CN108362988B - 一种抑制双极晶体管低剂量率增强效应的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抑制双极晶体管低剂量率增强效应的方法，属于空间环境效应、核科学与应用技术领域。本发明是为了解决现有技术中缺少对于双晶体管的低剂量率抑制手段的缺点而提出的，包括：将晶体管放入密闭容器中，并抽真空或填充保护性气体；所述晶体管为双极晶体管；使用电炉对晶体管进行加热，并进行保温；保温结束后，将晶体管降温至室温。本发明适用于航天器舱内电子系统中的元器件的抗辐射处理。

Description

一种抑制双极晶体管低剂量率增强效应的方法
技术领域
本发明涉及一种抑制双极晶体管低剂量率增强效应的方法，属于空间环境效应、核科学与应用技术领域。
背景技术
双极型晶体管作为电路设计中常用的基本元器件之一，拥有着优良的匹配特性、线性度、低噪声性和良好的电流驱动能力，在混合集成电路或模拟电路中，尤其在空间在轨的各种航天器中有着广泛的应用。在空间辐射环境下，航天器将与多种高能带电粒子(质子、电子及重离子)产生相互作用，从而影响航天器中的结构和功能材料以及电子器件的性能，导致航天器发生故障，甚至失效。
空间辐射环境的辐射剂量率极低，通常剂量在毫拉德数量级，远小于地面各种模拟设施使用的辐射剂量率。但是当辐射剂量率极低而总辐射剂量相同时，双极型晶体管电性能损伤与高剂量率辐照下相比会急剧增大，这就是低剂量率辐射损伤增强效应(ELDRS)。如何抑制双极晶体管的低剂量率增强效应，是目前国际上研究的热点问题之一。深入研究低剂量率辐射损伤增强效应，在工程应用上具有重大意义。
空间带电辐射粒子主要包括电子、质子及各种离子。这些带电粒子与电子器件发生相互作用，产生电离辐射效应、位移辐射效应和单粒子效应。其中，电离效应使国际上研究的热点问题。对于采用SiO2作为绝缘材料和钝化层的电子器件，在不同类型辐射粒子的作用下，会在氧化物层中产生电子—空穴对。由于电子在氧化层中迁移速度大，可以快速地被扫出氧化物层；空穴在氧化物层中的迁移速率小，被氧化物层中缺陷俘获的概率大，会形成氧化物俘获正电荷。除此之外，空穴在氧化物层迁移过程中，会与含氢缺陷发生反应，释放氢离子。氢离子会逐渐输运到Si/SiO2界面，与Si-H键发生反应，形成Si悬挂键，进而造成界面态缺陷。氧化物俘获电荷和界面态均会改变载流子的复合速率，尤其对于双极型晶体管，电离缺陷主要增加的是晶体管的空间电荷区复合速率，进而导致电子器件的性能发生退化。在此基础上，研究如何抑制空间电荷区复合，提高晶体管的抗辐照能力，具有重要的工程价值和科学意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中缺少对于双晶体管的低剂量率增强效应抑制手段的缺点，而提出一种抑制双极晶体管低剂量率增强效应的方法，包括：
步骤一，将晶体管放入密闭容器中，并抽真空或填充保护性气体；所述晶体管为双极晶体管；
步骤二，使用电炉对晶体管进行加热，并进行保温；加热时的升温速率小于等于20℃/min，控温精度为±1℃，加热温度为150℃至300℃；
步骤三，保温结束后，将晶体管降温至25℃。
本发明的有益效果为：
1、本发明一个实施例通过辐照前对晶体管进行加温处理，降低了辐照对晶体管空间电荷区的影响，从而可以达到抑制晶体管低剂量率辐射损伤增强的现象；
2、本发明的一个实施例应用基于预加温处理达到抑制晶体管低剂量率损伤的目的，步骤简单，易于操作。本发明所提出的技术途径能够大幅度提高晶体管的抗辐照能力，对材料和器件在空间环境中的应用具有重大的意义。在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景；
3、本发明一个实施例对于Ⅰ型晶体管和Ⅱ型晶体管都可以起到抑制低剂量率时损伤增强的作用。
附图说明
图1为本发明实施例中Ⅰ型双极晶体管加温处理和未加温处理进行高低两种剂量率辐照的Δ(1/β)随辐照剂量的变化曲线图；
图2为本发明实施例中Ⅱ型双极晶体管加温处理和未加温处理进行高低两种剂量率辐照的Δ(1/β)随辐照剂量的变化曲线图；
图3为Ⅰ型双极晶体管加温处理和未加温处理进行高低两种剂量率辐照的ΔIB随辐照剂量的变化曲线图；
图4为Ⅱ型双极晶体管加温处理和未加温处理进行高低两种剂量率辐照的ΔIB随辐照剂量的变化曲线图；
图5为本发明一个实施例的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的抑制双极晶体管低剂量率效应的方法，如图5所示，包括：
步骤一，将晶体管放入密闭容器中，并抽真空或填充保护性气体；所述晶体管为双极晶体管.
步骤二，使用电炉对晶体管进行加热，并进行保温；加热时的升温速率小于等于20℃/min，控温精度为±1℃，加热温度为150℃至300℃。
步骤三，保温结束后，将晶体管降温至25℃。
本实施方式的目的是找到一种抑制双极晶体管低剂量率辐射损伤增强效应的方法，通过辐照前对晶体管进行加温处理，降低辐照对晶体管空间电荷区的影响。从而可以达到抑制晶体管低剂量率辐射损伤增强的现象。电离损伤会生成氧化物电荷和界面态，进而影响晶体管空间电荷区的复合情况。本发明基于对晶体管进行预加温的方法，抑制空间电荷区复合，达到抑制晶体管低剂量率损伤增大的目的。
具体来说，为了达到上述技术目的，本实施方式采用如下技术方案：
本实施方式所涉及的一种抑制低剂量率辐射损伤增强效应方法，其应用对象包括双极晶体管和双极型电路。该技术的特征在于，基于对晶体管进行预加热处理的方法，降低晶体管内部氢的含量，抑制晶体管在辐照过程中缺陷的生成，达到抑制低剂量率辐射损伤增强效应发生的目的。
当发生电离损伤时，不同类型的入射粒子(尤其是不同类型的带电粒子)，会在瞬间导致大量的电子—空穴对。这些电子/空穴对在室温条件下不稳定，大部分会发生复合。未发生复合的电子/空穴对会继续在材料与器件中运动。由于电子的迁移率较大，最后剩余的空穴会被材料和器件中固有的缺陷所俘获。这些被俘获的空穴，会形成氧化物俘获正电荷，而到达界面处被固定的电荷，可以形成界面态。两种缺陷可以影响载流子的运动，进而影响材料和器件的属性。
本实施方式应用基于预加温处理达到抑制晶体管低剂量率损伤的目的，步骤简单，易于操作。本发明所提出的技术途径能够大幅度提高晶体管的抗辐照能力，对材料和器件在空间环境中的应用具有重大的意义。在空间环境效应研究与抗辐照加固技术应用中，有着明显的优势和广泛的应用前景。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：在步骤三执行完成之后，还包括用于检测是否出现辐照损伤增强效应的步骤，具体包括：
步骤四，使60Coγ射线作为辐照源对所述晶体管进行电离辐照试验，改变辐照剂量率并记录晶体管的电流增益的变化量，若变化量超过预设的阈值，则表示所述晶体管发生了损伤。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：抑制双极晶体管低剂量率效应的方法还包括：
步骤A、在步骤一执行之前，绘制晶体管在未经过加温处理时高、低两种剂量率辐照的Δ(1/β)随辐照剂量的曲线图；步骤B、在步骤四执行之后，绘制晶体管在经过加温处理后高、低两种剂量率辐照的Δ(1/β)随辐照剂量的曲线图；其中Δ(1/β)表示电流增益倒数的变化量。
步骤A和步骤B的目的是通过绘制出的曲线观察出晶体管在加温前后辐照对于晶体管电性能损伤变化的影响。
抑制双极晶体管低剂量率效应的方法还可以包括：
步骤C、在步骤一执行之前，绘制晶体管在未经过加温处理时进行高、低两种剂量率辐照的ΔIB随辐照剂量的变化曲线图；步骤D、在步骤四执行之后，绘制晶体管在经过加温处理后进行高、低两种剂量率辐照的ΔIB随辐照剂量的变化曲线图；其中ΔIB表示过剩基极电流。
步骤C和步骤D的目的是通过绘制出的曲线观察出晶体管在加温前后辐照对于晶体管复合电流的影响，同时也能说明对电性能损伤的影响。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中，抽真空时的真空度不低于10pa至10-4pa。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中，降温时的降温速率小于等于20℃/min。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤四中，改变辐照剂量率的变化范围为1mrad/s至10mrad/s，辐照总剂量为20krad至100krad。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
<实施例>
本实施例按照如下步骤执行：
一、将晶体管放入密闭容器中并抽真空，真空度不低于10—10-4Pa；或采用保护性气体氛围如氩气、氮气等。
二、使用电炉对晶体管进行加热，升温速率≤20℃/min，控温精度为±1℃。加温温度为150℃—300℃，保温时间20小时—72小时。
三、保温结束后，缓慢将其降至室温，降温速率≤20℃/min，防止晶体管因热应力开裂。
四、根据国标和美军标相关标准，采用60Coγ射线作为电离辐照试验的辐照源，低剂量率标准为1mrad/s—10mrad/s，高剂量率标准为10rad/s—100rad/s。辐照总剂量为20krad至100krad。
五、电性能测试采用半导体参数测试系统，测量直接在大气条件下进行。
实施例的效果：
为了进一步说明上述方式的合适性，针对某双极晶体管开展上述研究工作。根据国标中的规定，选择Co-60源作为辐照源。对双极晶体管进行上述预处理后，进行辐照试验。为了对比晶体管是否出现低剂量率辐照损伤增强效应，选择辐照剂量率分别为100rad/s和10mrad/s，总剂量为100krad。图1为Ⅰ型晶体管Δ(1/β)随辐射剂量的变化关系。如图可得，随着辐照剂量的增加，电流增益的变化量逐渐增大，电流增益倒数的变化量也增加，晶体管电性能损伤逐渐增大。对比不同剂量率可以得出，在100rad/s的剂量率条件下，晶体管电流增益倒数变化量的变化都较为平缓，而10mrad/s的剂量率下，其随辐照剂量的变化曲线变得剧烈很多，说明双极晶体管存在明显的低剂量率辐照损伤增强效应。而对比经过加温处理和未经加温处理两种经过低剂量率辐照的双极晶体管，可以发现经过加温处理的双极晶体管其损伤远远小于原始样品。说明低剂量率辐射损伤增强效应被抑制。图2为Ⅱ型晶体管Δ(1/β)随辐射剂量的变化关系。对比可知对于Ⅱ型晶体管加温同样可以起到抑制低剂量率时损伤增强的作用。
通过分析双极晶体管中过剩基极电流(ΔIB)与发射极-基极电压(VBE)的变化关系，可以揭示双极晶体管损伤的位置。辐照导致过剩基极电流定义为△IB＝IB-IB0，式中IB为辐照后晶体管的基极电流，IB0为辐照前的基极电流。
过剩基极电流的变化主要由以下两种原因导致：(1)辐射感生界面态引起的表面复合电流的增加；(2)辐射感生氧化物俘获正电荷引起的表面复合电流的增加。过剩基极电流可由下式表示：
Figure BDA0001575939720000051
式中Ki为常数；Di(T)为总的电离吸收剂量；q为电子电荷；k为玻尔兹曼常数；T为热力学标准温度；n是理想因子。当辐照主要影响PN结之间的空间电荷区的复合电流时，n＝2；而辐照主要影响中性基区复合电流时，n＝1。由图3我们可以得知，低剂量率造成晶体管损伤增大的原因在于过剩基极电流增大，导致电流增益下降。而根据n值大小可以得知，Co-60辐照主要对晶体管的空间电荷区产生影响。在低剂量率辐照时影响加剧，而经过加温处理之后晶体管空间电荷区影响下降，使晶体管辐照损伤下降。图4为Ⅱ型晶体管的过剩基极电流变化，由图4可知，对于Ⅱ型晶体管加温同样可以降低辐照对空间电荷区的影响，从而将损伤降低。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种抑制双极晶体管低剂量率增强效应的方法，其特征在于，包括：
步骤一，将晶体管放入密闭容器中，并抽真空或填充保护性气体；所述晶体管为双极晶体管；
步骤二，使用电炉对晶体管进行加热，并进行保温；加热时的升温速率小于等于20℃/min，控温精度为±1℃，加热温度为150℃至300℃；
步骤三，保温结束后，将晶体管降温至25℃。
2.根据权利要求1所述的抑制双极晶体管低剂量率增强效应的方法，其特征在于，在步骤三执行完成之后，还包括用于检测是否出现辐照损伤增强效应的步骤，具体包括：
步骤四，使用60Coγ射线作为辐照源对所述晶体管进行电离辐照试验，改变辐照剂量率并记录晶体管的电流增益的变化量，若变化量超过预设的阈值，则表示所述晶体管发生了损伤。
3.根据权利要求2所述的抑制双极晶体管低剂量率增强效应的方法，其特征在于，
在步骤一执行之前，绘制晶体管在未经过加温处理时高、低两种剂量率辐照的Δ(1/β)随辐照剂量的曲线图；
在步骤四执行之后，绘制晶体管在经过加温处理后高、低两种剂量率辐照的Δ(1/β)随辐照剂量的曲线图；
其中Δ(1/β)表示电流增益倒数的变化量。
4.根据权利要求2所述的抑制双极晶体管低剂量率增强效应的方法，其特征在于，
在步骤一执行之前，绘制晶体管在未经过加温处理时进行高、低两种剂量率辐照的ΔIB
随辐照剂量的变化曲线图；
在步骤四执行之后，绘制晶体管在经过加温处理后进行高、低两种剂量率辐照的ΔIB随辐照剂量的变化曲线图；
其中ΔIB表示过剩基极电流。
5.根据权利要求4所述的抑制双极晶体管低剂量率增强效应的方法，其特征在于，步骤一中，抽真空时的真空度不低于10pa至10-4pa。
6.根据权利要求5所述的抑制双极晶体管低剂量率增强效应的方法，其特征在于，步骤三中，降温时的降温速率小于等于20℃/min。
7.根据权利要求6所述的抑制双极晶体管低剂量率增强效应的方法，其特征在于，步骤四中，改变辐照剂量率的变化范围为1mrad/s至10mrad/s，辐照总剂量为20krad至100krad。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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