(完整版)第04章核辐射失效及抗核加固

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 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丫射线和核电磁脉冲，

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引起电离 效应；质子能引起位移效应。高能质子

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（ 格原子的位移阈值约为

Frenkel）缺陷。这种现象称为位移效应。硅晶

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

---

/高能中子还能引起单粒子效应。

子位移，从而在晶体内形成了局部损伤区 ---缺陷群。由于位移效应破坏了半导体晶格的

势能，因而在禁带中形成了新的电子能级；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

---间隙原子对在禁带中形成的新电子

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

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 因。处于低注入下工作的双极型晶体管， 经过1010个/cm2中子注量辐照器件特性开始衰 减，而在1013个/cm2中子时则严重衰减。

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， 带正电荷的离子而成为空穴，产生电子

1.

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

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 C—V 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.

在反偏 PN结中将产生瞬时光电流。因为瞬时辐照在

瞬时丫脉冲辐射PN结空间

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

--- 空穴对，这一过程称为电离过程。

丫射线--- 空穴

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。 间电荷区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，直接与丫脉冲的剂量率/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

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

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* 3 npn > 1。 （ 2 ）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 栓锁。例如，一般未加固的 CMOS电路，在106Gy （硅）/S量级剂量率的瞬时辐照下就 会发生栓锁。

四．单粒子效应 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 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，

1. 粒子（

与它的能量有关。一般从陶瓷管壳中产生的a粒子，能量为

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） 。

a粒子能引起单粒子效应。a粒子是氦核Z=2 ）, a粒子穿透硅片的深度

5MeV，穿透深度为25um ,

----空穴对，由

产生电子---空穴对的数目为106量级。a粒子在灵敏区内产生的大量电子 能量不同引起的软错误率也不同，能量在

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

4MeV左右的a粒子引起的软错

60*注入角引起的软

1 ”

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 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“ 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+位线上。因为N+区可以收集

电子—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。读出放大器实际上是 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：

2828

14Si（ n， n）

28

14Si 弹性散射，

28

14Si （ n， p）

28

13Al

14Si（ n， n）

/28

14Si 非弹性散射，

28

14Si （ n， 2）

28

14Mg

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 内产生大量的电子 --- 空穴对，因而对单粒子效应的贡献最大。

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

提高电子系统的抗核辐射能力，除了在屏蔽和系统设计上采取相应的措施外，关键 是提高电子元器件的抗辐射能力。大量试验表明，半导体器件和集成电路最容易受到核 辐射的损伤。

半导体器件不同，其辐射退化机理也不同。对于双极器件，辐射的瞬时损伤是 PN 结光电流， 永久损伤则是电流增益下降 /饱和压降增加和漏电流增加。 在结型器件中， 可 控整流器 /单结晶体管和

太阳能电池等最容易受到损伤。 所以， 在辐射环境中应尽可能避

免使用可控硅和单结晶体管，其次是功率管和低频管，而高频管稍好一些。 MOS 场效 应管器件的电离辐射损伤比较严重，丫射线引起二氧化硅的电离陷阱及 数是 VT。

一．双极晶体管的辐照特性

1．双极晶体管的电流增益受中子辐照的影响特别严重，中子辐照使其下降，下降 幅度与下列因素有关：

（1）与注入电流的大小有关。当注入电流较大时，中子辐照对少数载流子寿命的影 响较小，从而使电流增益下降也较小。

（ 2 ）与基区宽度和杂质分布有关。基区愈窄，基区内的复合电流就愈小，电流增益 的下降也愈小。

（ 3）与工作频率有关。频率愈高，抗中子辐射能力愈好。

2．对于功率晶体管，饱和压降增加量是中子辐射引起的一个重要参数。其原因来 自两方面，一方面是中子的多数载流子去除效应引起芯片中硅材料电阻率增大；另一方 面是中子的位移效应引起电流增益降低导致饱和深度减小的结果。

3．中子辐射引起开关晶体管开关上升时间增加，存储时间和下降时间减小。

4．电离辐射对双极晶体管造成的损伤，主要发生在器件表面的钝化层内，在钝化 层内产生电离辐照陷阱，并在 SiO2---Si 界面产生新的界面态。对 NPN 管新生界面态增 加了基区的表面复合率， 辐照陷阱引起基区表面耗尽， 从而增加了耗尽层体内的复合率， 它们导致电流增益显著下降。 对 PNP 管，辐照陷阱可以使轻掺杂的收集区产生耗尽层或 反型层。反型层会一直延伸到硅片边缘，由于边缘有划片留下的严重机械损伤，损伤缺 陷形成载流子激发中心， 产生大量载流子， 从而使漏电流 Iceo 大大增加， 电流增益明显 下降。

二． MOS 晶体管的辐照特性

1. 由于MOS管是多数载流子器件， 因此具有很好的抗中子辐照能力。 但它抗丫电 离辐照的能力却较差， 因为 MOS 管与双极管不同， 芯片表面的栅氧化物是 MOS 管本身 的重要组成部分。丫射线的电离效应在栅氧化物内产生的电离陷阱（正电荷）相当于在

MOS 管的栅介质上加上了正偏压，使 MOS 管的阈值电压向负偏方向漂移，所以 MOS 管对电离辐射十分敏感。

2. MOS 管受中子辐照也存在三种损伤机理： 增加衬底材料的电阻率 /减少沟道载流 子迁移率 /增加表面态密度。 其中表面态密度增加是最主要的损伤因素。 阈值电压漂移同 样是 MOS 管受中子辐射损伤的最主要标志。阈值电压向负方向漂移，在栅压不变的条 件下出现漏极电流下降，从而引起跨导降低。

三. 可控硅整流器的辐照特性

可控硅通常使用在大电流高电压的条件下。它的互补 核辐射下容易产生栓锁。

中子辐照将引起可控硅特性严重恶化，出现阳极 电流和控制栅电流上升等。

电离辐射的累积剂量也可引起可控硅整流器开关性能严重恶化， 感，10Gy （硅）照射下就会引起失效。

四. 太阳能电池的辐照特性

硅太阳能电池多数是卫星的主要电源，

因为太阳能电池通过光电效应能将入射的太

阳光直接转换为电能，向人造卫星提供能源。但太阳能电池对核辐射环境特别敏感。由 于它安放于卫

这是由于电离辐射

使漏电流增大的结果。当漏电流增加到一定程度时，就会使可控硅导通；在加偏压的情 况下更为敏

---阴极电压和饱和电阻增大，维持

PNP和NPN管具有基区宽度

较大/结面积大/硅材料电阻率较高/少数载流子寿命长等特点。因此，它对核辐射特别敏 感，尤其在瞬时

Si---SiO2界面

态增加，使阈值电压 VT 改变，而且减小沟道迁移率，从而降低跨导和增加噪声。这其 中最敏感的参

星外表面，不断受到宇宙空间高能粒子（如电子和质子）的轰击，使其电 性能受到严重影响。高能粒子轰到硅太阳能粒子上的主要效应是缩短少数载流子扩散长 度，从而引起输出电流的明显下降。

硅太阳能电池是 PN结光敏器件，瞬时辐射使硅材料电导率增大，因而串联电阻会 出现瞬时降低的现象。

中子辐照会引起太阳能电池永久性损伤，随中子注量增加，它的输出电流会明显减 小。 太阳能电池的电子辐照效应受硅片厚度和基区电阻率变化的影响较显著。硅片越 薄，低注量电子辐照引起的损伤就越小。

五?双极逻辑电路的辐照特性

双极逻辑电路抗中子辐射能力强，但由于芯片内存在大量的有源器件和寄生二极 管，因此抗瞬时辐射能力较差。电阻 ---晶体管逻辑（RTL）电路，由于有源器件较少， 抗瞬时辐射能力比晶体管 ---晶体管逻辑（TTL ）电路强。介质隔离器件，由于没有 结隔离二极管，因此抗瞬时辐射能力提高了一个数量级以上。 时辐照能力如表

逻辑电路 RTL （电阻一晶体管逻辑） DTL （二极管----晶体管逻辑） TTL （晶体管----晶体管逻辑） 低功率TTL 介质隔离DTL 介质隔离TTL 4-1所示。

表4-1各种逻辑电路的瞬时辐照损伤阈值 损伤阈值（Gy （硅）/S） 5*10 5 一1*10 7 5*10 5 一5*10 6 1*10 6----3*10 6 5*10 4 一4*10 5 1*10 6----8*10 6 PN

肖特基钳位TTL （S/TTL ）

电路，由于硅片中没有掺金，避免了栓锁效应，因此有较好的抗瞬时辐照能力。各种逻 辑电路的抗瞬

6*10 6----5*10 7 肖特基钳位 TTL ( S/TTL ) 10 6一10 7 电离辐射对双级逻辑电路的损伤主要表现为内部晶体管的电流增益下降 面钝化层质量差的器件，在 10 5Gy （硅）辐射下，漏电流就会严重增大。

/漏电流增 大，而其它效应如饱和压降增大等则变化不明显。 一般电路可达到和超过 1*10 6Gy（硅）, 但对于表

双极逻辑电路的抗中子辐照能力较强，其主要原因是这种电路的设计余量很大，它 允许晶体管的电流增益在很大范围内变化，而不影响电路的正常工作。

六.双极线性电路中由于采用了横向

PNP管和超增益管，它们又在工作在小电流状

态，因此，它对辐射损伤的灵敏度比双极逻辑电路要高得多。