1、1 SiO2上小晶粒(1m)Al膜高温少循环表面再结构的SEM照片 左图为热处理前,右图为热处理后(T=400,10次循环每次15分钟)22，低温多循环再结构电极温度低、变化大，变化次数多。特点：金属化表面粗糙不平，出现皱纹；皱纹产生原因：压缩疲劳引起的塑性形变；后果：使Al膜的晶粒长大，变胖，长出晶瘤，常常是短间距的金属化器件极间瞬时短路的主要原因之一。3 大晶粒(8)的1mil宽Al膜在低温 (T=70)36000次电脉冲作用下表面再结构的SEM照片4三，防止表面再结构的措施 1,提高蒸发时的衬底温度以增大晶粒直径，可以减弱以至完全防止高温少循环再结构；2,薄膜合金化，可以增加膜的降服强度
2、，滞缓金属的流动；3,铝膜上覆盖 PECVD SiO2，可大大减小铝与SiO2(或Si)之间膨胀系数之差和铝的线膨胀系数，这对防止两种再结构都很有效。5小结:半导体器件金属电极系统的主要失效机理 蒸发自掩蔽效应造成氧化层台阶处金属膜的断路；因电迁移造成金属电极系统表面出现小丘、空洞、晶须造成开路或短路。金属与硅的共熔,导致硅表面出现腐蚀坑,使eb结 特性变软,甚至穿通；温度循环过程中,金属膜表面再结构造成表面粗糙化,出现小丘,在变薄处加速了电迁移现象的发生；高温下,电极金属与SiO2相互作用,使金属膜变薄，SiO2受到侵蚀,造成极间短路或开路；潮湿气氛下,电极系统的电化学腐蚀现象造成极间开路；
3、6静电效应3.3 静电效应3.3.1 静电的产生 静电的产生主要有两种形式，即摩擦产生静电和感应产生静电。静电产生的两种形式7一，产生静电的过程 1,摩擦产生静电v因两种物质摩擦或接触后又快速分离而产生静电的过程称为摩擦生电；v两种材料表面单位体积所含可动电荷密度不等，或者说两种不等电子化学势或费米能级的材料相接触，则电子从化学势高的材料运动到低的材料，接触处便形成了电偶层，一般接触电势差为 0.01V0.1V。当两种不同材料的物体接触后又迅速分开时，电子来不及跑回原材料，则电子化学势高的材料将荷正电，反之荷负电，这即静电产生的原因。82,若接触物体理想地分离，即无任何电子在分离瞬间越过接触面
4、而复合，则在分开过程中 QCV常数Av 若电偶层厚度为10-8cm（1 ），接触电势为 0.01V时，则分离1cm，静电势可达106V；实际上静电势远小于此值，因为两物体分开时，总有些电子要越过接触面而复合，所以残存的电荷量取决于分开速度。9二 摩擦生电的电势1,两种物体摩擦时，接触点增加，接触面积大，接触和分离几乎同时进行，分离速度快，残存的电荷量多，所以，产生的电势高。2,两种不同组合的材料，摩擦后产生静电势的高低是不同的，各种材料，按其相互摩擦后产生的电势高低可以排成次序:摩擦生电主要发生在绝缘体之间，由于绝缘体不能把所产生的电荷迅速分布到物体整个表面，或迅速传给它所接触的物体，所以能产
5、生相当高的静电势；10 常见材料磨擦生电顺序表v 排在前面的材料与排在后面的材料相互摩擦时，前者带正电，后者带负电；v同种材料与不同材料相互摩擦时，所带电荷的极性可能不同，如玻璃棒与棉相摩擦，玻棒带正电，棉带负电；而棉和硅片相摩擦，则棉带正电，硅片带负电。112 感应产生静电 当一个导体靠近带电体时，会受到该带电体形成的静电场的作用，在靠近带电体的导体表面感应出异种电荷，远离带电体的表面出现同种电荷。尽管这时导体所带净电荷量仍为零，但出现了局部带电区域，这一过程称为感应生电；v 显然，非导体不能通过感应产生静电。v 静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓度密切相关：在相对湿度高的场合静电
6、势较低；在相对湿度低的场合静电势就高。空气纯净的场所内，由于离子浓度低，所以静电更易产生。12一，构成对半导体器件损伤的各种静电源 对半导体电路产生影响的静电源主要有绝缘体、人造材料和人体，其中人体是最重要的静电源。1 人体是最重要的静电源v 人体接触面广，活动范围大，很容易与带有静电荷的物体接触或摩擦而带电；同时也有许多机会将人体自身所带的电荷转移到电路上或者通过电路放电；v 人体与地之间的电容较小，少量的静电荷转移到人体上，可导致很高的静电势(Q=CV)；v 人体的电阻较低，处于静电场中容易感应起电；3.3.2 静电源13在各种活动中人体的静电势v 人体静电与人体所接触的环境及活动方式有关
7、14操作者手上的静电势v 可见，人体静电与人的操作速度有关，操作速度越快，人体静电势越高；15质地不同工作服和内衣摩擦时人体的静电势(KV)v 可见，人体静电与所着衣物和鞋帽的材料有关，一般化纤和塑料制品较之棉制品更容易产生静电。16 2，电子元器件操作环境的静电源 173，器件本身也是一个静电源 双列直插式陶瓷封装器件本身带的静电4，带静电尘埃的污染183.3.3 静电放电（ESD）(a)静电荷的产生一，静电放电过程用RC回路模拟图a，设想一电源对100pf电容充电到1000V，其所含电量QCV=10-7C,存储能量:ECV25019 图b，断开电源后，由于介质漏电及向空气中放电，将使静电荷
8、逐渐减少到完全消失。若Ra与Rg并联后在1013数量级，则放电时间:RC103S17min,不易对器件造成静电损伤。(b)静电荷的存储和泄漏20 图c，若C通过100电阻放电，放电时间常数 10ns，则在5倍的时间常数，即50ns内99.3%的电量要泄放掉，其峰值电流Ip可达10 A,在电阻上瞬时功率为:222/()t RCpp ti RRI e(c)通过电阻R放电若 R=100,Ip=10A,则 Pav=1000 w2522/10021(1)510/10RCpt RCavppRIPRI edteRCRI在五倍时间常数内的平均功率为:213.3.4静电损伤模型一，静电损伤的失效机理 取决于放电
9、瞬间器件接地状况：1,热效应：器件某一引出端对地短路，则在放电瞬间产生电流脉冲，大电流产生的焦耳热导致器件局部金属化熔化或芯片出现热斑以致诱发二次击穿等。2,电效应：器件与地不接触，没有直接对地的放电通路,而是将存储电荷传到器件，放电瞬间产生过电压,导致介质击穿。22二，导致半导体器件静电损伤的几种静电源 1,与带电人体或其他物体接触，将存储于人体或其他物体的电荷传递给器件，或者通过器件到地放电。2,器件本身作为电容器的一个极板而存储电荷，当某一电极与地接触时，放电脉冲可以引起器件失效。3,器件处在某一静电场中，有时在器件内部（如跨越SiO2层）所感应的静电势差可以引起器件的击穿。23三,几种
10、静电放电模型1,荷电人体的静电放电模型 带有静电势Vp的人体可用集总元件电容Cp,电阻R串联表示。于是人体带电量可表示为:Qp=CpVp 式中，Cp取决于人体与地的接近程度，一般为50-250pf；R为人体与被放电器件间的接触电阻,为102-105，取决于接触压力和人体皮肤的湿度;静电势Vp一般为102-104V，与人体相互摩擦生电的材料种类及空气湿度有关。24峰值电流：pDppDCVVIRRR时间常数：()ppDCpRRRC放电电流：/()ptpI tI e 过电流的热效应模型 带电人体的等效电路 人体通过pn结放电等效电路 若忽略pn结的电容效应，可得放电的：25 501()5PaVPPP
11、 t dt55/2/2001()5PPPPttDPDPPV I edtR I edt22510(1)(1)510510DPDPDPDPV IR IV IR Ieea Va VeffPpA,器件内功率密度:式中,PaV为器件平均功耗;Aeff为器件放电时的有效放电面积。,在五倍放电时间内器件的平均功耗:/2/2()PPttD PD PP tV I eR I e,器件所承受的瞬间功率:26v一般，Aeff小于整个PN结面积，对于双极型Si平面晶体管ESD电流往往是eb结反向电流，这时,Aeff=LeffXjc 式中,Leff为发射区有效长度，Xjc为基区结深。这时，ESD通路电阻EDDBeffdR
12、RLvESD电流在有效Aeff范围放电面积内必然产生焦耳热,引起结温升,形成不稳定的热斑,甚至热奔。式中，RDB为外基区方块电阻，dE为发射区至基区引线孔之间的距离。27v 器件在单脉冲功率冲击下失效的阈值功率密度Wunsch和Bell从一维线性热流理论出发，得到如下半经验公式：2829思路：求Vp EDDBeffdRRL先求RDpav=480 t-1/2 t=5p p=(Rp+RD+RC)Cp Pavpav Pav=pavAeff2510DPPPavV IR Ip IpPavpDppDCVVIRRRVpIp303132333435(2)过电压的场击穿模型 I,器件不接地，则荷带静电的人体不是
13、通过器件对地放电产生过电流，而是人体将电荷传给器件，使其产生过电压，导致介质击穿或极间表面击穿，致使器件损伤。对于MOS器件及某些带有MOS电容内补偿的运算放大器，这种损伤尤为突出。36 ii,最简单的保护网络为栅源衬底相连的场效应晶体管。a.FET的输入保护示意图;b.保护器件PD-栅、源、衬底相连的FET示意图；c.带有保护网络的MOSFET的ESD的场模型等效电路。37Iii,当输入信号电平低于其阈值电压，该保护网络视为开路，MOS器件正常工作，这时人体ESD的场模型等效电路简化为：人体对MOS器件放电的场模型等效电路38v采用拉普拉斯变换法，得到器件两端电压(/2)(/2)2pZ tZ
14、 tDV aVeeZ（VD Vpr)(1)ptDV aVepiigspgsgspipC CCCC CC C C R（3.46)1ipaC R2/4ZpgsgspipiCCC C C R RpiipgspigsipgsigspipiC C RC C RCC RC C RC C C R R式中,MOS FET的输入电阻Ri很大,可视为开路,即Ri3940 图中，CD为器件管壳对地电容，VD和RD分别为器件的结压降和串联电阻，RC为接触电阻，V为管壳所带的静电势，这时 ()DDCDRRC时间常数:DpDCVVIRR峰值电流:荷电器件ESD模型/()DtpI tI e放电电流:2 荷电器件的静电放电模
15、型v双极型器件放电等效电路:4142433 场感应静电放电模型 I,对于一个无任何外引线的 MOS电容，其置于一个静电场中时，氧化层介质有感应电场,但由于SiO2或Si的介电常数比空气大，其内电场强度势必比器件外部空气中的场强低,一般SiO2不会发生击穿。ii,由于MOS器件有栅电极和栅极的内外引线，在静电场中相当于一根天线，其大大增强了氧化层中的电场，这个增强了的电场就可能使栅氧化层击穿，使器件失效。443.3.3 静电损伤的失效模式v 其一是突发性的完全失效v 其二是潜在性失效一 突发性完全失效 1,突发性完全失效是器件的一个或多个参数突然发生了飞跃式的变化，完全失去预定功能作用的一种失效
16、。2,失效原因：ESD引起的过电流产生的热效应,也可以是过电压产生的场效应。4546 ESD引起过电流损伤的规律。n沟MOS管ESD损伤示意图,pn结窗口边缘Si-SiO2界面处或接触窗口边缘处易发生；47II,对于肖特基势垒二极管和浅结的微波二极管静电损伤都集中在势垒区边缘SiSiO2界面处;TTL晶体管ESD后损伤部位示意图48III,对于某些金属化覆盖的薄氧化层（3000A)器件，其突发性完全失效往往表现为过电压引起的薄氧化层的击穿。损伤主要集中在栅漏交叠处栅氧化层的边缘。v 金属化与源、漏扩散区边缘重叠，电场集中;该处也是薄厚氧化层（二次不同生长速率氧化）交接的台阶处，应力集中，击穿强
17、度降低,极易发生ESD损伤。49IV,对于铝栅器件，击穿后，AlSiO2发生放热界面反应，Al很快浸透SiO2，造成栅漏严重漏电，甚至短路。CMOS硅栅器件的二种ESD失效模式v 对n沟器件出现严重漏电或短路;v 对p沟器件栅漏呈现二极管特性。V,多晶硅栅器件，ESD损伤后也往往是栅漏交叠处氧化层边缘击穿。50 二、潜在性失效 当带电体的静电势或其贮存的能量较低,或ESD回路有限流电阻存在，一次ESD后不足以引起器件突发性的完全失效，但实验发现静电损伤是有累积性的，它不仅影响成品率，也影响整机寿命。950V重复的ESD引起的器件蜕变513.3.4 静电敏感性一、半导体器件对ESD的敏感性实质上
18、就是器件抗过电应力（electrical overstress)的能力，一般用ESD损伤阈值电压表征。1、ESD损伤阈值电压定义：导致器件突发性完全失效的最低的静电放电的单脉冲电压。v 这种定义在理论上是严格的，但是不易测量;v 不严格的定义为“导致器件失效的ESD电压”，根据这个定义，在实际测定中，再具体规定器件的失效判据，重复脉冲次数等，于是出现了多种不同的测定和实验方法。522、综合多方面的研究结果得到不同器件的ESD敏感性范围53二、ESD敏感程度的分类 I类:甚敏感的（very sensitive)0-100V 无保护网络的MOS器件、带有无保护电容器的运算放大器、结型场效应晶体管、
19、薄膜电阻、无保护网络的微处理器及其他LSI等；II类：敏感的（sensitive)1000-4000V 肖特基二极管、精密电阻网络、ECL电路、某些TTL电路、某些运算放大器以及对10004000V无保护的LSI等；54 III类:中等敏感的（moderately sensitive)4000-15000V 小功率斩波电阻器、片状电阻器、额定值小于5W的硅功率晶体管、所有其他LSI和压电晶体等。v 这三类敏感程度分法无一统一标准，共同点是无任何保护的MOS器件对ESD最为敏感，而加保护网络后便可由I类降为II类，即器件的静电敏感性可因保护网络而钝化。55对ESD敏感的元器件失效机理和失效模式5
20、6573.3.5 静电保护 MOS器件等效为一个电容器一、MOS器件的栅保护v 基本方法：在栅极外引线与栅极氧化膜之间加一输入保护网络；v 设计要求：具备低的触发电压 保证基本的器件在被保护器件达到二次击穿前开启；具有一定的钳位能力使压焊点的ESD电压低于被保护器件和保护器件的二次击穿电压；582 保护网络种类（1）二极管保护v当V0低于二极管的击穿电压时，二极管反偏，对MOS器件工作没影响；v当V0大于二极管的击穿电压时，二极管反向击穿，击穿后的动态电阻RD极小，呈理想的吸放回路；当RD0时，Vmos击穿电压BVD,与输入电压V0无关；实际上RD总是存在的，这时，0()DmosSDRVBDV
21、VBDVRRV0BDV式中，Rs为静电源内阻,BDV为二极管击穿电压59 利用二极管的反向击穿特性，使来自静电源 的过电压（V0）箝位。(a).等效电路 (b).Vmos与V0的关系60（2）扩散电阻保护法 在输入端和栅氧化膜之间加一2-5K的扩散电阻，提供一分布网络分布电阻二极管网络 图中rs为单位长度的串联电阻，rd为单位长度的动态电阻 扩散电阻保护(a)等效电路；(b)Vmos与V0的关系61 这时，加于MOS器件上的电压为：10()cosh(/)sdmossdrssdr rVBDVVBDVrrxRr rV0BDV式中 是分布电阻网络的输入阻抗，xr是电阻长度。sdr r 由上分析可得：
22、Vomax=y(Vmosmax-BDV）+BDVv 即能够保护的最大静电势和MOS器件所能承受的最大栅压与保护器件击穿电压的差值近似成正比；v 比例常数y与保护方法有关，一般采用扩散电阻保护时其值最大，故保护方法最佳；v 扩散电阻法的缺点是不能用于某些高电容输入的MOS器件中去，其会影响器件的频率特性。62（3）场效应晶体管保护 输入保护网络采用MOS晶体管本身 利用源-漏穿通电压保护。40-50V高阈值电压的P沟MOS器件，当静电压达到或超过此值时，保护的MOS器件导通；栅-源短路的MOS器件保护方法，利用漏极表面的击穿特性箝位静电势和泄放电能；63v上述三种保护方式中，以扩散电阻效果最好；
23、因此，实际应用中往往是二极管或MOS晶体管与扩散电阻的结合；v为对正、负极性的静电势均有防护作用，有时也采用“背-背”的二极管或“背-背”扩散电阻。64二、双极型器件的静电防护 （1）分立器件一般不加保护网络，仅在设计时在满足电性能指标要求的前提下增大设计图形的尺寸。（2）双极型电路设计原则与分立器件相同，在芯片内部也可加一些防电压浪涌的保护二极管。VESD与发射区面积的关系 VESD与发射区周长的关系65三、其他的防静电措施 1.对各种可能产生静电的物体和人提供放电通路;2.去除可能产生静电的材料;3.器件存贮时要保持一定的温度和湿度：T:5-30摄氏度，相对湿度：40-60%;4.MOS器
24、件最好用金属铝箔将外引线短路，包装用金属盒或半导体塑料盒;5.从整机使用环境分析，消除可能引起ESD损伤的静电源;6.优化电路设计，合理选择器件类型;7.合理选用器件工作状态;8.在不影响电路性能前提下，可外接电阻或RC网络以提高VESD。66四.可靠性设计和工艺控制建议 1.输入保护电路尽可能靠近压点，这样可避免ESD产生电弧，有利于提高电路抗ESD损伤能力；2.输入保护电路中的金属布线宽度应足够大,间距不能太窄；3.保护电路中的电阻应避免90拐弯，以减小拐弯处的局部电场强度；4.保护电路中NMOS管和PMOS管作二极管使用时，应适当增大结面积；5.工艺上，在氧化层和金属化层的生长过程中，需
25、特别注意对应力的控制和处理，以减少芯片中残余的应力；6.保证栅氧化层的生长质量，尽量降低钠离子沾污，以保证栅氧化层的完整性，提高其击穿电压，达到抗静电效果；673.4 辐射效应对材料和器件的影响 辐射主要来源有两类：v 一类是核爆炸产生的快中子流，射线（光子）、射线（高速电子）等；v 另一类是由宇宙空间辐射来的高能带电粒子宇宙射线。683.4.1 辐射效应 定义：材料或器件在受到核辐射后，性能发生变化的现象称为辐射效应。辐射效应 位移效应、电离效应和单粒子效应一、位移辐射效应 1、定义：辐射粒子与晶体中的原子发生碰撞，使晶格中的原子位移变成间隙原子，而在原来位置上留下空位，从而形成空位-间隙原
26、子对（Frenkel缺陷），这种现象称为位移辐射效应。2、辐射造成的位移损伤缺陷以中子辐射影响最大。69v中子因不带电，不受原子核电场的影响，穿透力很强；连同带电粒子和射线与原子核之间发生的弹性碰撞，把部分能量传递给原子，使之获得足够的能量离开原来的位置，产生位移效应。在此过程中，中子本身亦受到散射，速度和方向都有改变，散射后的中子和反冲原子在运动中，还可能级联式地和邻近原子碰撞，引起一连串的位移，直到所有有关原子的能量小于位移阈值为止。这种位移通常可涉及到几十甚至几百个原子，造成复杂的缺陷群。中子能量越大，形成的缺陷和缺陷群的密度也越大。70 3、危害：破坏了材料的晶格结构及其周期势场，在禁
27、带中引入许多新的电子能级。其可以作为复合中心、少子陷阱(俘获中心)或散射中心，从而对半导体材料产生很大影响：（1）散射中心使载流子迁移率下降；（2）少子陷阱或复合中心的存在，使少子寿命下降；（3）空位间隙原子对在禁带中形成的电子能级可充当多 子的复合中心，使多子减少载流子去除效应；（4）造成半导体器件特性退化乃至失效。例如,使双极型晶体管电流放大系数下降；饱和压降上升以及截止频率下降等。71二、电离辐射效应 1 定义：当辐射粒子与晶体中的电子相互作用时，把能量传给电子，使电子脱离原来运动的轨道，成为自由电子，而原子则变为带正电的离子，这一过程称为电离辐射效应。2 电离辐射效应的实质是产生电子空
28、穴对，有时甚至还产生二次电子和三次电子使材料的电导率升高。723 影响硅器件性能的几个机理：（1）氧化层中被俘获正电荷的积累；（2）Si-SiO2界面，表面态密度的增加；（3）随着电子-空穴对的产生，在反偏PN结附近产生伴随的瞬时光电流光电效应。v 光电效应是指能量小于0.1Mev的电磁辐射与原子作用时，将其全部能量转移给束缚电子，使其脱离轨道，成为自由电子的过程。包括将体内电子从价带激发到导带的内光电效应(产生电子空穴对)和把电子激发到晶体外部的外光电效应。734 主要影响（1）前二个机理导致MOS器件产生永久性辐射效应开启电压、跨导等发生变化；（2）产生的光电流，除非它足够大，以至于烧断引
29、线而造成永久性失效，否则，这种光电流的影响将随着辐射的消失而自行消失，这种效应称为暂时性辐射效应。74三 单粒子效应v 射线、高能中子束和宇宙射线中的高能重粒子作用产生的结果 单粒子效应v 使DRAM的存储单元产生可以恢复的失效（或误差）软误差75四 辐射强度的单位及相关参数1 辐射吸收剂量v 辐射吸收计量是指在辐射环境下，材料单位质量所吸收的能量，单位为 Gy(戈瑞)国际单位制(SI)：表达式为 m2s-2 与SI单位并用的另一单位：rad(拉德)，其中 1rad吸收能量100erg(尔格)/g(克)1Gy100 radv材料不同吸收计量也不同，所以吸收计量需注明是什么材料，例如Gy(Si)
30、或rad(Si);762 中子辐射积分通量n 它表明了材料及器件受到位移效应影响的大小,由单位面积照射的中子数表示为中子/cm2;3 剂量率 它表明了单位时间内材料或器件从高能辐射环境中吸收的能量，其单位为GyS-1或radS-1;4 总剂量率 它是材料或器件从高能辐射环境中吸收的能量,单位为Gy(Si)或rad(Si);777879v 由表可见，各种半导体器件受核辐射损伤的效应大致规律。v 辐射强度量的概念：一般晶体管的中子损伤容限约为1013cm-2,相当于百万吨TNT当量级在100Km高空核爆炸距爆心30Km处的中子注量;2 而射线造成的损伤容限为104-105Gy,相当于百万吨TNT当
31、量级在100Km高空核爆炸距爆心1Km之内的破坏半径;比较两者造成的后果,核爆炸造成的永久损伤主要考虑中子效应。803.4.2 双极型半导体器件的辐射效应一、二极管的辐射效应 1、电离辐射效应（1）辐射均能在材料中引发电离效应，所产生的电子-空穴对在浓度梯度和电场的作用下，在器件和电路中形成光电流。（2）由辐射感生的载流子数量(光电流大小),与辐射类型无关,仅取决于电离过程中的能量吸收率。v Si中辐射感生载流子的产生率：134 10gg式中,g0为载流子生成常数,对Si:g0=41013cm-3rad-1;为能量吸收率，或称剂量率，单位是radS-1。81(3)二极管的光电流是在电离脉冲作用
32、下，PN结空间电荷区的感生载流子和结两侧几个扩散长度内的载流子在强电场作用下被PN结收集而形成的。v二极管的光电流与辐射剂量及二极管的体积有关；v辐射的结果，二极管的总剂量效应表现为：反向漏电流增大；正向压降和表面状态变化；v大多数二极管总剂量效应的阈值为104rad(Si),实际可以允许到105106rad(Si)；隧道二极管则可达106rad(Si)；82v 正向电阻增大载流子去除效应和迁移率减小；v 反偏时，击穿电压升高电阻率增大；v 反偏时，漏电流增大复合速率的提高及表面损伤。v 发生这些变化的中子通量在10121014中子/cm2中子辐照对二极管V-I特性的影响2 中子位移损伤效应（
33、1）在中子辐照下，PN结二极管的I-V特性发生变化83（2）稳压管具有较强的抗辐射能力v 掺杂浓度高，故载流子去除效应很小；v 轻掺杂区少子寿命较其他二极管短。（3）变容二极管由于载流子去除效应和少数载流子寿命的下降，使它介质损耗因子增大，电容量减小；其中子通量阈值略高于1013中子/cm2。（4）隧道二极管由于其掺杂浓度大于1019以上，费米能级进入导带和价带，能带简并。它的抗辐射能力要比普通二极管高一个数量级，总剂量阈值可达108rad(Si)以上；中子通量阈值为51014中子/cm2。84v 永久性中子损伤使隧道二极管I-V特性曲线的负阻性能变坏；峰值电流减小，谷值电流增大。中子辐照对隧
34、道二极管特性的影响85二、晶体管的辐射效应 1、电离辐射效应（1）电离辐射在晶体管内引起可观的光电流v 在电离辐照下，一次光电流可在晶体管发射区、eb结空间电荷区、基区、bc结空间电荷区和集电区等五个区域产生；v 每部分光电流的大小都正比于产生区的体积；v 大的光电流可以使晶体管的工作状态发生变化：使集电极电流Ic超出线性放大区；严重时可使电流过载乃至晶体管烧毁；使数字电路造成逻辑错误或电路闭锁。86（2）电离辐射使晶体管电流增益下降、漏电流增大：凡此种种都使晶体管表面状态、载流子表面复合速度和表面导电性能发生变化,严重时使P型基区表面反型,形成导电沟道等。可见,电离辐射必然导致电流增益hFE
35、下降和漏电流增大。目前一般的总剂量阈值为105106rad(Si)；v 在电离辐照下，管壳内部气体电离，引起管芯氧化层表面可动正离子积累；v 辐照使氧化层本身电离，产生电子空穴对，迁移率大的电子被电场扫出氧化层，留下来的空穴被晶格俘获，在Si-SiO2界面附近建立正空间电荷；v 引入新的界面态。872、中子位移损伤效应 晶体管的辐射损伤主要是由位移损伤效应引起的；（1）在半导体内造成的位移损伤使少子寿命下降，基区复合电流增大，从而导致晶体管电流增益hFE的降低；v 一般晶体管,在中子通量为1012中子/厘米2时hFE开始迅速下降；达1015中子/厘米2时,晶体管将失去电流放大能力；88（2）使
36、饱和压降Vces增大；饱和压降与中子通量的关系 89 （4）使晶体管上升时间增大，存储时间及下降时间减少；中子损伤是永久性的，经适当的退火可使器件参数恢复。漏电流与中子通量的关系（3）使漏电流增大；90913.4.3 双极型集成电路的辐射效应1.在辐照下，由于载流子的去除效应，扩散电阻随着中子通量的增大而增大；2.在中子辐照下，由于载流子的去除效应和少子寿命的下降，介质的损耗因子增大，电容量下降；3.辐照可以增加发射结空间电荷区的产生复合中心，使基区少子寿命缩短，从而使晶体管hFE降低；集电结复合中心的增加会使输出漏电流增大导致数字电路扇出的减少，输出低电平随辐射增大等；92 一般采用双扩散外
37、延工艺做作的集成电路，无论是逻辑电路还是模拟电路，在中子密度小于51013/cm2下均能正常工作，这一结论适合于DTL、TTL和小功率STTL等4.使所有反偏PN结的耗尽层中产生光电流；大面积的PN隔离结是主要的附加光电流响应源在电源形成浪涌电流，易造成系统的逻辑错误和永久性损伤等；5.大剂量射线辐照，将产生强大的瞬时光电流,大电流密度下发生的电迁移有可能导致铝断线。933.4.4 双极型器件的核加固 抗辐射加固是指对材料和器件采取适当的技术措施，使其能在一定的辐射环境下可靠地工作；94一、双极型晶体管的核加固主要从设计和工艺两方面进行FE1)Hnk 式中,K为晶体管中子损伤常数,B 为基区渡
38、越时间。v显然(1/HFE)正比于B；而BWB2,所以,减小WB对提高晶体管抗中子辐照能力有重要作用。1、减小产生辐射效应的体积 （1）经研究,电流增益hEF衰减与快中子通量n间的关系为：95 (2).小的基区宽度WB，小的几何图形（如小的e和c面积）、浅结（小的扩散电容）、突变型e区杂质分布（用离子注入或用AS扩散替代P扩散）对减小电离辐射体积、降低辐射灵敏度有利；双极型晶体管的辐射损伤阈值96 (3).晶体管工作点IC选择在hFE随IC变化的峰值附近，大电流下比小电流下工作更耐辐射；2.降低少数载流子寿命以减弱中子辐照对寿命的影响；3.改善表面态，实施表面钝化；4.在保证击穿电压的前提下，降低集电区电阻率以降低饱和压降VCES；。5.采用真空封装和加保护层；6.辐射筛选；97二、双极型集成电路的核加固 除采用上述分立器件的种种加固措施外，还必须采用：1 介质隔离取代PN结隔离；2 用金属薄膜电阻取代扩散电阻；3 充分利用集成技术，改进电路设计：采用各种类型的补偿、分流和限流电路，来减小光电流和中子损伤的影响。98 （2）基极发射极阻 抗补偿电路（1）集电极阻抗补偿 电路99（3）达林顿复合电路既能补偿中子辐照引起的增益 下降，又能利用T3的bc结分流T1和T2的光电流；达林顿复合补偿电路
