电子对NPN晶体管辐照损伤的案例分析

对双极晶体管的60Co γ 射线辐照损伤相关研究发现［13-14］，在不同剂量率的辐照下，双极晶体管会表现出低剂量率辐照损伤增强效应（Enhanced Low·Dose·Rate Sensitivity，ELDRS），即相同总剂量时，在低剂量辐照下，双极晶体管的损伤要比其高剂量率下辐照损伤大，且高剂量率辐照后的器件经室温退火并不能模拟低剂量率辐照下的损伤。与此类比，在地球同步轨道上运行的卫星处于范·艾伦辐射带内，内辐射带俘获的粒子主要是电子，而且电子通量是随着空间和时间而变化，在电子通量变化的环境中，卫星电子学系统中的晶体管辐照损伤会发生何种变化呢？基于上述问题，中国科学院新疆理化技术研究所对国产NPN晶体管进行了能量为1.5 MeV，不同电子通量下的辐照效应试验［15］。

试验采用金属圆壳封装的国产垂直NPN 晶体管，其金属壳的厚度大约为0.3 mm。辐照试验是在新疆理化所ELV-8 型2 MeV 电子加速器上完成的，辐照的电子能量为1.5 MeV。NPN 晶体管在1×1010 e/（cm2·s）和1×1012 e/（cm2·s）两种电子辐射通量下辐照到1×1014 e/cm2。辐照过程中，NPN 晶体管反向偏置，即集电极和基极接地，发射极接+2 V 电压。在电子辐照前后，用pA 量级的半导体参数分析仪测量了NPN 晶体管的基极和集电极电流（IB，IC），随着基-射结电压（VBE）的变化即Gummel 曲线。在发射极接地的情况下，从-1 V 到+1 V扫描基-集结，得到了集电极电流IC 和基-集结电压（VBC）的变化关系。

图3-13 给出了高、低电子通量辐照到1×l014 e/cm2 注量时，NPN 晶体管基极和集电极电流随着基-射结电压VBE 的变化。从图中可以看出，辐照后基极电流IB 增大，而集电极电流IC 则几乎保持不变。此外，还可以看出，IB 在低电子通量辐照时要比在高通量辐照时变化更大，而IC 在两种通量下则没有区别。图3-14 中示出了不同电子通量辐照下，电流增益随着VBE 的变化。比较高、低电子通量辐照下电流增益的退化发现，NPN 晶体管在低电子通量辐照下增益的退化要比高通量下的大，即表现出低电子通量辐照损伤增强现象。

图3-1　3 高、低电子通量辐照下IB、IC 随着VBE 的变化［15］(www.xing528.com)

图3-1　4 高、低电子通量辐照到1×1014 e/cm2 时电流增益β 随着VBE 的变化［15］

研究者发现高、低电子通量下基极电流的差异是由氧化物陷阱电荷和界面态导致基极电流的增加量不同所造成的。基极电流的增加来源两个方面的因素：一方面电子辐照产生的晶格缺陷作为载流子复合中心，使载流子复合概率增加，减小了载流子寿命，最终导致了基极电流的增加，这是晶格缺陷导致电流增加的部分；另一方面电子辐照会在覆盖在基-射结上的氧化层中引入氧化物陷阱电荷和在Si/SiO2 界面附近引入界面态。由于高、低电子通量辐照下，基-射结产生的晶格缺陷是相同的，所以两种电子通量下晶格缺陷导致的复合电流基本是一致的。高、低电子通量下基极电流的差异是由氧化物陷阱电荷和界面态导致基极电流的增加量不同所造成的。与低电子通量辐照相比，高电子通量下，电子空穴对的产生速率比较大，短时间内有大量的电子空穴对出现。因此，这些电子空穴的复合概率也要比低通量下的复合概率大，参与形成氧化物电荷和界面态的电子与空穴相对较少，再加上高通量辐照时间极短，高电子通量辐照下氧化物电荷和界面态相比低电子通量下的要少，从而使得基极电流IB 在低电子通量下比高通量下大，出现所谓低通量辐照损伤增强现象。

综上所述，对于电子辐照，NPN 晶体管基极电流IB 增加，而集电极电流IC则几乎保持不变；NPN 晶体管在高、低电子通量辐照下，其电流增益会出现退化。且在低电子通量辐照下，退化更明显；NPN 晶体管在电子辐照下之所以出现参数退化，是因为电子辐照产生的晶格缺陷（氧空位缺陷复合体和磷空位等）也作为载流子复合中心，使晶体管基极电流增加；同时，电子辐照在基-射结上的氧化层内产生的俘获正电荷和在Si/SiO2 界面处产生的界面态，均使晶体管基极电流明显增大的缘故。低电子通量辐射下，晶体管的损伤明显大于高通量下的辐照结果，这与60Co γ 辐射下的低剂量率辐射损伤增强效应相类似。

通过电子对GaN 材料以及NPN 晶体管的辐照损伤试验发现，当辐照半导体材料的电子通量达到1017 e/cm2 量级时，入射电子主要与材料中晶格原子发生相互作用，在材料内部形成各种原生及二次辐照缺陷，产生位移效应，对材料的光致发光特性、载流子浓度和迁移率有较大影响，使材料性能降级明显，可能进一步严重影响半导体材料的电导率；电子辐照半导体器件，当辐照剂量达到1014 e/cm2 时，一方面电子辐照产生的晶格缺陷作为载流子复合中心，使载流子复合概率增加，减小了载流子寿命，影响晶体管的各种电流；另一方面电子辐照到器件中的氧化层中，通过电离作用引入氧化物陷阱电荷和在Si/SiO2 界面附近引入界面态，这些氧化物捕获电荷和界面态陷阱电荷，随着累积辐照剂量的增加，捕获电荷和界面态陷阱电荷显著增加，使晶体管基极电流明显增大，导致半导体器件性能发生变化，如电参数漂移、漏电流增大和增益降低。