輻射對元器件的作用機理

隨著空間技術(shù)、核科學(xué)和微電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的電子元器件被應(yīng)用到各類航空、航天以及戰(zhàn)略武器的電子系統(tǒng)中，它們將經(jīng)受空間輻射環(huán)境或核輻射環(huán)境的考驗。

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空間、核輻射環(huán)境對元器件的影響

空間輻射環(huán)境下電子器件主要產(chǎn)生電離輻射總劑量效應(yīng)和單粒子效應(yīng)。核輻射環(huán)境，尤其是核爆炸環(huán)境，主要是瞬時電離輻射總劑量效應(yīng)、中子輻射效應(yīng)和電磁脈沖損傷效應(yīng)。不同的輻射環(huán)境對電子元器件的影響各不相同，不同類型的電子元器件對同一輻射環(huán)境也會有不同的反應(yīng)。

空間輻射環(huán)境主要來自宇宙射線、太陽耀斑輻射及圍繞地球的內(nèi)、外范·艾倫輻射帶、太陽風(fēng)、極光輻射、太陽X射線及頻譜范圍較寬的電磁輻射，它主要由高能質(zhì)子、高能電子、X射線、中子、γ射線等組成。根據(jù)目前國外研究成果，影響航天器的高能帶電粒子主要有三種來源：

(a)銀河宇宙線。它包含元素周期表中幾乎所有元素的原子核輻射，即低通量、高能量（達TeV）的各種重離子。其中豐度最大的是氫核（即質(zhì)子），占85%-87%，其能譜的分布在幾十MeV到1000多MeV。

(b)太陽宇宙線。太陽耀斑爆發(fā)期間，太陽日面上發(fā)出的高能粒子其成分主要是質(zhì)子和α粒子，故稱太陽質(zhì)子事件，其能量分布在零點幾MeV到幾百MeV之間。它也包含元素周期表幾乎所有元素的各種重離子。

(c)地球捕獲輻射帶。由于地球磁場捕獲的高能帶電粒子。輻射帶中主要是質(zhì)子、α粒子、電子及少量其它元素，如C、N、O核素。

雖然空間環(huán)境的電離輻射劑量率很低，不同軌道的劑量率范圍一般在0.0001rad(Si)/s～0.01rad(Si)/s之間，但由于它是一個累積效應(yīng)，當(dāng)總劑量累積到一定值時，將導(dǎo)致電子元器件的性能發(fā)生變化，嚴重時元器件將完全失效，使電子設(shè)備不能正常工作。1971年至1986年，國外發(fā)射的39顆同步衛(wèi)星，因各種原因造成的故障共1589次，其中與空間輻射有關(guān)的故障有1129次，占故障總數(shù)的71%。我國目前運行的衛(wèi)星，在其有效壽命里，取決于軌道參數(shù)，衛(wèi)星內(nèi)部將會受到總劑量為102Gy(Si)～104Gy(Si)的輻射。航天器及核反應(yīng)堆中的某些電子部件可能會受到總劑量超過105Gy(Si)的輻射。

單粒子效應(yīng)是空間電子系統(tǒng)必須面對和需要解決的另一個問題。自1975年發(fā)現(xiàn)單個高能粒子能引起CMOS器件發(fā)生閉鎖。1986年又發(fā)現(xiàn)單個高能粒子還能引起功率MOS器件發(fā)生單粒子燒毀，之后又發(fā)現(xiàn)單粒子?xùn)糯┈F(xiàn)象等。進一步的模擬實驗和在軌衛(wèi)星的測試證實，幾乎所有的集成電路都會發(fā)生單粒子效應(yīng)。我國發(fā)射的衛(wèi)星也發(fā)生過類似的故障，隨后的故障分析結(jié)果表明也是由單粒子效應(yīng)造成的。隨著器件集成度的不斷提高，以及工作電壓的下降，器件對單粒子效應(yīng)的敏感度也大幅提高，成為影響衛(wèi)星在軌生存能力的重要因素。

核輻射環(huán)境包括核反應(yīng)堆、加速器和核武器爆炸等人為輻射環(huán)境，它主要有α、β、中子、γ射線及核電磁脈沖組成。高空核爆炸產(chǎn)生的瞬時輻射環(huán)境一般不會超過10s～15s。瞬態(tài)劑量率輻射效應(yīng)，中子輻射位移損傷效應(yīng)以及瞬態(tài)輻射的次級效應(yīng)，即在大氣層中產(chǎn)生的高空核電磁脈沖(HEMP)對于戰(zhàn)略武器和衛(wèi)星的電子系統(tǒng)都是必須重視的瞬時毀傷因素。

元器件典型空間環(huán)境舉例

研究空間、核輻射環(huán)境中各種粒子的種類、分布情況、能量及強度等因數(shù),對給定任務(wù)下選用元器件進行加固，使其具有抗輻射性能，對設(shè)備硬件和軟件的抗輻射加固設(shè)計、系統(tǒng)的地面仿真試驗及在軌應(yīng)用驗證等一系列的輻射加固技術(shù)，是航天及戰(zhàn)略武器電子系統(tǒng)研制的關(guān)鍵。

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輻射對元器件的作用機理

（1）電離輻射總劑量效應(yīng)

當(dāng)帶電離子、電子或射線通過MOS結(jié)構(gòu)的硅和二氧化硅絕緣層時，引起原子電離而產(chǎn)生電子—空穴對，在外加電場條件下，電子在1ps(1×10-12s)時間內(nèi)被電場掃出氧化物，留下正陷阱電荷；同時在硅與二氧化硅界面產(chǎn)生新的界面陷阱電荷，也稱界面態(tài)，它可以是正的、負的或中性的。隨著陷阱電荷的積累，使表面電位和界面態(tài)發(fā)生變化，引起半導(dǎo)體器件功能異常。

電離輻射總劑量效應(yīng)的特點是瞬時劑量率很低，作用時間長(幾年至十幾年)，效應(yīng)具有累積性，引起的效應(yīng)是半永久性或永久性的。適當(dāng)退火(加電場或熱)，可部分恢復(fù)，完全恢復(fù)比較困難。

電離輻射總劑量效應(yīng)對MOS器件的影響比較大，可使MOSFET的閾值電壓向負向漂移、表面遷移率和跨導(dǎo)降低、表面復(fù)合速度和源漏間的漏電流增大、源漏擊穿電壓下降以及噪聲增加；可使CMOS電路輸出電平邏輯擺幅和最大輸出電流減小、傳輸延遲時間增加和靜態(tài)功耗電流增大，嚴重時將導(dǎo)致器件失效。

電離輻射效應(yīng)對雙極型電路的影響相對較小。但隨著航天和軍事系統(tǒng)對高性能線性電路與混合信號電路需求的不斷增加，其在低劑量率輻射下的電流增益減小，比高劑量率輻射時還嚴重，這一低劑量率損傷增強現(xiàn)象引起了越來越多的關(guān)注。

電離輻射總劑量單位：Gy(Si)或rad(Si)，1Gy(Si)=100rad(Si)。

（2）瞬時電離輻射(劑量率)效應(yīng)

瞬時電離輻射效應(yīng)也稱劑量率效應(yīng)，主要來自核爆環(huán)境產(chǎn)生的脈沖電離輻射，是持續(xù)時間較短的強射線脈沖(γ射線和X射線)。脈寬很窄，約為10ns～1μs，強度很高，劑量率達1010Gy(Si)/s或更高。這種強脈沖瞬時劑量率輻射同半導(dǎo)體器件相互作用，能在反偏PN結(jié)產(chǎn)生瞬時光電流，光電流大小同輻射劑量率成正比，初始光電流也可能引起被放大的二次光電流。

瞬時電離輻射效應(yīng)的特點是瞬時劑量率大，作用時間短，在半導(dǎo)體中引起大的瞬時輻射電流。它能引起電子系統(tǒng)的瞬時擾動或永久性的損傷。瞬時電離輻射效應(yīng)引起的光電流較小時，影響CMOS電路的輸出電平(高電平降低，低電平升高)，能造成CMOS器件的邏輯功能失效；由于體硅CMOS器件固有的PNPN四層結(jié)構(gòu)，當(dāng)光電流較大，達到產(chǎn)生閉鎖的基本條件(即兩種寄生雙極晶體管的βPNP×βNPN≥1)時器件可能產(chǎn)生閉鎖，嚴重時能導(dǎo)致電路燒毀。

瞬時電離輻射對雙極型電路最危險的光電流是基極—發(fā)射極PN結(jié)產(chǎn)生的光電流，它可被放大hFE倍(hFE為雙極型晶體管的電流放大倍數(shù))。從輻照時的光電響應(yīng)曲線上可以清楚地看到，器件在輻照瞬間有2μs～15μs不等的瞬態(tài)閉鎖。輻照劑量率越高，閉鎖響應(yīng)時間越長，恢復(fù)正常供電的時間也越長，在這個瞬間器件沒有電壓輸出。在PN結(jié)隔離的實際模擬集成電路中，由于大面積的瞬態(tài)光電流，影響更為嚴重。模擬集成電路通常工作在不飽和狀態(tài)，以保證高的開環(huán)增益，瞬態(tài)輻射導(dǎo)致雙極器件飽和，增益明顯減小，同時因為晶體管飽和時會使其正、負電源間的阻值減小，所產(chǎn)生的浪涌電流將使PN結(jié)失效或金屬化層燒毀。另外，一些對電流比較敏感的器件如光隔離器、CCD等器件，瞬時電離輻射對其影響較大，即使在較低的劑量率下，器件的性能也會發(fā)生很大變化。

瞬時電離輻射劑量率單位：Gy(Si)/s。

（3）位移損傷(中子輻射)效應(yīng)

高能粒子輻照硅晶體時，與晶體中的原子碰撞，晶體原子得到能量，其中一部分原子會離開原來的平衡位置進入間隙，在晶體中產(chǎn)生空格與填隙原子。如果這些原子能量足夠大，還可以產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，通過與晶格中的其他原子的碰撞，再產(chǎn)生新的空位和填隙原子，使硅晶體產(chǎn)生各種類型的物理缺陷，引起材料電學(xué)性能變化，影響少子壽命及數(shù)量、摻雜濃度和載流子遷移率，從而導(dǎo)致器件電路參數(shù)特性退化，這種退化稱為位移損傷效應(yīng)。目前的模擬試驗都用中子源，一般也稱為中子輻射效應(yīng)。位移效應(yīng)的特點是射線粒子引起的位移損傷是永久性的。

由于MOS器件，如CMOS電路主要由多子性質(zhì)決定，因而中子輻射對CMOS電路影響相對較小。一般良好的CMOS電路抗中子輻射能力可達1×1014/cm2以上中子注量。對于雙極型器件，中子輻射造成較大影響，主要影響是增益降低。雙極型模擬電路受中子輻射影響大于雙極型數(shù)字電路，因為雙極型模擬電路對晶體管電流增益和飽和壓降變化比較敏感。電路隨晶體管增益下降，放大級有源負載增加，運放工作失配，導(dǎo)致失調(diào)電壓增大，易使電路失效。

中子輻射效應(yīng)單位：n/cm2。

（4）單粒子效應(yīng)

單粒子效應(yīng)(SEE)是半導(dǎo)體器件受到空間輻射環(huán)境的高能射線粒子(如質(zhì)子、中子、α粒子)或其他重離子照射，由單個粒子與器件的敏感區(qū)相互作用而引起的輻射損傷效應(yīng)。單粒子效應(yīng)的特點：它是一種隨機效應(yīng)，與入射粒子的路徑是否經(jīng)過器件的靈敏區(qū)有很大關(guān)系。與劑量率輻射效應(yīng)類似，它也是瞬發(fā)的。

對于低軌道、太陽同步軌道和大橢圓軌道，主要是質(zhì)子導(dǎo)致的單粒子效應(yīng)；對于高軌道和地球同步軌道，主要是重離子導(dǎo)致的單粒子效應(yīng)。

單粒子效應(yīng)的表現(xiàn)形式有多種，按其特性可分為非破壞性，即軟錯誤，如單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)、單粒子擾動(SED)等；另一類為破壞性的硬錯誤，如單粒子?xùn)糯?SEGR)、單粒子燒毀(SEB)等；而單粒子閉鎖(SEL)可以是破壞性的，也可以是非破壞性的，與電路的設(shè)計有關(guān)。任何一種不管是非破壞性或破壞性的單粒子效應(yīng)都能使空間電子系統(tǒng)不能正常工作。

評估器件抗單粒子效應(yīng)能力有以下幾種指標：

(a)單粒子翻轉(zhuǎn)率：a×10-b/(天·位)(結(jié)合軌道參數(shù)計算出，a、b分別代表某一數(shù)字)。單粒子翻轉(zhuǎn)率越小，表示器件的抗單粒子能力越好。如果不考慮集成度，也有用a×10-b/(天·器件)來表示的。

(b)單粒子擾動截面σ：翻轉(zhuǎn)次數(shù)/入射粒子總數(shù)，a×10-bcm2/位或a×10-bcm2。越小表示抗單粒子能力越好。

(c)有效LET閾值：通過單粒子試驗作出器件的擾動截面與LET關(guān)系曲線。在擾動截面與LET關(guān)系曲線中，10%飽和擾動截面所對應(yīng)的LET值稱為有效LET閾值。較高的有效LET值，表明器件有較好的抗單粒子擾動能力。其單位為MeV/(mg·cm-2)。

審核編輯：黃飛