谓的 缺陷状态或表面状态。 现在，它们通常由 质子进行修改， 这可以在 表面创建 正电、负电或 中性捕获中心。 这些将影响 载流子浓度 和载流子寿命， 我们将看到 这会对双极结型 晶体管产生很大的影响。 好的，那么我 在左侧展示了 侧向双极 器件的横截面。 我们在这里具有集电极 区、狭窄的基极区 -- 至少在该部分 它是狭窄的， 在这里它相当宽 -- 然后这里是发射极 基极耗尽区。 因此，发射极、基极和集电极。 现在，当我们收集 该正电荷并获得 界面状态时， 所发生的是， 我们可以在辐射之后 获得反型区，或者 我们仅得到 载流子捕获区。 因此载流子捕获效应、 重新结合率会增加， 即电子和空穴的 重新结合率。 这意味着，注入到 基极中的任何载流子、 这其中的一部分 基本上将在界面处 开始重新结合或消失。 那么，这意味着您 具有基极电流， 它与表面重新 结合率成正比。 缺陷的存在 会增加表面 结合率，这会 相应地增加 基极电流。 当然，这带来的 问题是，您的 集电极电流 不会有任何增加。 因此，外部电路必须 强制实现更大的基极 电流，从而泄漏 相同的集电极电流。 您的双极 晶体管的 HFE 或 β 值会有效地降低， 因为现在您必须产生 更大的基极电流或 注入更大的基极电流 以补偿由总剂量效应 引起的这些缺陷所导致的 表面重新结合效应。 在右侧，我们 可以看到，作为 总剂量的函数， 当我们增加电离 辐射总剂量时 -- 因此越来越多的 辐射 -- 基本而言， 该基极电流将增大。 这又是一个对数坐标。 因此，从总剂量 10k rad 到 100k rad，我们增加了大约 50 倍的基极电流。 因此，再一次地，如果 基极电流增加 50 倍， 这意味着您的 双极晶体管增益 将随着电离辐射 总剂量的增加而 极大地下降。 现在，需要意识到的 一点是，双极晶体管中的 总剂量效应很多 时候对于剂量率 很敏感。 换话句话说， 器件接触到的 辐射率 会改变 器件的 灵敏度。 这有点 违反直觉， 因为在较低的剂量率下， 您实际上会获得更强的 效应。 因此，我们将其称为 增强的低剂量率 灵敏度。 它之所以很糟糕， 是因为当我们 执行加速测试时， 我们希望使用 尽量高的 剂量率，以便 我们可以在很短的 时间内获得我们 所需的总剂量。 坏消息是，由于 较旧的灵敏度 -- 这对于双极结型 晶体管而言尤其 是个问题 -- 由于 较旧的灵敏度， 我们必须非常小心。 换句话说， 我们必须确定， 该双极技术是否 具有较旧的灵敏度？ 因为如果它是这样，那么我们 就无法使用高剂量率测试。 我们必须使用 极低的剂量率 测试，以验证最坏 情况下的器件漂移 是怎样的。 在左侧，我展示了 一组不同的 PNP 和 NPN 器件。 这些是微不足道的器件， 但它们作为剂量率的函数 向您进行了展示。 因此，这里的水平 轴是剂量率， 垂直轴是 相对破坏。 这可能是 β 下降，这可能 是基极 电流增加。 但这是相对度量。 我在这里显示的 是独立于剂量的 器件。 因此不存在较旧的灵敏度。 这基本上是您 预期的平坦线。 换句话说， 独立于剂量 状态，我获得相同的值。 这里的相对破坏就是一个。 这一个也具有平坦区。 但是，当您达到 更高的剂量率时， 您实际上开始逐渐减小。 您将注意到，在较高的 剂量率下，标准化的 破坏实际上会下降。 这再次成为一个 问题，因为我们 希望在很高的 剂量率下操作， 快速完成测试， 但我们将低估 较低剂量率 下的实际破坏。 然后，这最后两个 器件非常敏感。 实际上，作为 剂量的函数， 它在这里几乎是线性 关系，或对数线性。 因此，这是概念验证。 在右侧，我基本上 展示了这是一个 问题的原因。 在这里，我具有 LM 124 运算放大器的一条 通过实验获取的线。 在 10 弧度每秒， 我展示了输入 偏置电流 -- 再一次地， 当我们增加总剂量时， 它将随时间增加。 水平轴是总剂量。 因此，它将随 时间缓慢增加。 如果我们在这里停止 测试并说，好的，我们 确定了该器件的特征。 我们知道它将从 10 纳安变为 20 纳安。 这对于我们的设计案例而言 可能是可以接受的。 有些人会说，不，等一下，让我 对较旧的情况或极低的剂量率 也测试一下。 因此，我们对类似的 器件执行其他测试， 但现在为 0.01 弧度每秒， 而不是 10 弧度每秒。 因此，在更低的 剂量率下，我们 将看到基极电流 有很大的增加。 为了记住相关 内容，这针对 航天器应用 或卫星应用。 剂量随时间而改变。 正如我们在另一个 讲座中所说的，根据 轨道以及您可能要穿过 或不穿过哪些辐射带， 您基本上会随时间的 推移具有不同的剂量。 但关键点是， 与高剂量情况 相比，该航天器剂量 要更加接近于低剂量 情况。 因此，如果您仅希望 在高剂量情况下测试 双极性晶体管， 您将得到错误的 答案，并且您 会低估破坏。 因此，这会非常糟糕。 您的系统可能会失败。 因此这里的关键点是， 在双极晶体管中，对于 某些晶体管 类型或技术， 总剂量效应在低剂量 率时可能更糟糕。 实际上，您必须在低剂量 率情况下进行测试， 以查看您是否 具有剂量率灵敏度。 因此，我曾提到 这有点违反直觉。 对于问题是什么 以及它是怎么 导致的，业界仍 存在很多争论。 但是，与此相关的 持续存在的理论 之一是，它必须 处理您会创建 和输送空穴和 质子释放这样 一个事实。 空穴和质子具有 不同的移动性。 它们还会在界面 占据不同的陷阱状态。 因此该理论 处于低剂量率， 您具有一些 电子空穴对， 因此您具有一些 正电空穴捕获， 正如我提到过的， 您通过空穴在栅极 氧化层中的移动 获得质子释放。 现在，由于它仅是 小量的空穴捕获， 因此这里没有 足够来自空穴 捕获的正电势 来推开质子。 因此质子仍会成功到达 界面，正如我们说过的， 界面缺陷控制 重新结合时间， 这会导致双极 结型晶体管的 基极电流增加。 在底部图片中 所示的高剂量率 情况下，我们 生成了大量 立即被捕获的电子。 根据这些 作者的观点， 该理论是，您 得到基本上 会禁止质子的静电势。 因此质子 仍会通过 空穴跳跃 过程被释放， 但质子无法 到达界面。 因此，您基本上会阻止 处于高剂量状态的质子， 因此在测试过程中 由质子导致的破坏 并不明显。 这可能是双极中的 高剂量率测试通常 会掩盖低剂量率 效应的一个原因。 因为我们知道 这其中涉及到氢， 所以您可能 期待的一件事情是， 如果您能够在 没有氢或者有 极少量氢的情况下 执行半导体工艺， 与具有大量氢的 工艺相对比，您 应该会看到剂量 率灵敏度的差异。 事实上，您可以看到。 在本文中，我们用正方形 表示有氮化物，用圆圈 表示没有氮化物。 在本例中， 氮化物是氮化硅。 它通常通过富氢 工艺进行沉积。 因此，在您具有氮化物的 情况下 -- 在强调以下，是方框 -- 您的工艺中可能 嵌有具有大量的氢。 因此，如果该质子 释放机制是基极 电流升高的 关键，您会期望 在具有大量 氢的氮化物 工艺中具有更大的 总剂量效应。 毫无疑问，该数据 向您展示了在没有 氮化物的情况下， 它几乎独立于总计量。 输入偏置电流或 剂量导致的基极 电流没有大的变化。 再说一次，这里的水平 访问是电离辐射总剂量。 对于这里的其他 两个具有氮化物的 分量，您可以看到 非常大的作为剂量 函数的差异。 您可以看到较旧的 效应，或极低的剂量率 灵敏度。 因为灰色的正方形是 处于高剂量率的氮化物。 因此，它将再次低估 实际破坏或基极 电流的增加。 对于低剂量率， 我们可以看到 当存在氮化物时， 基极电流会增大很多。 因此，没有氮化物 意味着少得多的氢。 因此，我们期望 在没有氮化物的 工艺中，或实际上没有 大量氢的工艺中，它将 具有更低的 低剂量率灵敏度。 那么，概括而言， 电离辐射总剂量 对双极结型器件 有什么影响？ 被捕获的基本 带正电荷的 空穴和质子 产生的界面 缺陷会影响 表面载流子浓度。 这对潜在的 [听不清] 和载流子寿命具有 很大的影响， 正如我们看到的， 在本例中，由于它影响 重新结合率，直接联系到 获取一定的 集电极电流 所需的基极电流， 因此具有很大的 影响。 基本而言， 重新结合率的 增加意味着基极 电流的增加，这意味着 您的 β 值会下降。 因此，基极中电离辐射 总剂量引起的载流子 寿命缩短强制 外部电路针对 给定的集电极电流 提供更大的基极电流。 因此，双极器件的 β 值或 HFE 会作为 电离辐射总剂量的 函数随时间的推移 而降低。 需要意识到的 一点是，在表面 氧化层附近具有 更多基极区域的 双极结型晶体管将 对于总剂量更加敏感。 因此，这意味着 典型的侧向 BJT 要比垂直 BJT 敏感很多。 感谢您的关注。
大家好，我叫 Rob Baumann， 是高可靠性方面的首席
技术专家。
如果在观看本视频之后， 您想了解有关 TI 航天
产品的更多信息， 请访问 ti.com/space。
感谢您的观看。
在本次讲座中， 我们将讨论双极
结型晶体管上的 电离辐射总剂量
效应。
我们以前看过 该图，但我将为
你们中尚未观看过 早期视频的人介绍该图。
这是一个 MOS 器件 -- 金属氧化物半导体
器件的能带结构。
水平轴是 垂直轴，
器件的 真正物理轴。
左侧是 栅极，
中间是氧化层， 这是绝缘层，
最后，右侧 是硅基片。
垂直轴表示 能量，在本例中，
表示电子势能。
因此，当电子 在图中向上
移动时，它将获取 势能，当它向下
移动时，它将损失势能。
在电离辐射 总剂量机制中，
辐射效应是， 当栅极氧化层
接触辐射时，栅极 氧化层中吸收的任何
能量将产生电子空穴对。
因此，基本而言， 电子会吸收辐射能量。
因此它将获得能量， 它在该图中向上移动，
留下一个空穴。
现在，栅极 氧化层具有
一个使它们对于总剂量 而言有问题的特性，这就是，
载流子在栅极 氧化层中的移动性
或移动容易程度对于 电子和空穴而言是不同的。
实际上，电子具有 相当强的移动性，
可以在存在电场的 情况下轻松移动。
正如我们在这里 显示的，我们具有
正测量电压， 这会使电子
能量下降并吸引电子。
因此，传导带中 被吸收的辐射
激发的任何电子 将很快地向下移动，
穿过栅极氧化层， 并进入栅极，
然后再次 由正栅极
电压吸引。
相反，它们 留下的空穴
具有较弱的移动性， 它们将缓慢地跳过价带，
向界面移动。
它们再次被正 栅极电压排斥。
空穴带正电。
空穴跳跃输送的 另一个特性是，
由于它干扰局部 晶体结构，其中 --
尤其是在栅极 氧化层中 -- 包含
质子或离子化氢， 当空穴在氢位置
附近经过时， 很多时候氢
会由于空穴的 存在而被释放。
因此，现在的情况是， 您具有按照跳跃机制
移动的空穴。
当它们跳跃时，它们实际上 会将氢离子或质子释放到
栅极氧化层中。
当然，由于在 该示例中我们
具有电场，因此 栅极上的正
电荷会将空穴 和带正电的质子
推向界面。
现在，空穴会被 捕获在界面附近
所谓的深能级 空穴捕获中心中，
之所以说是 深能级，是因为
它们位于带隙中间。
因此，它们处于 传导带边缘和
价带边缘之间的某个 位置，刚好在中间。
因此，存在很多能量 使它们到达那里，
使它们进入传导带 需要消耗很多能量。
因此任何在这里结束的 空穴几乎会停留在这里
或非常难以移动。
因此，这基本上是 靠近硅的空穴的
电荷捕获。
当然，该 靠近硅的
正电荷将 具有一些影响，
正如我们将看到的， 尤其是对于双极器件。
质子释放和输送的 另一个特性是，质子
实际上会在氧化层中 以不同的方式发生
相互作用。
它们基本上 会移向界面 --
因此这里是 硅-二氧化硅
界面。
由于原子 结构中的差异，
您会在这里创建所谓的 缺陷状态或表面状态。
现在，它们通常由 质子进行修改，
这可以在 表面创建
正电、负电或 中性捕获中心。
这些将影响 载流子浓度
和载流子寿命， 我们将看到
这会对双极结型 晶体管产生很大的影响。
好的，那么我 在左侧展示了
侧向双极 器件的横截面。
我们在这里具有集电极 区、狭窄的基极区 --
至少在该部分 它是狭窄的，
在这里它相当宽 -- 然后这里是发射极
基极耗尽区。
因此，发射极、基极和集电极。
现在，当我们收集 该正电荷并获得
界面状态时， 所发生的是，
我们可以在辐射之后 获得反型区，或者
我们仅得到 载流子捕获区。
因此载流子捕获效应、 重新结合率会增加，
即电子和空穴的 重新结合率。
这意味着，注入到 基极中的任何载流子、
这其中的一部分 基本上将在界面处
开始重新结合或消失。
那么，这意味着您 具有基极电流，
它与表面重新 结合率成正比。
缺陷的存在 会增加表面
结合率，这会 相应地增加
基极电流。
当然，这带来的 问题是，您的
集电极电流 不会有任何增加。
因此，外部电路必须 强制实现更大的基极
电流，从而泄漏 相同的集电极电流。
您的双极 晶体管的 HFE
或 β 值会有效地降低， 因为现在您必须产生
更大的基极电流或 注入更大的基极电流
以补偿由总剂量效应 引起的这些缺陷所导致的
表面重新结合效应。
在右侧，我们 可以看到，作为
总剂量的函数， 当我们增加电离
辐射总剂量时 -- 因此越来越多的
辐射 -- 基本而言， 该基极电流将增大。
这又是一个对数坐标。
因此，从总剂量 10k rad 到 100k rad，我们增加了大约
50 倍的基极电流。
因此，再一次地，如果 基极电流增加 50 倍，
这意味着您的 双极晶体管增益
将随着电离辐射 总剂量的增加而
极大地下降。
现在，需要意识到的 一点是，双极晶体管中的
总剂量效应很多 时候对于剂量率
很敏感。
换话句话说， 器件接触到的
辐射率 会改变
器件的 灵敏度。
这有点 违反直觉，
因为在较低的剂量率下， 您实际上会获得更强的
效应。
因此，我们将其称为 增强的低剂量率
灵敏度。
它之所以很糟糕， 是因为当我们
执行加速测试时， 我们希望使用
尽量高的 剂量率，以便
我们可以在很短的 时间内获得我们
所需的总剂量。
坏消息是，由于 较旧的灵敏度 --
这对于双极结型 晶体管而言尤其
是个问题 -- 由于 较旧的灵敏度，
我们必须非常小心。
换句话说， 我们必须确定，
该双极技术是否 具有较旧的灵敏度？
因为如果它是这样，那么我们 就无法使用高剂量率测试。
我们必须使用 极低的剂量率
测试，以验证最坏 情况下的器件漂移
是怎样的。
在左侧，我展示了 一组不同的 PNP 和 NPN
器件。
这些是微不足道的器件， 但它们作为剂量率的函数
向您进行了展示。
因此，这里的水平 轴是剂量率，
垂直轴是 相对破坏。
这可能是 β 下降，这可能
是基极 电流增加。
但这是相对度量。
我在这里显示的 是独立于剂量的
器件。
因此不存在较旧的灵敏度。
这基本上是您 预期的平坦线。
换句话说， 独立于剂量
状态，我获得相同的值。
这里的相对破坏就是一个。
这一个也具有平坦区。
但是，当您达到 更高的剂量率时，
您实际上开始逐渐减小。
您将注意到，在较高的 剂量率下，标准化的
破坏实际上会下降。
这再次成为一个 问题，因为我们
希望在很高的 剂量率下操作，
快速完成测试， 但我们将低估
较低剂量率 下的实际破坏。
然后，这最后两个 器件非常敏感。
实际上，作为 剂量的函数，
它在这里几乎是线性 关系，或对数线性。
因此，这是概念验证。
在右侧，我基本上 展示了这是一个
问题的原因。
在这里，我具有 LM 124 运算放大器的一条
通过实验获取的线。
在 10 弧度每秒， 我展示了输入
偏置电流 -- 再一次地， 当我们增加总剂量时，
它将随时间增加。
水平轴是总剂量。
因此，它将随 时间缓慢增加。
如果我们在这里停止 测试并说，好的，我们
确定了该器件的特征。
我们知道它将从 10 纳安变为 20 纳安。
这对于我们的设计案例而言 可能是可以接受的。
有些人会说，不，等一下，让我 对较旧的情况或极低的剂量率
也测试一下。
因此，我们对类似的 器件执行其他测试，
但现在为 0.01 弧度每秒， 而不是 10 弧度每秒。
因此，在更低的 剂量率下，我们
将看到基极电流 有很大的增加。
为了记住相关 内容，这针对
航天器应用 或卫星应用。
剂量随时间而改变。
正如我们在另一个 讲座中所说的，根据
轨道以及您可能要穿过 或不穿过哪些辐射带，
您基本上会随时间的 推移具有不同的剂量。
但关键点是， 与高剂量情况
相比，该航天器剂量 要更加接近于低剂量
情况。
因此，如果您仅希望 在高剂量情况下测试
双极性晶体管， 您将得到错误的
答案，并且您 会低估破坏。
因此，这会非常糟糕。
您的系统可能会失败。
因此这里的关键点是， 在双极晶体管中，对于
某些晶体管 类型或技术，
总剂量效应在低剂量 率时可能更糟糕。
实际上，您必须在低剂量 率情况下进行测试，
以查看您是否 具有剂量率灵敏度。
因此，我曾提到 这有点违反直觉。
对于问题是什么 以及它是怎么
导致的，业界仍 存在很多争论。
但是，与此相关的 持续存在的理论
之一是，它必须 处理您会创建
和输送空穴和 质子释放这样
一个事实。
空穴和质子具有 不同的移动性。
它们还会在界面 占据不同的陷阱状态。
因此该理论 处于低剂量率，
您具有一些 电子空穴对，
因此您具有一些 正电空穴捕获，
正如我提到过的， 您通过空穴在栅极
氧化层中的移动 获得质子释放。
现在，由于它仅是 小量的空穴捕获，
因此这里没有 足够来自空穴
捕获的正电势 来推开质子。
因此质子仍会成功到达 界面，正如我们说过的，
界面缺陷控制 重新结合时间，
这会导致双极 结型晶体管的
基极电流增加。
在底部图片中 所示的高剂量率
情况下，我们 生成了大量
立即被捕获的电子。
根据这些 作者的观点，
该理论是，您 得到基本上
会禁止质子的静电势。
因此质子 仍会通过
空穴跳跃 过程被释放，
但质子无法 到达界面。
因此，您基本上会阻止 处于高剂量状态的质子，
因此在测试过程中 由质子导致的破坏
并不明显。
这可能是双极中的 高剂量率测试通常
会掩盖低剂量率 效应的一个原因。
因为我们知道 这其中涉及到氢，
所以您可能 期待的一件事情是，
如果您能够在 没有氢或者有
极少量氢的情况下 执行半导体工艺，
与具有大量氢的 工艺相对比，您
应该会看到剂量 率灵敏度的差异。
事实上，您可以看到。
在本文中，我们用正方形 表示有氮化物，用圆圈
表示没有氮化物。
在本例中， 氮化物是氮化硅。
它通常通过富氢 工艺进行沉积。
因此，在您具有氮化物的 情况下 -- 在强调以下，是方框 --
您的工艺中可能 嵌有具有大量的氢。
因此，如果该质子 释放机制是基极
电流升高的 关键，您会期望
在具有大量 氢的氮化物
工艺中具有更大的 总剂量效应。
毫无疑问，该数据 向您展示了在没有
氮化物的情况下， 它几乎独立于总计量。
输入偏置电流或 剂量导致的基极
电流没有大的变化。
再说一次，这里的水平 访问是电离辐射总剂量。
对于这里的其他 两个具有氮化物的
分量，您可以看到 非常大的作为剂量
函数的差异。
您可以看到较旧的 效应，或极低的剂量率
灵敏度。
因为灰色的正方形是 处于高剂量率的氮化物。
因此，它将再次低估 实际破坏或基极
电流的增加。
对于低剂量率， 我们可以看到
当存在氮化物时， 基极电流会增大很多。
因此，没有氮化物 意味着少得多的氢。
因此，我们期望 在没有氮化物的
工艺中，或实际上没有 大量氢的工艺中，它将
具有更低的 低剂量率灵敏度。
那么，概括而言， 电离辐射总剂量
对双极结型器件 有什么影响？
被捕获的基本 带正电荷的
空穴和质子 产生的界面
缺陷会影响 表面载流子浓度。
这对潜在的 [听不清] 和载流子寿命具有
很大的影响， 正如我们看到的，
在本例中，由于它影响 重新结合率，直接联系到
获取一定的 集电极电流
所需的基极电流， 因此具有很大的
影响。
基本而言， 重新结合率的
增加意味着基极 电流的增加，这意味着
您的 β 值会下降。
因此，基极中电离辐射 总剂量引起的载流子
寿命缩短强制 外部电路针对
给定的集电极电流 提供更大的基极电流。
因此，双极器件的 β 值或 HFE 会作为
电离辐射总剂量的 函数随时间的推移
而降低。
需要意识到的 一点是，在表面
氧化层附近具有 更多基极区域的
双极结型晶体管将 对于总剂量更加敏感。
因此，这意味着 典型的侧向 BJT
要比垂直 BJT 敏感很多。
感谢您的关注。
手机看
扫码用手机观看
视频简介
双极结转移（BJT）的总电离剂量效应
所属课程：TID基础知识
发布时间：2019.03.11
视频集数：3
本节视频时长：00:16:12
航空航天设计界最常见的辐射要求是总电离剂量（TID），也称为总剂量。当电子和质子在用于电子器件中的绝缘的介电层中产生过量电荷时，引起总剂量效应。总剂量效应是累积的，并且在装置退化变得明显之前需要长期暴露于许多辐射事件。因此，卫星或航天器中的电子设备随着时间的推移会累积TID损害，因为它们在连续的辐射水平下运行。虽然电子在绝缘体中是可移动的，但是空穴（带正电的原子）必须通过断开键而移动并且可能陷入缺陷中。器件绝缘体中积累的正电荷的结果导致降级和/或器件故障。氧化物电荷累积影响半导体电路中使用的晶体管的电流 - 电压特性。晶体管的正确操作依赖于当栅极电压通过阈值时将其从低电导（关断）状态切换到高电导（导通）状态的能力。长时间暴露于TID辐射会使阈值电压发生偏移，使得晶体管更容易或更难切换。辐射还可能增加漏电流，导致晶体管的导通和截止状态变得不太可区分。这两种效应都可能最终导致电路故障。对于我们的太空产品，这些影响已在我们的TID辐射报告中进行了表征和总结。
未学习 TID基础知识
未学习 双极结转移（BJT）的总电离剂量效应
未学习 总电离剂量对MOSFET的影响
