Russian Federation
UDC 621.382
Semiconductor devices operating in radiation environ-ments are subject to significant parameter degradation due to the impact of high-energy protons. In this work, a detailed analysis is presented on the influence of proton irradiation on the physical processes in bipolar transistors (BT) used in analog and high-frequency circuits. The study examines the primary damage mechanisms, including ionization effects (charge accumulation in dielectric layers and formation of interface defects) and displacement effects (formation of vacancies and interstitial defects) that lead to the emergence of recombination centers. The investigation of changes in the electrical characteristics of BT is carried out using accelerator experiments, where samples are irra-diated with a proton beam. Modern modeling methods, such as TCAD simulations and analytical models, are em-ployed to establish the relationship between parameter changes and the proton fluence. The experimental results demonstrate that even at moderate doses, there is a significant reduction in current gain and an increase in leakage currents, which adversely affect circuit performance. The paper discusses approaches to enhancing the radiation hardness of BT through the optimization of technological processes, the use of silicongermanium heterojunction transistors (SiGe HBT), and the application of silicon-on-insulator (SOI) technology. The recommendations provid-ed can be applied to the development of radiation-hardened electronic devices intended for use in space elec-tronics. The obtained recommendations can be used for the development of radiation-resistant electronic devices in-tended for operation in space electronics, where protons with energies > 100 MeV additionally cause single radia-tion events (SEE).
Radiation hardness, proton irradiation, bipolar transis-tors, radiation effects, ionization damage, displacement defects, SiGe HBT, SOI, TCAD modeling
I. Введение
Электронные приборы, функционирующие в радиационно‑активных средах, со временем испытывают деградацию параметров из‑за воздействия высокоэнергетичных частиц. Биполярные транзисторы (БТ) — ключевые элементы аналоговых и высокочастотных схем — проявляют тип радиационной стойкости, отличающийся от поведения МОП‑структур. В настоящем обзоре под статическими потоками понимаются квазистабильные флюенсы протонов с энергиями 1–63 МэВ, характерными для радиационных поясов Земли. Такие протоны инициируют как ионизационные процессы, связанные с накоплением заряда в диэлектриках и образованием интерфейсных ловушек, так и смещения атомов решётки, формирующие объёмные дефекты в кристалле. В работе анализируются механизмы деградации, оцениваются изменения ключевых электрических характеристик транзисторов и обсуждаются модели, описывающие наблюдаемое поведение.
В работе внимание уделяется трем типах конструк-ций: традиционных кремниевых NPN/PNP транзисторах, кремниево германиевых HBT на объёмном кремнии и тех же HBT, реализованных в процессе BiCMOS SOI.
II. Принципы работы биполярного транзистора
Биполярный транзистор ¾ прибор, состоящий из трех полупроводниковых областей с чередующимся типом проводимости (n-p-n или p-n-p) с двумя p-n-переходами, пригодный для усиления, генерации и переключения электрических сигналов. Основа принципа его действия состоит в том, что ток прямо смещенного p-n-перехода вызывает изменение тока другого перехода, смещенного в обратном направлении, т.е. это прибор, управляемый током. Которые принято называть эмиттером (Э), базой (Б) и коллектором (К). Существует два типа биполярных транзисторов: p–n–p и n–p–n.
Рис. 1. Схемные изображения биполярных транзисторов: а) структура n-p-n, б) структура p-n-p
Рис 2. Вид внутреннего устройства биполярного транзистора p-n-p структуры
На рис. 2 показан упрощенный вид внутренней структуры объемного маломощного биполярного p-n-p транзистора. Крайнюю слева р+ область называют эмиттером. Промежуточная n область называется базой. Крайняя p область справа ¾ коллектор. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором ¾ коллекторным.
Главная идея работы БТ ¾ управление большим током коллектора при помощи малого тока базы.
где
ток коллектора;
ток базы.
Также справедливо соотношение:
где
ток эмиттера;
Ток эмиттера «закачиваются» в базу. Часть электронов рекомбинирует в базе (формируя ток базы), а большая часть доходит до перехода база--коллектор, который, как правило, смещён в обратном направлении, и электроны, достигшие коллектора, формируют коллекторный ток.
Рекомбинация ¾ то процесс, при котором электрон «встречается» с дыркой, и они взаимно уничтожают друг друга (аннигилируют), выделяя энергию (обычно в виде тепла). Чем больше дефектов, тем выше вероятность рекомбинации и меньше носителей заряда успевают добраться до коллектора.
Носитель заряда ¾ это частица, которая может переносить электрический заряд. Проще говоря, это «носитель» того, что позволяет току течь в цепи. Например:
Электроны, это отрицательно заряженные частицы, которые двигаются в проводниках, а дырки, это фактически «отсутствие электрона» в кристаллической решётке полупроводника; их можно считать положительными носителями заряда.
В полупроводниках, таких как кремний, электроны и дырки являются основными носителями заряда, позволяющими устройствам работать.
- Режим работы транзистора зависит от полярности напряжений, подаваемых на переходы:
- режим отсечки (оба перехода смещены в обратном направлении);
- режим насыщения (оба перехода смещены в прямом направлении);
- активный режим (на эмиттерном переходе прямое напряжение, на коллекторном обратное);
- инверсный режим, противоположный активному.
1. H. Hu et al. “Radiation effects of 50 MeV protons on PNP bipolar-junction transistors.” Chinese Physics B, vol. 31, no. 2, p. 028502, 2022.
2. H. El Ghazi et al. “High-Energy Radiation Effects on Silicon NPN Bipolar-Transistor Electrical Performance: A Study with 1 MeV Proton Irradiation.” Materials, vol. 16, no. 21, art. 6977, 2023.
3. Xingji Li et al. “Synergistic effects in NPN transistors caused by combined proton irradiations with different energies.” Microelectronics Reliability, vols. 88–90, pp. 1200–1204, 2018.
4. V. V. Kotlyarov, A. V. Shevchenko, V. I. Antsiferova. “Methods for protecting FPGA-based digital devices from ionizing radiation in outer space.” Modeling of Systems and Processes, no. 4, pp. 59–67, 2024. DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2024-17-4-59-67.
5. V. Zhuravleva, E. A. Popova. “Semiconductor technologies for the implementation of radiation-hard VLSI.” Modeling of Systems and Processes, vol. 15, no. 1, pp. 44–52, 2022.
6. K. V. Zolnikov, N. G. Gamzatov, S. A. Evdokimova, A. V. Potapov, R. V. Dopira, Yu. S. Kucherov, I. E. Yanochkin, S. V. Stoyanov, A. M. Plotnikov. “Modeling processes in semiconductor structures under radiation exposure.” Modeling of Systems and Processes, vol. 15, no. 3, pp. 106–127, 2022.
7. E. Kozyukov, N. G. Gamzatov, S. V. Grechanyy et al. “General approaches to assessing radiation tolerance of foreign electronic components for space applications.” Modeling of Systems and Processes, vol. 14, no. 4, pp. 58–66, 2021. DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2021-14-4-58-66.
8. A. Nazarenko, I. A. Maksimov, S. G. Kochura. “Possibility of unifying radiation-hardness requirements for spacecraft with different operating conditions.” Siberian Aerospace Journal, vol. 24, no. 1, pp. 126–135, 2023. DOI:https://doi.org/10.31772/2712-8970-2023-24-1-126-135.
9. A. Maksimov, S. G. Kochura, S. A. Avdyushkin. “Key principles of ensuring radiation tolerance of spacecraft onboard equipment against space-radiation effects.” Siberian Aerospace Journal, vol. 24, no. 1, pp. 116–125, 2023. DOI:https://doi.org/10.31772/2712-8970-2023-24-1-116-125.
10. V. K. Zolnikov, S. A. Evdokimova, E. V. Grosheva, A. I. Yankov. “Reliability assessment results for the 1921VK028 IC.” Modeling of Systems and Processes, vol. 12, no. 4, pp. 37–41, 2019.
11. V. Zhuravleva, E. A. Popova. “Semiconductor technologies for the implementation of radiation-hard VLSI.” Modeling of Systems and Processes, vol. 15, no. 1, pp. 44–52, 2022.
12. J. D. Cressler et al. “Proton-radiation response of Si-Ge HBT analog and RF circuits and passives.” IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 49, no. 6, pp. 2807–2814, 2002.
13. K. O. Petrosyants, D. S. Silkin, D. A. Popov. “TCAD modeling of nanometer FinFET structures on bulk silicon considering radiation effects.” Izvestiya Vuzov. Elektronika, vol. 26, no. 5, pp. 374–386, 2021. DOI:https://doi.org/10.24151/1561-5405-2021-26-5-374-386.
14. S. A. Avdyushkin, I. A. Maksimov, S. G. Kochura. “Challenges in applying accelerated radiation-test methods to electronic components.” Siberian Aerospace Journal, vol. 24, no. 2, pp. 280–290, 2023. DOI:https://doi.org/10.31772/2712-8970-2023-24-2-280-290.
15. N. Zolnikova, S. A. Evdokimova, O. V. Oksyuta et al. “Error-detection and correction methods in irregular structures under heavy-charged-particle effects.” Modeling of Systems and Processes, vol. 14, no. 4, pp. 51–58, 2021. DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2021-14-4-51-58.
16. T. Chen et al. “Proton radiation effects in vertical SiGe HBTs fabricated on CMOS-compatible SOI.” IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 52, no. 6, pp. 2353–2361, 2005.
17. V. K. Zolnikov, A. S. Yagodkin, V. I. Antsiferova et al. “Sensitivity analysis and test results of electronic components under heavy-ion irradiation.” Modeling of Systems and Processes, vol. 14, no. 4, pp. 43–51, 2021. DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2021-14-4-43-51.
18. J. R. Srour, C. J. Marshall, P. W. Marshall. “Review of displacement-damage effects in silicon devices.” IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 50, no. 3, pp. 653–670, 2003.
19. V. Zhuravleva, E. A. Popova. “Development of system-on-chip technology for modern electronic components.” Modeling of Systems and Processes, vol. 14, no. 4, pp. 12–20, 2021. DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2021-14-4-12-20.
20. S. Zhang et al. “Effects of 63 MeV proton irradiation on SiGe:C heterojunction bipolar transistors.” IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 48, no. 6, pp. 2238–2243, 2001.
21. O. V. Ermilina, E. A. Aksenova, A. D. Semenov. “Modeling of electro-erosion machining using neural networks.” Modeling of Systems and Processes, vol. 14, no. 4, pp. 5–12, 2021. DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2021-14-4-5-12.
