第28卷 第12期 核 技 术 V ol. 28, No.12 2005年12月 NUCLEAR TECHNIQUES December 2005
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第一作者：陆 妩，女，1962年出生，主要从事微电子器件和电路的辐射效应、损伤机理及抗辐射加固技术研究，副研究员 收稿日期：2004-12-28，修回日期：2005-03-17
陆 妩 余学锋 任迪远 艾尔肯 郭 旗
（中国科学院新疆理化技术研究所 乌鲁木齐 830011）
摘要 对不同类型和型号的国产及进口双极晶体管的不同剂量率的辐照效应及退火特性进行了研究。结果表明：在辐照的剂量率范围内，无论是国产还是进口的双极晶体管，都有明显的低剂量率辐照损伤增强现象，且NPN 管比PNP 管的明显。文中对引起双极器件辐照损伤差异的机理进行了探讨。 关键词 双极晶体管，60Co γ 辐照，剂量率效应，退火 中图分类号 TN322＋ .8
1991年，Enlow 等人首次报道了某些双极器件在低剂量率下的辐照损伤比高剂量率的明显，这一现象的发现引起了国际航天领域的广泛重视。因为在空间辐射环境中，辐照总剂量的积累是一个比较缓慢的过程，其典型剂量率分布范围为10-4—10-2 rad(Si)/s 。而考虑到时间、经费等因素，实验室辐照试验根据美军标的要求，实际使用的典型辐照剂量率范围一般为50—300 rad(Si)/s 。低剂量率辐照损伤增强效应的发生，意味着用实验室测试评判方法得到的器件的抗辐照水平与在卫星、空间站等小剂量率辐照环境下使用的电子元器件的实际抗辐射能力严重不符，从而给卫星、空间站等电子系统的可靠性带来极大隐患。因此，近年来国际上投入了大量的人力物力进行了有关低剂量率辐照损伤增强效应的研究。
韩先良虽然国外已有许多双极器件在低剂量率下辐照损伤增强（Enhanced low dose rate sensitivity ，简称
ELDRS ）的报道[1-6]，
但国内在这一领域的研究起步较晚[7-9]。
ap劫由于这一效应与器件类型和生产工艺均有较大关系，即使是同一厂家的不同器件或不同厂家的相同器件对低剂量率的辐照响应都会有较大区别。因此，为了研究国内生产的双极器件是否具有ELDRS ，以及国内外生产的双极器件的辐射损伤差异，我们特选用了航天领域广泛使用的典型双极晶体管进行不同剂量率的辐照效应和退火特性的研究，发现低剂量率辐照损伤增强现象不仅存在，有些器件还相
当明显。 1 实验样品和实验方法
实验样品为国产的双极晶体管3DG111（NPN ）、3CG110（PNP ）、3DG120（NPN ）、3CG120（PNP ）
电脑切换器及进口双极晶体管2N2222A （NPN ）、2N2907
（PNP ）。辐照源分别为本所2.59×1015
Bq 的60Co γ源和3.7×1013 Bq 的小钴源。在辐照期间，对不同类型的晶体管均加反向偏置，即NPN 管发射结电压为 －2V ；PNP 管发射结电压为+2V 。辐照结束后，保持与辐照时相同的偏置状态，对不同类型的器件分别进行与低剂量率的总辐照时间相对应的室温退火试验。
为保证每一次辐照试验数据的准确可靠，在辐照期间，当采用每一剂量率进行辐照时，在每一辐照偏置板上还配备了相应的热释光剂量片，以确定和验证实际的辐照总剂量及剂量率。并且，每次辐照都将试验样品屏蔽在用美军标制作的Pb/Al 屏蔽盒内，以屏蔽低能散射，防止剂量增强效应的发生。
双极晶体管采用HP4142B 测试仪测试，测试参
数为双极晶体管的基极电流（I b ）led天花灯说明书
、集电极电流（I c ）、电流增益（β = I c / I b ）
，上述所有参数测试在器件辐照及退火后的20 min 之内完成。 2 实验结果和讨论
对国内外不同厂家生产的双极晶体管的不同剂量率的辐照效应研究表明：虽然各厂家的生产工艺不同，但无论是何种器件，在低剂量率辐照情况下，其辐照损伤均明显大于美军标规定的剂量率辐照所造成的影响，只是其损伤程度有明显差异而已。为了能直观地了解双极晶体管的辐照变化，以NPN 管为例，给出了其典型的变化结果。
如图1（a ）、（b ）为典型的国产NPN 晶体管在经100、10、1、0.01、0.002 rad(Si)/s 不同剂量率辐照后，其晶体管增益h fe 随辐照总剂量及辐照后在室
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温下随时间变化的退火规律。由图1（a）可看出，随辐照剂量的增加，NPN晶体管在经不同剂量率辐照后，其h fe都有了明显的减小，但相对来说，较低剂量率辐照的样品，衰降的幅度和速率显得更大，而100 rad(Si)/s和10 rad(Si)/s之间则没有明显的区别。仔细观察还可发现，虽然0.002 rad(Si)/s辐照剂量率已非常之低，但NPN晶体管的增益减小仍没有出现饱和的趋势，在辐照至1×105 rad(Si)的总剂量时仍在继续下降，与初始值相比，其晶体管的h fe 已减小了60%左右。
辐照后的退火特性显示，各剂量率辐照下，在经1×105 min以上的室温退火后，其增益减小均无明显恢复，表明其低剂量率辐照下的损伤增大，是真正意义上的低剂量率辐照损伤增强效应，而不是时间相关效应。
图2（a）、（b）为进口的NPN双极晶体管在经100、10、1、0.01、0.002 rad(Si)/s不同剂量率辐照后，其晶体管增益h fe随辐照总剂量及辐照后在室温下随时间变化的退火关系。由图2（a）可看出，与国产晶体管的辐照特性相类似，随着辐照剂量的增加，进口NPN管在经不同剂量率辐照后，其电流增益h fe 也都有了明显的减小，但相对来说，各种剂量率辐照下的损伤都比国产的明显，且较低剂量率辐照下，其增益下降的幅度和速率也明显较大。比较图1（a）和图2（a）还可发现，虽然二种型号的晶体管都有明显的低剂量率辐照损伤增强现象，但相对而言，进口NPN管在用0.01 rad(Si)/s辐照到总剂量8×104 rad(Si)以后即已出现饱和趋势，而国产NPN 管在更低剂量率辐照下，其增益还在继续下降。
图2（b）辐照后的退火特性显示，进口NPN 管在经2×104 min的退火后，其辐照损伤也没有明显的恢复，也即存在明显的低剂量率辐照损伤增强效应。
比较图1和图2的实验结果可以看出，在实验的剂量率范围内，无论是国产的还是进口的双极晶体管，都有较明显的低剂量率辐照损伤增强效应，也即剂量率越低，损伤越大。但相对而言，国产晶体管的
辐射敏感性要小于进口器件。研究还发现，PNP管也有与NPN管类似的变化规律，只是其辐照损伤较NPN管的要小。
为了对各种受试器件的不同剂量率的辐照响应规律有一个较完整的了解，我们将各种型号的实验结果作了总结和归纳，结果如表1所示。需说明的是，表中的损伤增强因子是以美军标100 rad(Si)/s 的辐照结果为参照，分别用剂量率0.01 rad(Si)/s、0.0064 rad(Si)/s、0.002 rad(Si)/s辐照到相同的总剂量的值来与之比对的。
图1 3DG111G晶体管的增益h fe随不同剂量率辐照及退火时间的变化Fig. 1 The h fe of 3DG111 versus total dose and post irradiation ageing time
图2 2N2222A晶体管的增益h fe随不同剂量率辐照及退火时间的变化Fig. 2 The h fe of 2N2222A versus total dose and post irradiation ageing time
第12期陆妩等：双极晶体管不同剂量率的辐射效应和退火特性 927
表1不同型号双极晶体管的不同剂量率辐照结果
Table 1 Summary of the BJTs used in this study
器件类型Type 器件型号
Device
失效模式
Model of failure
ELDRS EF1
EF2
EF3
NPN 3DG111 增益下降Current gain decrease 有Exist 2.8
－ 4.1 PNP 3DG110 增益下降Current gain decrease 有Exist 2.0
－ 2.5 NPN 3DG120 增益下降Current gain decrease 有Exist 1.5
1.2
－PNP 3DG120 增益下降Current gain decrease 有Exist 1.2
2.4
－NPN 2N2222 增益下降Current gain decrease 有Exist 1.4
－ 1.36 PNP 2N2907 增益下降Current gain decrease 有Exist 1.2
－ 1.34 注：增强因子Enhancement factors (EF)1、2、3分别代表0.01rad(Si)/s、0.0064 rad(Si)/s、0.002rad(Si)/s和美军标剂量率100 rad(Si)/s辐照到1×105rad(Si)相同总剂量时比对的增长倍数。
Enhancement factors EF1, EF2, EF3 refer to the damage ratios of 0.01 rad(Si)/s, 0.0064 rad(Si)/s, 0.002 rad(Si)/s, respectively,
to 100 rad(Si)/s at 1×105 rad(Si).
从表1中可明显看出，受试的双极晶体管均有低剂量率辐照损伤增强现象，只是其损伤增强因子大小不同而已。仔细观察还可发现，并不是所有器件都是剂量率越低，辐照损伤越大。对某些器件而言，更低的剂量率辐照会使损伤达到饱和，导致其辐照结果反而较之0.01rad(Si)/s的要小。
造成双极晶体管有明显的低剂量率辐照损伤增强效应（ELDRS效应）的机理可用空间电荷模型来解释[3,5,6]：在高剂量率辐照的情况下，基区氧化层内会产生大量的氧化物陷阱电荷，这些电荷在氧化层内会形成一个空间电场，阻碍辐射感生的空穴和氢离子到达Si/SiO2界面，只有极少数辐射感生的空穴和氢离子在经历相当长的时间内才可到达Si/SiO2界面形成界面态；而在低剂量率情况下，辐射感生的氧化物电荷要小得多，它们形成的空间电场也相对较弱。辐射感生的空穴和氢离子就有足够的时间输运到Si/SiO2界面，并与那里的悬挂键反应生成界面陷阱电荷，这些界面陷阱电荷在基区表面形成复合中心，从而增加了过剩的基极电流，减小了晶体管的电流增益，最终导致了低剂量率辐照损伤增强效应的产生。
在表1的实验结果中还可看到，无论是国产的还是进口的晶体管，NPN管和PNP管对电离辐照的响应都不相同，PNP管的辐照损伤明显比NPN 管的要小。其原因在于这二种类型的晶体管在辐照中引起其增益衰降的机理有所不同。辐照引起NPN 晶体管的增益退化是因为在基区的氧化层内感生了净的氧化物正电荷和界面态，导致了基极电流的额外增大。在此，正的氧化物陷阱电荷是通过发射极－基极的耗尽区扩散到外部的基极，导致了基极复合电流的增加；而辐射感生的界面态，尤其是禁带附近的那些界面态，则是作为复合中心在起作用。由于有这个复合中心的存在，增强了表面复合的速率，因而使得在基区的复合电流又更进一步地增加。
对PNP晶体管，在基区的氧化层内禁带附近的界面陷阱，由于起促进表面复合的作用，同样也会增加
基极的电流。然而，与NPN管不同的是，辐照感生的氧化物正电荷却因加剧了基区表面载流子浓度的不平衡，反而减轻了增益的衰减。因而，PNP 晶体管的增益下降受这二种陷阱电荷的相互制约，其辐照敏感性要小于NPN管[4]。
3结论
通过以上的研究，可获得以下结论：（1）在辐照的剂量率范围内，无论是国产还是进口的双极晶体管，都有明显的低剂量率辐照损伤增强现象，且NPN管比PNP管的明显；（2）双极晶体管之所以会出现明显的低剂量率辐照损伤增强现象，是因为在低剂量率的辐照条件下，辐照时间的延长使辐照感生的界面态有足够的时间输运到基区的表面，成为复合中心，从而增加了过剩的基极电流，减小了晶体管的电流增益，最终导致了低剂量率辐照损伤增强效应的产生。而PNP管比NPN管的辐照损伤要小，则是因为辐照感生的氧化物电荷和界面态对NPN管同时起作用，而对PNP管则是互相制约的缘故。
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ZHANG Hualin, LU Wu, REN Diyuan, et al.
Microelectronics, 2004, 34(6): 606—608
Radiation effects and ageing characteristics of bipolar junction transistors subjected to high and low dose rate total dose irradiations
LU Wu YU Xuefeng REN Diyuan E RKIN GUO Qi
美容灯(Xinjiang Technical Institute of Physics & Chemistry, the Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011, China)
Abstract Radiation effects and ageing characteristics were investigated for different types of domestic and/or imported bipolar junction transistors with five dose rates ranging from 100 to 0.002 rad(Si)/s at the same total dose. The results showed that the enhanced low-dose-rate sensitivity (ELDRS) exists in either domestic or imported bipolar transistors, and the NPN transistors are more obvious than PNP ones. Possible mechanism for the effect was discussed. Key words Bipolar transistor, 60Co γ irradiation, Dose rate effects, Ageing
CLC TN322＋.8
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