半导体器件物理II-2.5辐射效应——2017上课.ppt

运行在空间的各类人造卫星、航天器会受到地球带电粒子、太阳宇宙射线等各种辐射,并造成不同程度的损伤。另外,除天然辐射环境外,核武器爆炸也会对各种电子系统及元器件构成严重威胁。辐射环境:辐射环境不同,辐射因素就不同,对微电子器件影响就不同辐射效应:辐射对材料的作用MOSFET的电离辐射效应：电离辐射对MOSFET的影响*12.5辐射效应本节内容内辐射带：距地面600～6000km，高能质子（～100MeV，影响中低轨道卫星）外辐射带：距地心2.万km，高能电子（20keV~1.6MeV)，影响高轨道卫星累计效应为主：在辐射环境越久，辐射效应越明显表示辐射强弱的量：总剂量单位：rad(Si)，不同材料对辐射的吸收不同，需注明材料，*12.5辐射效应辐射环境:空间辐射空间辐射来自于宇宙射线地球磁场对外层空间带电粒子的捕获作用，所以地球周围形成了高能粒子组成的环形辐射带*12.5辐射效应辐射环境:核辐射核辐射：核爆炸环境和核动力环境核辐射产生的高能粒子：快中子流：能量0.5MeV,辐射有效半径1km～几十kmγ射线：能量～1MeV,辐射有效半径3km～几百km热电磁脉冲：电场105V/m，磁场102A/m，f=10kHz~100MHz，脉冲间隔10～30ns瞬态效应为主：表示辐射强弱的量：剂量率--单位时间内材料吸收的能量单位：rad(Si)/s辐射粒子与晶格原子碰撞，使晶格原子进入间隙，即发生位移→产生空位、间隙原子→材料受损伤，且有能量传递中子辐射造成的位移效应显著：中子不带电，能量大，穿透能力强位移效应会破坏晶体材料的晶格结构和周期性的势场在禁带中引入新的电子能级，新能级能起到以下作用复合中心→少子寿命↓杂质补偿中心→多子浓度↓→电阻率↑散射中心→载流子迁移率↓永久性损伤：去掉辐射源，材料不可恢复*12.5辐射效应辐射物理效应:位移效应辐射晶格原子空位间隙原子位移*12.5辐射效应辐射物理效应:电离效应辐射粒子和电子相互作用，能量传递给电子，电子脱离共价键，使晶格原子电离→产生了自由电子、带电离子γ射线容易引起电离效应对硅器件影响，引入表面缺陷，产生氧化层正电荷Si-SiO2界面陷阱半掉永久性损伤：辐射源去掉后，经过一段时间或采取工艺措施，缺陷会消失一部分辐射晶格原子离子自由电子电离＋*12.5辐射效应MOSFET的辐射效应x射线、γ射线等离化辐射将SiO2中的电子-空穴对打开，同时产生自由电子和自由空穴辐射产生的电子在SiO2中很快移出栅极（迁移率～20cm2/V?s）辐射产生的空穴缓慢地向Si-SiO2界面移动（迁移率10-4～10-11cm2/V?s）到达Si-SiO2界面的空穴一部分注入Si中，另一部分被界面附近的空穴陷阱所俘获，带正电，使VT向负方向移动离化辐射打开Si-SiO2界面的饱和键，产生界面陷阱，增加界面态密度。在禁带下部为施主态，上部为受主态。反型状态下，负受主增加，可部分补偿辐射引入的正氧化层电荷对VT的影响。与导电载流子有库伦力作用，迁移率下降。x射线、γ射线等离化辐射辐射产生氧化层电荷辐射产生界面态p型衬底n沟道正栅压MOSFET*12.5辐射效应辐射产生氧化层电荷:特性1正栅压下，辐射引入的空穴向硅一侧移动，且栅压VG↑→中途未被复合而最终到达Si-SiO2界面附近且被陷阱俘获的空穴数↑→引入的附加正电荷量↑→平带电压漂移量|ΔVfb|↑，负向变化有负号当Si-SiO2界面附近的空穴陷阱全被占据时，平带电压漂移量趋于饱和：多余的空穴不再被俘获，流入硅中负栅压下，辐射引入的空穴向栅极一侧移动→引入附加正电荷的作用较弱，且基本不随VG的变化而变化。*n沟道MOSFET：导通电压为正栅压，故辐射产生氧化层电荷的效果强，VT左移。辐射总剂量越大，则引入的界面态，界面态密度增大，负受主增多，VT右移增加12.5辐射效应辐射产生氧化层电荷:特性2离化辐射剂量[rad(Si)]p沟道MOSFET：导通电压为负栅压，引入的空穴向栅极一侧移动，故辐射产生氧化层电荷的效果弱，但因产生界面态，正施主增增多，VT左移*12.5辐射效应