超低剂量率辐射环境中双极晶体管的辐射损伤效应研究

The low dose rate radiation damage effect of bipolar devices is the most important problem in space applications, and it is also the focus of radiation hardened technology. In recent years, not only the damage mechanism has been studied, but also some progress has been made in accelerating the evaluation method. However, the latest research found that Ultra- low dose rate (≤10mrad(Si)/s) of the radiation environment under the bipolar devices show a more severe radiation damage effects, making of bipolar devices is facing new challenges with low dose rate radiation damage effect..This project aimed at the typical structure of bipolar transistor, through different conditions of irradiation test, compared with the damage characteristics and differences, combination with the mechanism of different type bipolar transistors enhanced low does rate sensitivity and semiconductor radiation physics. And adopting scientific experiment and reasonable analysis method to discuss the reason for the variation of the parameters, analyze the damage mechanism with different biases. .The research contains the ELDRS and the effect of bias and dose rate to ionizing radiation. So this is not only useful for evaluation and application of analog circuit in space, but also helpful for design of radiation hardness device.

双极器件的ELDRS效应是其在空间应用中所面临的最主要问题，也是研究抗辐射加固关注的热点。近年来，发展了一些ELDRS效应加速评估方法和物理损伤模型，定性解释了其损伤机制。然而，最近研究表明超低剂量率（≤10mrad(Si)/s）辐射环境下双极器件表现出更加恶劣的ELDRS效应，而现有的ELDRS损伤模型不能很好解释此现象，使得研究双极器件的超低剂量率辐射损伤效应面临新的挑战。.本项目针对典型结构的双极晶体管，通过超低剂量率、不同偏置电场的辐照试验，确定其不同条件辐射损伤的共性和差异，分析其电学参数退化和功能衰退的失效模式，结合ELDRS损伤模型和半导体器件辐射效应理论，掌握超低剂量率辐照对双极晶体管的辐射损伤效应的作用规律，揭示器件的超低剂量率辐射损伤增强效应损伤机理，为超低剂量率辐射损伤增强效应的加速评估方法提供理论依据。.本项目的开展对推动双极器件的空间和武器应用具有重要的研究意义。

背景及方向：2009 年Ronald L. Pease 等人报道了极低剂量率环境下部分双极器件出现增强因子EF 随剂量率降低继续增大的现象，该现象的发生导致依据标准MIL-STD-883 TM1019 评估方法，判定为对ELDRS 效应免疫（ELDRS-Free）的器件，在更低剂量率下辐照仍表现出了ELDRS效应。上述研究结果将对于以美军标MIL-STD-883 方法1019 为主的评估方法的使用带来很大的影响，且导致以往的抗辐照设计裕量不能满足部分双极器件在极低剂量率辐射环境中的应用要求。因此，为获得极低剂量率下双极器件ELDRS效应规律，开展极低剂量率环境下（＜10mrad(Si)/s）双极晶体管及典型模拟电路的电离总剂量效应试验研究。.主要内容：针对上述背景，开展了极低剂量率环境下（＜10mrad(Si)/s）双极晶体管及典型模拟电路的电离总剂量效应试验，获得了该环境下双极器件的ELDRS效应规律及深入分析了10mrad（Si）/s剂量率范围内偏置对双极型晶体管辐射损伤的影响规律及作用机制，.重要结果及关键数据：获得了国产及商用NPN及PNP型双极晶体管在不同剂量率下的ELDRS效应规律，在10mrad（Si）/s剂量率范围内，研究了偏置对双极型晶体管辐射损伤的影响规律及作用机制，获得了极低剂量率条件下（5mrad(Si)/s）双极晶体管及典型模拟电路的退化情况及ELDRS效应规律。双极器件的增强因子在极低剂量率下的退化规律总结为：随着剂量率的降低，尚未发现增强效应趋向饱和的剂量率；增强效应饱和的剂量率值并非10mrad(Si)/s；随着剂量率的降低，并未发现进一步的饱和。.科学意义：获得相关研究成果可以为极低剂量率辐射环境下双极器件辐射退化的加速试验方法及辐射损伤预测提供数据支持。