CN105891694B - 硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法，该方法的步骤为：1）选取同批次同型号的硅基半导体晶体管至少三个，进行开封预处理，作为待测半导体晶体管；2）测试待测半导体晶体管功能正常；3）焊接测试电路板，将待测半导体晶体管接入测试电路；4）将激光光束照射到待测晶体管芯片上；5）调节激光光束能量，测试待测晶体管的响应并由示波器记录；本发明提供了一种可在实验室条件下用于半导体晶体管辐射剂量率效应的激光模拟试验方法，有效缩短了抗辐射加固设计周期，降低了试验成本，为研究硅基半导体器件的辐射剂量率效应提供了一种有力手段，其试验装置和试验方法的推广具有重要价值。

Description

硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法
技术领域
本发明属于半导体器件辐射效应研究领域，主要涉及一种硅基半导体晶体管的辐射剂量率的激光模拟试验方法，可在激光模拟半导体器件的辐射剂量率的试验中使用。
背景技术
半导体器件的瞬时剂量率辐射效应是指暴露于瞬时的脉冲γ射线辐射下的半导体器件所表现出的电离辐射损伤，其机理是由于瞬时的电离脉冲辐射在半导体材料中激发电子—空穴对，这些光生载流子在被器件收集的过程中将产生瞬时光电流。当辐射剂量率增大到一定程度时，此光电流将可能等于甚至大于电路本身的电流信号，导致半导体器件性能退化甚至失效。因此，在半导体器件设计之前，研究其瞬时剂量率辐射效应具有至关重要的作用，有助于掌握其在辐射环境下的工作机理和失效原理，也为抗幅加固设计提供研究依据。
通常，人们主要依靠线性加速器（Linear Accelerator, LINAC）和闪光X射线脉冲源（Flash X-Ray Pulse, FXR）等大型地面装置来模拟辐射环境，辅助剂量率效应研究。然而，此类辐射模拟装置存在一定的局限性，如辐射测量范围有限、参数调节困难，试验时具有辐射损伤，装置电磁干扰较大、信噪比低，使用预约周期长、价格昂贵等，难于应用于实验室半导体器件辐射效应研究中。
特定波长的激光与半导体器件相互作用可以产生与瞬时γ射线辐射相近的电学特性相比之下，激光模拟方法具有独特的优势，具有灵活、安全、寄生电磁效应影响小、脉冲重复率高、激光能量和光斑大小连续可调、成本低等优点，可以应用于实验室条件下的抗辐射加固研究中。
综合以上优点，作为LINAC和FXR等地面模拟装置的实验室补充，激光模拟方法在半导体器件瞬时剂量率辐射效应的先期设计和研究中可以发挥巨大的作用，得到了国外科研界的推广和认可。因此本发明需要提出一种硅基半导体晶体管的辐射剂量率的激光模拟试验方法，以可以应用于在实验室条件下硅基半导体晶体管辐射剂量率效应研究。
发明内容
针对目前国内尚无系统的激光模拟半导体器件辐射剂量率效应试验方法的现状，本发明提出一种硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法，实现在实验室条件下进行半导体器件，特别是硅基半导体晶体管，辐射剂量率效应的激光模拟。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法，其方法步骤如下：
1）选取同批次同型号的硅基半导体晶体管至少三个，进行开封预处理，作为待测半导体晶体管的样品；
2）测试待测半导体晶体管的功能是否正常；同时，焊接测试电路板；
3）将经过测试功能正常的待测半导体晶体管接入测试电路板；
4）将激光光束照射到待测半导体晶体管上；
5）调节激光光束能量，用电流探头测试待测半导体晶体管的电流响应，用电压探头测试待测半导体晶体管的电压响应，并通过示波器记录。
步骤1）中开封预处理包括正面开封和背面开封；对于金属层不多于两层的硅基半导体晶体管，进行正面开封；对于金属层大于两层的硅基半导体晶体管，进行背面开封。
步骤2）中测试待测半导体晶体管的功能是否正常，首先通过金相显微镜观察待测半导体晶体管上的引线有无断裂现象，当无断裂现象时再使用万用表测试待测半导体晶体管是否正常，当有断裂现象时，则不使用该待测半导体晶体管。
步骤3）中，将待测半导体晶体管接入测试电路板的方法为：
当待测半导体晶体管是双极结型晶体管时，将双极结型晶体管的基极和发射极接地，集电极接上拉电阻的一端；上拉电阻的另一端接直流电源；
当待测半导体晶体管是金属-氧化物半导体场效应晶体管时，将金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极、源极和衬底引线接地，漏极接上拉电阻的一端；上拉电阻的另一端接直流电源。
优选的，所述测试电路板为PCB板。
步骤4）中将激光光束照射到待测半导体晶体管上的方法为：脉冲激光器输出的脉冲1064nm的激光经过衰减光路，通过光束提升器和反射镜从待测半导体晶体管正上方竖直照射到待测半导体晶体管上。
步骤5）中调节激光光束能量，测试待测半导体晶体管的响应并由示波器记录的方法为：
激光光束经过二分之一波片后再经过偏振分光棱镜，通过旋转二分之一波片的角度从而改变激光的偏振态，从而调节经过偏振分光棱镜后的激光光束的能量；
测试待测半导体晶体管响应包括测试集电极电压、集电极电流、漏极电压、漏极电流中的一种或多种。
优选的，所述示波器的带宽大于4GHz。
优选的，所述电流探头灵敏度优于1mV/mA。
本发明提供了一种可在实验室条件下进行半导体器件，特别是硅基半导体晶体管，辐射剂量率效应的激光模拟方法，具有有灵活、安全、寄生电磁效应影响小、脉冲重复率高、成本低等优点，晶体管的辐射剂量率效应研究是集成电路的辐射剂量率效应的研究基础，该方法及其实验装置的推广具有重要价值。
附图说明
图1为本发明的步骤流程示意图；
图2为本发明采用双极结型晶体管接入到PCB测试板电路的原理图；
图3为本发明采用金属-氧化物半导体场效应晶体管接入到PCB测试板电路的原理图；
图4为本发明的试验激光光路示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种硅基半导体晶体管的辐射剂量率的激光模拟试验方法的步骤流程。
（1）选取同批次同型号的硅基半导体晶体管至少三个，进行开封预处理；对于金属层不多于两层的硅基半导体晶体管，进行正面开封；对于金属层大于两层的硅基半导体晶体管应进行背面开封；开封后的硅基半导体晶体管作为待测半导体晶体管。
（2）在显微镜下观察开封后的待测半导体晶体管的引线是否有断裂情况，当引线没有断裂时，再使用万用表测试晶体管功能是否正常。
（3）将待测半导体晶体管接入PCB测试板。如图2所示，当待测半导体晶体管是双极结型晶体管时，将双极结型晶体管的基极和发射极接地，集电极接上拉电阻，上拉电阻另一端接直流电源；如图3所示，当待测半导体晶体管是金属-氧化物半导体场效应晶体管时，将金属-氧化物半导体场效应晶体管栅极、源极和衬底引线接地，漏极接上拉电阻，上拉电阻另一端接直流电源。
（4）如图4所示，脉冲激光器输出的1064nm脉冲激光经过衰减光路，通过光束提升器和反射镜从待测半导体晶体管正上方竖直照射到晶体管的芯片上。
（5）在衰减光路中调节照射到晶体管芯片上的脉冲激光能量。经过二分之一波片后再经过偏振分光棱镜，通过旋转二分之一波片的角度从而改变激光的偏振态，从而调节经过偏振分光棱镜后的激光光束的能量；激光能量调节遵从从小到大的原则，最大激光能量不可对芯片造成烧蚀。
通过示波器探测并记录测试待测半导体晶体管响应，可以包括测试集电极电压、集电极电流、漏极电压、漏极电流中的一种或多种。

Claims (9)

1.一种硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法，其方法步骤如下：
1）选取同批次同型号的硅基半导体晶体管至少三个，进行开封预处理，作为待测半导体晶体管的样品；所述开封预处理包括正面开封和背面开封；对于金属层不多于两层的硅基半导体晶体管，进行正面开封；对于金属层大于两层的硅基半导体晶体管，进行背面开封；
2）测试待测半导体晶体管的功能是否正常；同时，焊接测试电路板；
3）将经过测试功能正常的待测半导体晶体管接入测试电路板；
4）将激光光束照射到待测半导体晶体管上；
5）调节激光光束能量，用电流探头测试待测半导体晶体管的脉冲电流响应，用电压探头测试脉冲电压响应，并通过示波器记录脉冲电流和脉冲电压的波形。
2.根据权利要求1所述的一种硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法，其特征在于：步骤2）中测试待测半导体晶体管的功能是否正常，首先通过金相显微镜观察待测半导体晶体管上的引线有无断裂现象，当无断裂现象时再使用万用表测试待测半导体晶体管是否正常，当有断裂现象时，则不使用该待测半导体晶体管。
3.根据权利要求1所述的一种硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法，其特征在于：步骤3）中，当待测半导体晶体管是双极结型晶体管时，将双极结型晶体管的基极和发射极接地，集电极接上拉电阻的一端；上拉电阻的另一端接直流电源。
4.根据权利要求1所述的一种硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法，其特征在于：步骤3）中，当待测半导体晶体管是金属-氧化物半导体场效应晶体管时，将金属-氧化物半导体场效应晶体管的栅极、源极和衬底引线接地，漏极接上拉电阻的一端；上拉电阻的另一端接直流电源。
5.根据权利要求1或3或4所述的一种硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法，其特征在于：所述测试电路板为PCB板。
6.根据权利要求1所述的一种硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法，其特征在于：步骤4）中，所述激光的波长为1064nm。
7.根据权利要求1或6所述的一种硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法，其特征在于：步骤4）中，将激光光束照射到待测半导体晶体管上的方法为：脉冲激光器输出的激光经过衰减光路，通过光束提升器和反射镜从待测半导体晶体管正上方竖直照射到待测半导体晶体管上。
8.根据权利要求6所述的一种硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法，其特征在于：步骤5）中，激光光束经过二分之一波片后再经过偏振分光棱镜，通过旋转二分之一波片的角度从而改变激光的偏振态，从而调节经过偏振分光棱镜后的激光光束的能量；测试待测半导体晶体管响应包括测试集电极电压、集电极电流、漏极电压、漏极电流中的一种或多种。
9.根据权利要求1或8所述的一种硅基半导体晶体管的激光模拟辐射剂量率效应试验方法，其特征在于：所述示波器的带宽大于4GHz，所述电流探头灵敏度优于1mV/mA。
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