留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

不同顺序中子/γ辐照对双极器件电流增益的影响

王凯 吕学阳 吴锟霖 冯加明 范晓强 李俊杰 杨桂霞 鲁艺 邱东 邹德慧

引用本文:
Citation:

不同顺序中子/γ辐照对双极器件电流增益的影响

    作者简介: 王 凯(1993—),男,硕士研究生,主要从事半导体器件参数测量分析;1342117283@qq.com.
    通讯作者: 邹德慧, 32859603@qq.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(11605169)
  • 中图分类号: TL814

Effects of different sequential neutron/gamma irradiation on current gain of bipolar devices

    Corresponding author: Zou Dehui, 32859603@qq.com
  • CLC number: TL814

  • 摘要: 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。
  • 图 1  实验流程图

    Fig. 1  Experimental flow chart

    图 2  A组-NPN型双极晶体管电流增益hFE随集电极电流IC的曲线

    Fig. 2  Curves of current gain hFE vs collector current IC of A-NPN BJTs

    图 3  B组-PNP型双极晶体管电流增益hFE随集电极电流IC的变化曲线

    Fig. 3  Curves of current gain hFE vs collector current IC of B-PNP BJTs

    图 4  NPN型晶体管工作于正向有源区时电子流和空穴流示意图

    Fig. 4  Diagram of electron flow and hole flow when NPN transistor is working in positive active region

    图 5  A组-NPN型和B组-PNP双极晶体管基极电流IB随集电极电流IC的曲线

    Fig. 5  Curves of base current IB vs. collector current IC of A-NPN BJTs and B-PNP BJTs

    图 6  先γ后中子入射辐照效应示意图(以PNP型双极晶体管为例)

    Fig. 6  Schematic diagram of irradiation effect of neutron first followed by γ incidence (taking PNP bipolar transistor as an example)

    图 7  先中子后γ入射辐照效应示意图(以PNP型双极晶体管为例)

    Fig. 7  Schematic diagram of irradiation effect of γ first followed by neutron incidence ( taking PNP bipolar transistor as an example)

  • [1] 王晨辉, 陈伟, 刘岩, 等. 基区表面势对栅控横向PNP晶体管中子位移损伤的影响[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27:114002. (Wang Chenhui, Chen Wei, Liu Yan, et al. Influence of base surface potential on neutron displacement damage of gate-controlled lateral PNP bipolar transistors[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2015, 27: 114002 doi: 10.11884/HPLPB201527.114002
    [2] Gorelick J L, Ladbury R, Kanchawa L, et al. The effects of neutron irradiation on gamma sensitivity of linear integrated circuits[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2004, 51(6): 3679-3685. doi: 10.1109/TNS.2004.839245
    [3] 李兴冀. 星用双极型器件带电粒子辐照效应及损伤机理[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2010: 37-66.

    Li Xingji. Radiation effects and damage mechanisms caused by charged particles on bipolar devices used for space craft. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2010: 37-66
    [4] 刘超铭. 双极晶体管辐射损伤效应及深能级缺陷研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2013: 98-135.

    Liu Chaoming. Radiation damage effects and deep level defects in bipolar junction transistor. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2013: 98-135
    [5] Barnaby H J, Smith S K, Schrimpf R D, et al. Analytical model for proton radiation effects in bipolar devices[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2003, 49(6): 2643-2649.
    [6] Barnaby H J, Schrimpf R D, Sternberg A L, et al. Proton radiation response mechanisms in bipolar analog circuits[J]. IEEE Trans Nucl Sci, , 48(6): 2074-2080. doi: 10.1109/23.983175
    [7] Gorelick J L, Ladbury R, Ka L. The effects of neutron irradiation on gamma sensitivity of linear integrated circuits[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2004, 51(6): 3679-3685. doi: 10.1109/TNS.2004.839245
    [8] Li Xingji, Liu Chaoming, Rui Erming, et al. Simultaneous and sequential radiation effects on NPN transistors induced by protons and electrons[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2012, 59(3): 625-633. doi: 10.1109/TNS.2012.2191572
    [9] Li Xingji, Geng Hongbin, Liu Chaoming, et al. Combined radiation effects of protons and electrons on NPN transistors[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2010, 57(2): 831-836. doi: 10.1109/TNS.2009.2039355
    [10] Wang Chenhui, Bai Xiaoyan, Chen Wei, et al. Simulation of synergistic effects on lateral PNP bipolar transistors induced by neutron and gamma irradiation[J]. Nucl Instrum Meth A, 2015.
    [11] Song Yu, Zhang Ying, Liu Yang, et al. Mechanism of synergistic effects of neutron-and gamma-ray-radiated PNP bipolar transistors[J]. ACS Appl Electron Mater, 2019.
    [12] Sze S M, Kwok K N. Physics of Semiconductor Devices[M]. 3rd ed. New York: Wiley-Interscience, 2006.
    [13] 叶迟凡. 晶体管电流放大系数β与集电极电流IC的关系[J]. 怀化师专学报(自然科学版), 1987(5):64-67. (Ye Chifan. The relationship between transistor current amplification factor beta and collector current IC[J]. Journal of Huaihua Teachers College (Natural Science Edition), 1987(5): 64-67
    [14] Claeys C, Simoen E. Radiation effects in advanced semiconductor materials and devices[M]. Springer-Berlin Heidelberg GmbH, 2002.
    [15] Kosier S L, Shrimpf R D, Nowlin R N, et al. Charge separation for bipolar transistors[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1993, 40(6): 1276-1285. doi: 10.1109/23.273541
    [16] Neamen D A. Semiconductor physics and devices: basic principles[M]. 4版. 北京: 电子工业出版社, 2013.

    Neamen D A. Semiconductor physics and devices: basic principles [M]. 4th ed. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2013
  • [1] 温景超, 石瑞英, 龚敏, 唐龙谷, 田野, 谭开州, 蒲林. 伽玛辐照对SiGe异质结双极型晶体管的集电极电流和厄尔利电压的影响[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(02).
    [2] 徐天容, 杨怀民. 大规模集成电路中子和γ射线综合电离辐照效应研究[J]. 强激光与粒子束, 2005, 17(05).
    [3] 冯加明, 邹德慧, 范晓强, 葛良全, 吴琨霖, 罗军益, 孙文清, 艾自辉. 双极晶体管中子注量探测器的标定[J]. 强激光与粒子束, 2018, 30(09): 096008. doi: 10.11884/HPLPB201830.180138
    [4] 赖财锋, 王新华, 刘荣, 杨小飞. γ射线对含氢正比计数管中子能谱测量的影响[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(09): 094006. doi: 10.11884/HPLPB201426.094006
    [5] 朱金辉, 牛胜利, 马继明, 赵军, 黄流兴. γ射线在LSO晶体中的能量沉积[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(06).
    [6] 张林, 张义门, 张玉明, 张书霞, 汤晓燕, 王悦湖. 4H-SiC肖特基二极管γ射线探测器的模型与分析[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(05).
    [7] 赵墨, 胡淑玲, 申胜平, 吴伟, 程引会, 李进玺, 马良, 郭景海. 双极晶体管负载瞬态辐照毁伤效应[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26(07): 074002. doi: 10.11884/HPLPB201426.074002
    [8] 陈林, 仇旭, 宋盛义. 脉冲大电流环境下超热现象实验研究[J]. 强激光与粒子束, 1998, 10(02).
    [9] 徐家云, 白立新, 张一云, 吴丽萍, 冯杰, 杨存榜. 靶室散射对ICF中子产额用铅活化法测量准确性的影响[J]. 强激光与粒子束, 2004, 16(09).
    [10] 王晨辉, 陈伟, 金军山, 金晓明, 杨善潮, 白小燕, 林东生, 王桂珍, 李斌. 敏化LiF(Mg, Ti)热释光剂量片γ射线响应特性[J]. 强激光与粒子束, 2016, 28(02): 024002. doi: 10.11884/HPLPB201628.024002
    [11] 张玲玉, 李瑞, 李刚, 贾清刚, 邓力. γ射线探测器响应函数的JMCT模拟计算[J]. 强激光与粒子束, 2017, 29(01): 016024. doi: 10.11884/HPLPB201729.160454
    [12] 魏彪, 金晶, 任勇, 唐跃林. 核军控核查符合测量系统中去除γ射线新方法[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(10).
    [13] 徐雪春, 林理彬, 蒋波, 李军豪, 邹萍. 一种新型辐射变色膜的γ射线辐照研究[J]. 强激光与粒子束, 2005, 17(02): 291- .
    [14] 解磊, 代刚, 李顺, 梁堃. 中子单粒子效应TCAD仿真[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27(08): 084002. doi: 10.11884/HPLPB201527.084002
    [15] 赵宗清, 丁永坤, 刘东剑, 唐昶环, 温树槐, 蒲以康. 中子半影成像的数值模拟[J]. 强激光与粒子束, 2006, 18(07).
    [16] 张莹, 刘丽鹃, 黄朝强, 孙光爱, 张洁, 陈喜平, 安琪, 龚建. 中子标准测试束平台概念设计及模拟优化[J]. 强激光与粒子束, 2016, 28(12): 124004. doi: 10.11884/HPLPB201628.160121
    [17] 刘晓, 马纪敏, 郭海兵. 混合堆第一壁中子辐照损伤模拟[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27(01): 016010. doi: 10.11884/HPLPB201527.016010
    [18] 郑建华, 晏骥, 苏明, 赵宗清, 江少恩, 马彦, 付元光, 李刚, 张宝印, 邓力. 神光Ⅲ主机装置内爆中子和伽马辐射特性的数值模拟[J]. 强激光与粒子束, 2015, 27(11): 112007. doi: 10.11884/HPLPB201527.112007
    [19] 耿涛. 用于DPF装置中子测量的闪烁体探测器[J]. 强激光与粒子束, 2007, 19(06).
    [20] 蒋世伦, 宁家敏, 许泽平, 夏广新, 徐荣坤, 李正宏, 郭洪生. 强光一号装置单氘丝中子发射实验研究[J]. 强激光与粒子束, 2007, 19(05).
  • 加载中
图(7)
计量
  • 文章访问数:  20
  • HTML全文浏览量:  19
  • PDF下载量:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-04
  • 录用日期:  2020-01-09
  • 网络出版日期:  2020-02-10

不同顺序中子/γ辐照对双极器件电流增益的影响

    通讯作者: 邹德慧, 32859603@qq.com
    作者简介: 王 凯(1993—),男,硕士研究生,主要从事半导体器件参数测量分析;1342117283@qq.com
  • 中国工程物理研究院 核物理与化学研究所,四川 绵阳 621900

摘要: 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。

English Abstract

  • 在中子和γ射线同时存在的混合辐射下的双极器件同时表现出位移损伤和电离损伤。一般假设这两种效应在辐射损伤评估中是相互独立的,它们对器件的综合影响是单个中子位移效应和总剂量电离效应引起的退化的简单总和。然而,近年来的研究[1-6]指出,这两种效应相互之间具有非线性影响,并且它们的组合效果不等于它们的简单相加。

    Gorelick等人[7] 研究了12种先暴露于中子然后暴露于γ射线的线性集成电路的辐射损伤。实验结果表明,半导体器件在中子照射后表现出对电离效应有一定程度的增强或抑制,总剂量电离效应和位移损伤无法解耦。Barnaby等人[5-6]研究了在质子与γ射线以及质子与中子同时存在辐射环境下双极运算放大器的辐射损伤效应,他们的实验数据显示,这些运算放大器及其输入晶体管对位移效应和电离效应引入的缺陷的综合影响的电响应是非线性的。李兴冀等人[8-9]对由质子和电子辐照导致的PNP和NPN双极晶体管的协同辐照效应进行了实验研究,其实验数据表明,电子导致的电离损伤效应可能会对质子诱导产生的位移损伤产生退火作用或增强效果。王晨辉等人[10]利用半导体器件仿真软件TCAD,通过改变少数载流子寿命、在氧化层中添加陷阱电荷以及增大表面复合速度等措施,对中子和γ射线混合辐射引起的6种横向PNP双极晶体管的电离/位移协同效应进行了数值模拟,结果表明,横向PNP双极晶体管的电离/位移协同效应不是总剂量电离效应和位移效应的简单总和,并且总剂量电离效应可以增强中子位移损伤,导致更大的增益退化。他们认为,氧化物层中的正电荷和γ辐照诱导的Si/SiO2界面陷阱可以增强中子辐照诱导的体缺陷中载流子的复合过程,是导致横向PNP双极晶体管产生电离/位移协同效应的主要原因。Song Yu等人[11]发现,在样品被中子预辐照后,辐射损伤表现出对γ射线剂量的“√”样关系,即损伤对于小的伽马射线剂量异常降低,然后对于大的伽马射线剂量几乎线性地增加。对实验数据分析的总损伤小于中子和γ损伤简单相加之和,即,表现为负协同效应。基于实验数据推导出两种负协同效应与γ射线剂量之间的关系:第一种负协同效应与γ射线剂量呈线性关系,其斜率与初始位移损伤呈二次关系,可归因于硅中中子辐射引起的缺陷的愈合;第二种负协同效应随γ射线剂量指数衰减,其振幅表现出较强的低剂量率增强(ELDRS)效应,可归因于硅中γ射线产生的正电荷对Si/SiO2界面附近中子诱导缺陷的钝化作用。以上研究均表明,电离/位移协同效应并不是电离损伤和位移效应的简单相加之和,电离损伤对已存在的位移损伤具有一定的增强或抑制作用。在以往的研究中,对于双极晶体管电离/位移协同效应的研究主要通过质子或重离子辐照同时产生电离效应和位移效应,无法对单独的电离效应或位移效应进行分析。王晨辉和Song Yu等人的研究中虽然使用中子和γ射线作为辐照源,但是研究对象主要为PNP型晶体管,且前者以模拟为主要研究手段,缺少对NPN型双极晶体管的实验研究,后者主要研究了先中子后γ辐照实验,未研究先γ后中子辐照实验。

    本文采用中子源和γ源对NPN及PNP晶体管进行不同顺序的辐照实验,分析了中子/γ的不同顺序辐照对不同类型双极晶体管造成的电流增益变化与电学特征参数之间的关系,包括先中子后γ辐照条件下和先γ后中子辐照条件下双极晶体管共射极电流增益随集电极电流的变化关系等。

    • 本文选用的实验样品为A组(NPN型)和B组(PNP型)两种类型的双极晶体管,为尽可能减小器件个体差异的影响,每种类型实验样品都选自同一批次。实验分别从两种类型晶体管中选取六只,其中A组NPN型双极晶体管编号为2#,4#,5#,6#,8#,10#,B组PNP型双极晶体管编号为3#,4#,5#,6#,8#,9#。三只作为先中子后γ辐照实验样品,另外三只作为先γ后中子辐照实验样品,即A组2#,4#,5#样品和B组3#,4#,5#样品进行先中子后γ辐照实验,A组6#,8#,10#样品和B组6#,8#,9#样品进行先γ后中子辐照实验。实验流程如图1所示。

      图  1  实验流程图

      Figure 1.  Experimental flow chart

      辐照实验依托中国工程物理研究院核物理与化学研究所CFBR-II快中子脉冲堆和钴源装置开展,设定中子辐照累积注量为1.2×1012 cm-2,γ辐照累积注量为612.6 Gy(Si)。两轮实验中中子注量率和γ剂量率相同。辐照前后所有器件效应参数均在BC3193半导体分立器件测试系统上测试,测试环境温度保持在(25±0.5)℃,环境湿度保持在55%~65%范围内。

    • 对A组-NPN型双极晶体管而言,当集电极−发射极电压VCE偏置一定时,先中子后γ辐照或者先γ后中子辐照导致的双极晶体管电流增益hFE的退化很接近。随集电极电流IC增大,电流增益hFE逐渐增大。如图2所示,在集电极电流IC比较小时电流增益退化最大可达到约59.9%,在所测电流范围内,hFE退化最小约22.8%。可以看出,当集电极−发射极电压VCE一定时,晶体管的增益退化程度与注入电流相关,电流越小,增益退化程度越大。

      图  2  A组-NPN型双极晶体管电流增益hFE随集电极电流IC的曲线

      Figure 2.  Curves of current gain hFE vs collector current IC of A-NPN BJTs

      对B组-PNP型双极晶体管而言,当集电极-发射极电压VCE偏置一定时,先中子后γ辐照相较先γ后中子辐照引起的双极晶体管电流增益hFE退化程度不同。如图3所示,可以明显看出,先中子后γ辐照造成的电流增益退化程度比先γ后中子辐照造成的电流增益退化程度大。先中子后γ的增益退化程度在24.4%~47.0%范围内变化,而先γ后中子的电流增益退化程度在10.7%~31.4%范围内变化,两者相差近1倍。随集电极电流IC增大,电流增益hFE的退化程度逐渐减小。先中子后γ辐照情况,在集电极电流IC比较小时电流增益退化最大约47.0%,随IC逐渐增大,退化程度逐渐减小,在所测电流范围内,电流增益退化最小约24.4%;先γ后中子辐照情况,电流增益退化最大约31.4%,最小约10.7%。

      图  3  B组-PNP型双极晶体管电流增益hFE随集电极电流IC的变化曲线

      Figure 3.  Curves of current gain hFE vs collector current IC of B-PNP BJTs

      根据实验结果可知,当集电极−发射极电压偏置一定时,不论是A组-NPN型双极晶体管还是B组-PNP型双极晶体管,辐照后的电流增益变化趋势与辐照前相同,在集电极电流极低的情况下,电流增益下降比较严重,随集电极电流增加,电流增益逐渐增大。

      图4为NPN型晶体管工作与正向有源区时电子流和空穴流示意图,在集电极电流较小情况下,发射区注入到基区的少数载流子很少,而发射极-基极的体内存在着工艺条件引起的复合中心,导致进入基区的少数载流子大部分被复合,进一步降低了基区内少数载流子数量,发射极注入到基区的电子电流减小,通过基区的少数载流子扩散电流减小,发射效率γ降低,最终导致电流增益下降严重[12]。此外,基区表面复合电流增加和发射结空间电荷区复合电流增加也是引起电流增益下降的原因[13]。随着集电极电流进一步增大,发射极注入到基区的少数载流子浓度和空穴浓度增大,基区电子输运速度增大,基极电流线性增加(如图5图6所示),发射效率增大,因此,电流增益hFE随集电极电流IC增大而逐步增大。

      图  4  NPN型晶体管工作于正向有源区时电子流和空穴流示意图

      Figure 4.  Diagram of electron flow and hole flow when NPN transistor is working in positive active region

      图  5  A组-NPN型和B组-PNP双极晶体管基极电流IB随集电极电流IC的曲线

      Figure 5.  Curves of base current IB vs. collector current IC of A-NPN BJTs and B-PNP BJTs

      图  6  先γ后中子入射辐照效应示意图(以PNP型双极晶体管为例)

      Figure 6.  Schematic diagram of irradiation effect of neutron first followed by γ incidence (taking PNP bipolar transistor as an example)

    • 根据图23可知,对于双极晶体管,先γ后中子辐照引起的电流增益退化低于先中子后γ辐照引起的增益退化,该现象在A组NPN型双极晶体管中表现的不太明显,但在B组PNP型双极晶体管中十分明显,接近二倍关系。

      基于以上实验数据,我们进行了如下定性分析。如图7所示,先γ辐照时,γ射线在硅体中产生电子-空穴对和少量的空位和间隙原子,在氧化层产生净的正电荷。产生的电子一部分会输运到Si-SiO2界面与氧化层正电荷复合,一部分会与空穴复合。产生的空位与杂质原子、空位相结合形成稳定的缺陷中心,如V-P、V-O、V-V等[14-15]。后续中子辐照产生大量的空位和间隙原子以及点缺陷甚至缺陷簇。中子辐照产生的空位会与γ辐照产生的空位结合形成双空位(V-V)中心,与杂质原子、间隙原子以及γ辐照产生的缺陷中心(V-P、V-O、V-V等)相结合,降低γ辐照产生的缺陷浓度,从而表现为对γ辐照的“退火”作用。如图8所示,先中子辐照时,中子辐照在硅体中产生的空位会形成双空位以及与杂质原子结合后的稳定的缺陷中心,γ辐照产生的空位会与这些缺陷中心相结合增大缺陷密度,同时还会与中子辐照产生的点缺陷或缺陷簇相结合,扩大缺陷的损伤能力,从而表现为后γ辐照对先中子辐照产生的损伤的“诱导”作用。

      图  7  先中子后γ入射辐照效应示意图(以PNP型双极晶体管为例)

      Figure 7.  Schematic diagram of irradiation effect of γ first followed by neutron incidence ( taking PNP bipolar transistor as an example)

      针对两种类型的晶体管损伤差异的不同,可归结为两点原因:(1)A组样品为NPN型双极晶体管,B组样品为PNP型双极晶体管,两种类型的样品结构不同;(2)A组为高频小功率NPN管,B组为小功率PNP管,两种类型的样品截止频率不同。双极晶体管的截止频率fT是指共射极电流增益为1时的频率,通常可表示为[16]

      ${f_{\rm{T}}} = \frac{1}{{2{\rm{\pi }}{\tau _{{\rm{ec}}}}}}$

      (1)

      式中:${\tau _{{\rm{ec}}}}$为发射极到集电极的时间,由四部分组成

      ${\tau _{{\rm{ec}}}} = {\tau _{\rm{e}}} + {\tau _{\rm{b}}} + {\tau _{\rm{d}}} + {\tau _{\rm{c}}}$

      (2)

      式中:τe为发射结结电容充电时间;τb为基区渡越时间;τd为集电结耗尽区渡越时间;τC为集电结电容充电时间。其中τbτd为主要影响因素,可表示为

      ${\tau _{\rm{b}}} = \frac{{x_{\rm{B}}^2}}{{2{D_{\rm{n}}}}}$

      (3)

      ${\tau _{\rm{d}}} = \frac{{{x_{{\rm{dc}}}}}}{{{v_{\rm{s}}}}}$

      (4)

      式中:xB为基区宽度;Dn为电子扩散系数;xdC为基极−集电极的耗尽区宽度;vs为电子饱和速度。由此可知,要使截止频率较高,需要有较小的基区宽度和基极−集电极耗尽区宽度。因此A组晶体管的基区宽度小于B组的基区宽度,而γ辐照会造成PN结耗尽层向P侧扩散,A组晶体管的基区宽度将会进一步降低,导致产生的空位浓度降低,对不同顺序辐照损伤差异的影响减小。因此不同顺序中子/γ辐照后,A组增益退化的差异小于B组的差异。

    • 本文以CFBR-II快中子反应堆和钴源装置为辐照装置,以A型NPN双极晶体管和B型PNP双极晶体管为实验对象,通过研究不同顺序的中子和γ射线辐照引起的双极晶体管增益退化,达到对双极晶体管电离/位移协同效应的研究目的,对双极晶体管在强核辐射场或空间航天器应用中的抗辐射加固以及硬度评估等方面提供了参考。通过分析实验结果可以得出以下结论:

      (1)当集电极电流很小的情况下,电流增益退化比较严重,随集电极电流增大,电流增益逐渐增大。主要原因在于:集电极电流很小时,发射极注入到基区的少数载流子浓度低,基区体复合电流较大,基区表面复合电流和发射结耗尽区复合电流相对增大,引起发射效率γ降低,最终导致集电极电流较小的情况下电流增益退化严重;随集电极电流逐渐增大,基区内少数载流子浓度增加,基区电子输运速度增大,基极电流线性增加,发射效率增大,最终导致电流增益hFE随集电极电流IC增大而逐步增大。

      (2)先中子后γ辐照引起的电流增益退化程度比先γ后中子辐照引起的电流增益退化程度更深,此现象在A组型NPN双极晶体管中表现得不太明显,但是在B组型PNP双极晶体管中,先中子后γ辐照引起的电流增益退化程度与先γ后中子辐照引起的电流增益退化程度约为二倍关系。初步分析原因为:针对实验选用的两类双极晶体管,γ射线辐照引起的点缺陷对中子预辐照产生的点缺陷和缺陷簇具有“诱导加剧”作用,中子辐照引起的点缺陷和缺陷簇对γ预辐照引起的点缺陷和缺陷簇具有“退火淹没”作用。

      (3)两种类型晶体管辐照结果的差异主要由A组NPN型双极晶体管截止频率较高导致,截止频率高,要求在制造时基区宽度要小于非高频晶体管,而γ辐照会造成PN结耗尽层向P侧扩散,A组晶体管的基区宽度将会进一步降低,导致产生的空位浓度降低,对不同顺序辐照损伤差异的响应减小。

参考文献 (16)

目录

    /

    返回文章
    返回