雙極型半導體器件低劑量率增強效應的1-f噪聲表征研究.pdf

1、隨著微電子和航空航天技術的快速發(fā)展，越來越多的半導體器件與集成電路被應用于航天器上。由于在空間環(huán)境工作，這些電子元器件會受到空間輻照的影響，使器件功能退化。雙極型器件被廣泛應用于在航天星載設備以及武器裝備等領域,所以雙極型器件的輻照效應和低劑量率輻照損傷增強效應被廣泛研究。然而，國內外雙極型器件輻照的研究均集中在器件特征電參數輻照效應的實驗與機理上，關于輻照對噪聲參數的影響研究很少。與電參數相比，低頻噪聲參數靈敏度更高，也可以表征雙極型

2、器件的輻照效應。
　　本文旨在利用低頻噪聲表征雙極型器件輻照損傷以及低劑量率輻照損傷增強效應。本文對雙極晶體管以及雙極線性穩(wěn)壓器的的輻照損傷機理進行了深入的研究，建立了1/f噪聲表征輻照損傷模型。本文具體研究內容如下：
　　(1)對高、低劑量率下的PNP晶體管的輻照效應進行了深入研究，建立了基于輻照效應的發(fā)射結空間電荷區(qū)表面復合電流模型和1/f噪聲模型。研究發(fā)現界面態(tài)使表面復合電流增加，而氧化物電荷則起相反作用，但是界面態(tài)起

3、主導作用，最終導致基極電流增加，導致 PNP晶體管的電流增益退化。同時，研究也發(fā)現輻照感生的氧化物陷阱電荷和界面態(tài)是導致器件噪聲性能退化的原因，這說明二者的退化都是由于氧化物陷阱電荷和界面態(tài)引起的。基于此，建立基于輻照效應的1/f噪聲模型，該模型能很好的解釋在高、低劑量率下輻照后噪聲性能的退化。研究發(fā)現 PNP晶體管的噪聲參數和電參數一樣，也具有低劑量率輻照損傷增強效應。并且與電參數相比，噪聲參數更敏感，所以噪聲參數也可以用來表征PNP

4、晶體管的輻照損傷。
　　(2)對高、低劑量率下NPN晶體管的輻照效應進行了深入研究，建立了基于輻照效應的基極表面復合電流和1/f噪聲模型;根據所建立了模型，提出了一種定量計算輻照感生氧化物陷阱電荷和界面態(tài)的方法。研究發(fā)現與基極電流退化相同，氧化物陷阱電荷和界面態(tài)也是導致器件噪聲性能退化的原因。根據基極電流和電流噪聲退化的機理建立了基于輻照效應的基極表面復合電流模型和基極電流1/f噪聲模型。比較高、低劑量率下輻照后電參數和噪聲參數的

5、退化，可以看出噪聲參數比電參數更敏感，由于電參數和噪聲參數的都是由于相同的缺陷引起的，所以噪聲參數可以表征NPN晶體管的輻照損傷效應。根據所建立了模型，提出了一種定量計算輻照感生氧化物陷阱電荷和界面態(tài)的方法。由定量分離結果可以看出輻照在低劑量率下感生更多的氧化物陷阱電荷和界面態(tài)，正是這個原因產生了基極電流和基極電流1/f噪聲的低劑量率輻照損傷增強效應。
　　(3)研究了高、低劑量率下三端線性集成穩(wěn)壓器的輻照退化機理,建立了基于輻照

6、效應的電參數和噪聲參數退化模型。研究發(fā)現輻照引起的三端穩(wěn)壓器LM117的輸出電壓退化和1/f噪聲性能退化主要都是由于其內部的帶隙基準退化所致。輻照使帶隙基準內部的雙極NPN和PNP晶體管的基極表面復合流電增加，進而使基極電流增加，導致其參考電壓發(fā)生退化，引起輸出電壓退化。同時基極表面復合電流的增加，使得基極表面1/f噪聲電流增加，最終使得帶隙基準的1/f噪聲電壓增加，從而使得輸出噪聲電壓增加。并且發(fā)現，如同輸出電壓一樣，輸出電壓噪聲也具

7、有低劑量率輻照損傷增強效應。通過比較可以發(fā)現1/f噪聲參數比電參數敏感，由于二者的退化都是帶隙基準退化引起的，所以1/f噪聲參數也可以用來表征三端穩(wěn)壓器的電離輻照損傷。
　?。?）對航天用探測器的電源電路的原理和組成進行了分析，對其高、低劑量率下輻照后性能變化進行了分析。對幾個關鍵器件進行高、低劑量率下輻照輻照后，然后重新放到電源電路 PCB上，發(fā)現輸出電壓沒有變化，而噪聲性能已經退化，并且在低劑量率下退化更為明顯。這說明對探測器