第04章核辐射失效及抗核加固

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1、第四章 核辐射失效及抗核加固1*核辐射环境由于核武器技术 /空间技术和核动力的发展，大量的电子设备和系统必然要处于在核武器爆 炸和其它核环境下工作。 核辐射环境对于电子系统来说是目前存在的最恶劣环境。 核武器爆炸时， 除了产生大火球和蘑菇云外， 还会产生具有巨大破坏作用的冲击波 /光热辐射 /放射性沉降物 /核辐 射和核电磁脉冲等。其中，核辐射和核电磁脉冲对电子和电力系统/ 电子元器件的破坏作用最为严重。电子元器件所受的辐射损伤可以分为永久损伤/半永久损伤和瞬时损伤等几种情况。永久损伤就是在辐射源去除后， 元器件仍丧失工作性能不能恢复性能效应； 半永久损伤是辐射源去除后， 在不太长的时间内元器

2、件可逐渐地自行恢复性能； 瞬时损伤效应是指在辐射源消失后， 元器件的 工作性能能立即得到恢复。人造地球卫星和宇宙飞船在空间飞行时， 将受到空间各种高能粒子的轰击。 空间辐射的主要 来源是天然辐射带和高空核爆炸造成的人工辐射带。天然辐射带又称为范艾伦辐射带， 它是由于地球附近存在着大量的带电粒子， 在地磁场作用下它们始终在地磁场的 “捕获区” 内运动而构成。 天然辐射带象一条很宽很厚的带子围绕在地球周围，其主要成分是质子和电子。 它又分内辐射和外辐射两部分。内带位于 160 800Km 的高度间，由能量小于 500MeV 的质子和和能量小于1MeV 的低能电子组成。外带位于 800 3200Km

3、 的高度间，主要是由能量为 0.4KeV 到 1.6KeV的电子组成。 范艾伦带的电子和质子构成了空间飞行器的主要威胁， 飞行器外表面的太阳能电池 和内部的晶体管 /集成电路等将受到损伤。中 /低轨道的卫星主要是受内辐射带中质子和电子的影 响；高轨道卫星则主要是受到外辐射带中的电子和太阳质子事件粒子的影响。高空核爆炸产生的大量的高能粒子， 在地磁场的作用下沿磁力线来回运动， 并逐渐扩散而形 成一个围绕地球的辐射带， 它称之为人工辐射带。 人工辐射带由高能电子组成， 它的强度比天然 辐射带强得多，对卫星和飞船的电子设备 /仪器仪表和电子元器件等都有较大的破坏作用。核反应堆和同位素电池等也会在其周

4、围产生一定程度的核辐射。 我们把这种环境称为核动力 环境。核反应堆周围的核辐射主要是中子和丫射线；其中中子引起的损伤比较严重。2*核辐照效应极其机理核武器爆炸时产生的中子和Y射线和核电磁脉冲，以及空间辐射中的电子 /质子和高能粒子，虽然都能造成电子器件和电子系统的损伤，但它们对不同器件的损伤机理却不相同。中子在半导体内产生位移效应，引起半导体器件的永久损伤；丫射线在半导体器件的表面钝化层内产生电离效应，引起半永久损伤；瞬时丫辐射在反偏的半导体PN结中产生瞬时光电流；核爆炸时产生的核电磁脉冲会在电子系统内部和外部产生很强的感应电流，它们将引起电子系统的瞬时干扰和永久损伤。 空间辐射中的高能电子能

5、引起电离效应； 质子能引起位移效应。 高能质 子/高能中子还能引起单粒子效应。一位移效应中子不带电， 它具有很强的穿透能力， 可以足够地靠近被照射材料原子的原子核。 当中子与 原子核发生弹性碰撞时， 晶格原子在碰撞中获得能量后离开了它原来的点阵位置，成为晶格中的间隙原子， 并在原来的位置上留下一个空位， 因而形成了一个空位 -间隙原子对。 通常将它们称 为弗兰克尔（Frenkel）缺陷。这种现象称为位移效应。硅晶格原子的位移阈值约为15eV。中子弹性碰撞产生的高能晶格原子又能使更多的晶格原缺陷群。由于位移效应破坏了半导体晶格的-子位移，从而在晶体内形成了局部损伤区 势能， 因而在禁带中形成了新

6、的电子能级； 它可以起复合中心和杂质补偿中心以及载流子散射中 心的作用，所以引起载流子浓度 /电导率和少数载流子寿命及迁移率等大大下降，直接影响半导 体特性。位移效应对半导体材料性能的影响有以下三方面：1减少半导体多数载流子的密度。由于孔穴- 间隙原子对在禁带中形成的新电子能级，可以充当多数载流子的复空中心， 从而引起了半导体中多数载流子的减少， 这种现象称为多子去除 效应。 把每平方厘米中的一个中子消除的自由多数载流子数目定义为载流子去除率， 用以衡量中 子对多数载流子的影响程度。 因为载流子的去除率与半导体的费米能级有关， 而费米能级主要取 决于杂质浓度，因此，去除率直接与掺杂浓度有关。载

7、流子去除效应将引起 N 型和 P 型硅趋向 于本征硅（即电阻率增大） 。这种效应是以多数载流子为导电机理的半导体器件特性衰退的主要 原因。位移效应和多子去除效应对双极器件的危害最大，它增大了发射结空间电荷区的产生 复合电流， 缩短了基区少子寿命， 从而引起电流放大系数下降， 饱和压降增大以及微波管的截止 频率下降等。2载流子迁移率的衰减。中子辐照引起多数载流子密度和迁移率降低。 3影响少数载流子寿命。少数载流子寿命是中子辐照引起半导体材料特性变化的最灵敏参 数，它是以少数载流子为导电机理的半导体器件对中子辐照特别灵敏的主要原102 中子注量辐照器件特性开始衰 /cm 个 10 因。处于低注入下

8、工作的双极型晶体管，经过 132 中子时则严重衰减。 个减，而在 10/cm 二电离效应当辐射粒子穿透物质并与原子轨道上的电子相互作用时，辐射粒子就会把能量传递给电子。 如果电子获得的能量大于它的结合能时， 电子将离开原来的轨道成为自由电子， 原子则变成带正 电荷的离子而成为空穴，产生电子- 空穴对，这一过程称为电离过程。1丫射线和X射线特别容易引起电离效应。电离效应在半导体内部产生的电子空穴对可以很快地复合，因而对半导体器件的影响并不大。但是，在器件表面钝化层中特别是MOS 器件的栅氧化物中， 因电离效应形成的正空间电荷则构成了电离陷阱，并使 SiO2 - Si 界面密度增加；电离效应在PN

9、结上能产生PN结瞬时光电流；丫射线还可以使管壳中的气体电离，在芯片表面 积累可动电荷，引起表面复合电流和沟道电流。2电离效应对 MOS 器件的危害最大，它会导致阈值电压漂移；对 MOS 电容器的 CV 曲 线，则引起曲线向负栅方向漂移并发生严重畸变。三瞬时辐射效应1瞬时丫脉冲辐射在反偏 PN结中将产生瞬时光电流。因为瞬时辐照在PN结空间电荷区内产生了大量的电子 -空穴对，它们在 PN 结内电场的作用下，产生了漂移运动。即电子被拉向 N区，空穴被拉向P区，从而形成了空间电荷区的光电流。这种光电流的方向是从 N区向P区，其大小与空间电荷区的宽度有关。 而空间电荷区又与反偏电压有关， 所以空间电荷区

10、光电流随反 偏压的大小而变化。瞬时辐照在空间电荷区附近的少数载流子扩散区内产生的大量电子-空穴对， 它们可以分别扩散到空间电荷区边界， 由漂移运动通过空间电荷区， 从而形成所谓扩散区光电流。 扩散区光电 流与空间电荷区光电流的方向相同， 它的大小与少数载流子的扩散长度有关， 而扩散长度与少数 载流子寿命有关，所以扩散区光电流随少数载流子寿命变化而变化。瞬时丫脉冲的宽度越大，产生的过量载流子越多，光电流也越大。因此，瞬时光电流的大小，直接与Y脉冲的剂量率 /脉冲宽度/PN结面积，少数载流子寿命和反偏压大小等因素有关。2瞬时辐照下，晶体管除了BC 结产生的初始光电流外，还产生二次光电流。在高剂量率

11、下，峰值光电流出现的突变现象，正是由二次光电流引起的。二次光电流的出现 是由于 BC 结光电流流进基区而提高于基区电位，它相当于在EB 结上加上了一个正向偏压，引起发射结注入电流增大， 因而使初始光电流得到了放大。 放大后又出现的光电流被称为二次光电 流。由于二次光电流大于初始光电流，从而使光电流偏离与剂量率的线性关系，出现突变。3瞬时辐照引起半导体器件发生栓锁是另一种瞬时辐照效应。这种效应仅发生在有PNPN四层结构的器件中，这种四层结构等效于互补的PNP 和 NPN 晶体管，它们相当于可控硅结构。体硅 CMOS 电路中因为存在着许多固有的四层结构，所以特别容易引起栓锁效应。在PN 结隔离的单

12、块集成电路中也同样存在着许多寄生PNPN 四层结构。 这种四层结构产生栓锁的条件是：（1）互补晶体管的电流增益乘积大于1或等于1,即B pnp* p npn12）两只互补晶体管的发射结同时保持正向偏置（与辐照有关）。3）电源能提供 NPNP 可控硅结构的维持电流。瞬时辐照在集成电路中产生的瞬时光电流，有可能触发寄生的四层可控硅结构发生6Gy （硅）/S电路，在10量级剂量率的瞬时辐照下就栓锁。例如，一般未加固的 四单粒子效应CMOS 会发生栓锁单粒子效应又叫单粒子扰动， 是最近几年发现的重要核辐射效应。这种效应是单个粒子作用的结果，故称之为单粒子效应。 单粒子效应使半导体器件产生的错误，称之为

13、软错误 （可以恢复）它是一种随机的非循环的单个错误。随着集成电路集成度的提高，元器件的尺寸进一步减小， 人们发现陶瓷管壳中存在微量放射性同位素产生的a粒子也能引起存储器瞬时损伤（如64K动态随机存储器） 。1. a粒子能引起单粒子效应。a粒子是氦核粒子（Z=2 ）, a粒子穿透硅片的深度与它的能量有关。一般从陶瓷管壳中产生的a粒子，能量为5MeV，穿透深度为25um , 6量级。a粒子在灵敏区内产生的大量电子 空穴对的数目为 10空穴对，由产生电子扩散和漂移运动分别被 P区和N区收集，这种由电荷引起的电流能使半导体器件产生软错误。a粒子能量不同引起的软 错误率也不同，能量在 4MeV左右的a粒

14、子引起的软错误率最大。a粒子的注入角度不同，引 起的软错误率也不同；其中 60*注入角引起的软错误最多，因为这样的注入角度在灵敏区内穿透 的路径最长。对于动态随机存储器，当a粒子穿透存储电容器时容易激发软错误，从而使“1”态反转成“0”态。因为a粒子穿透电容时产生电子一空穴对，在电荷聚集效应的作用下，电子被拉向电 容的电子阱，而空穴被拉向P型衬底。当存储器为“ 1”态时，由于电子阱中缺乏电子，大量电子被补充进去，从而使“ 1 ”态反转成“ 0”态。而存储器为“ 0”态时，因为电子阱内已充满电 子，所以不能反转。试验表明，a粒子对动态随机存储器的损伤不仅发生在存储电容上，而且主 要发生在N+位线

15、上。因为 N+区可以收集电子一空穴对中的电子，收集电子后改变了位线的电 位从而使存储单元读出和写入错误的数据。 试验还表明， 读出放大器也可以产生两种几率的软错 误。读岀放大器实际上是一个触发器，在a粒子的作用下可以从一种状态转换到另一种状态，并且两种状态相互转换的几率同时存在。2. 核爆炸产生的聚变中子和其它高能中子也能引起单粒子效应。高能中子通过硅原子的核 反应淀积能量。一个 14MeV 的中子与硅原子作用，产生下列四种主要核反应： 28282828Al ） n（，） Si 弹性散射， pSin Si （ n， 1314141428/282828Mg2）， Si非弹性散射，Si （ nnnSi（,） 14141414六种反应产物中，a粒子具有最大能量，又加上其阻塞能力比质子大，能在小体积 空穴对，因而对单粒子效应的贡献最大。-内产生大量的电子.3. 重核粒子，特别是宇宙射线中的核粒子，几乎对所有的大规模集成电路都能产生单粒子效应。重粒子穿入硅片，由于库仑力相互作用的结果，把能量传给电子。带有不同能量的二次电子，向不同方向发射， 约经过几微米的距离并产生大量电子 空穴对， 形成一个圆柱型电离区。如果这个电离区，位于半导体器件的灵敏区，就会引起单粒子效应。3*核辐射对半导体器件的影响提