Россия
УДК 621.382 Электронные элементы, использующие свойства твердого тела. Полупроводниковая электроника
Полупроводниковые устройства, работающие в условиях радиационных сред, подвержены существенной деградации параметров вследствие воздействия высокоэнергичных протонов. В данной работе проведён подробный анализ влияния облучения статическими потоками протонов с энергиями 1 – 63 МэВ а физические процессы в биполярных транзисторах (БТ), используемых в аналоговых и высокочастотных схемах. Рассматриваются основные механизмы повреждения, в том числе ионизационные эффекты (накопление заря-да в диэлектрических слоях, образование интерфейсных дефектов) и эффекты смещений атомов решетки (образование вакансий, межузельных дефектов), приводящие к появлению центров рекомбинации. Изучение изменений электрических характеристик БТ проводится с использованием ускорительных экспериментов, где образцы облучаются пучком протонов. Применяются современные методы моделирования, такие как TCAD-симуляции и аналитические модели, позволяющие установить зависимость изменения параметров от флюенса облучения. Результаты экспериментов демонстрируют, что даже при умеренных дозах наблюдается значительное снижение коэффициента усиления и увеличение токов утечки, что негативно влияет на работоспособность схем. В работе обсуждаются пути повышения радиационной стойкости БТ посредством оптимизации технологических процессов, применения кремний-германиевых гетеропереходов (SiGe HBT) и технологии кремний-на-изоляторе (SOI). Полученные рекомендации могут быть использованы для разработки радиационно-стойких электронных устройств, предназначенных для эксплуатации в космической электронике, где протоны с энергиями > 100 МэВ дополнительно вызывают одиночные радиационные события (SEE).
радиационная стойкость, протонное облучение, биполярные транзисторы, радиационные эффекты, ионизационные повреждения, смещающие дефекты, SiGe HBT, SOI, TCAD-моделирование
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 Phys. 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 of NPN transistors caused by combined proton irradiations with different energies.” Microelectronics Reliability, vol. 88–90, pp. 1200–1204, 2018.
4. Котляров В. В., Шевченко А. В., Анциферова В. И. Методы защиты цифровых устройств на базе ПЛИС от ионизирующего излучения в условиях космического пространства // Моделирование систем и процессов. 2024. №. 4. С. 59-67. DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2024-17-4-59-67.
5. Журавлева И.В., Попова Е.А. Полупроводниковые технологии для реализации радиационно-стойких СБИС // Моделирование систем и процессов. – 2022. – Т. 15, № 1. – С. 44-52.
6. Зольников К.В., Гамзатов Н.Г., Евдокимова С.А., Потапов А.В., Допира Р.В., Кучеров Ю.С., Яночкин И.Е., Стоянов С.В., Плотников А.М. Моделирование процессов в полупроводниковых структурах при радиационном воздействии // Моделирование систем и процессов. – 2022. – Т. 15, № 3. – С. 106-127.
7. А.Е. Козюков, Н.Г. Гамзатов, С.В. Гречаный [и др.]. Общие подходы оценки стойкости к воздействию ионизирующего излучения космического пространства для зарубежной электронной компонентной базы предприятий – разработчиков / // Моделирование систем и процессов. – 2021. – Т. 14, № 4. – С. 58-66. – DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2021-14-4-58-66.
8. Назаренко А. А., Максимов И. А., Кочура С. Г. Возможность унификации требований по радиационной стойкости для космических аппаратов с различными условиями функционирования // Сибирский аэрокосмический журнал. 2023. Т. 24, № 1. С. 126–135. Doi:https://doi.org/10.31772/2712-8970-2023-24-1-126-135.
9. Максимов И. А., Кочура С. Г., Авдюшкин С. А. Основные положения методологии обеспечения стойкости бортовой аппаратуры космических аппаратов к воздействию радиационных эффектов космического пространства // Сибирский аэрокосмический журнал. 2023. Т. 24, № 1. С. 116–125. Doi:https://doi.org/10.31772/2712-8970-2023-24-1-116-125.
10. В.К. Зольников, С.А. Евдокимова, Е.В. Грошева, А.И. Яньков. Результаты оценки надежности микросхемы 1921ВК028 // Моделирование систем и процессов. – 2019. – Т. 12, № 4. – С. 37-41.
11. Журавлева И.В., Попова Е.А. Полупроводниковые технологии для реализации радиационно-стойких СБИС// Моделирование систем и процессов. – 2022. – Т. 15, № 1. – С. 44-52.
12. J.D. Cressler et al. “Proton radiation response of SiGe HBT analog and RF circuits and passives.” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 49, no. 6, pp. 2807–2814, 2002.
13. К.О. Петросянц, Д.С. Силкин, Д.А. Попов. TCAD-моделирование нанометровых структур FinFET на объемном кремнии с учетом воздействия радиации / // Изв. вузов. Электроника. 2021. Т. 26. № 5. С. 374–386. DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.24151/1561-5405-2021-26-5-374-386
14. Авдюшкин С. А., Максимов И. А., Кочура С. Г. Проблемные вопросы применения методов ускоренных радиационных испытаний электронной компонентной базы // Сибирский аэрокосмический журнал. 2023. Т. 24, № 2. С. 280–290. Doi:https://doi.org/10.31772/2712-8970-2023-24-2-280-290.
15. Методы обнаружения и исправления ошибок в нерегулярных структурах при воздействии тяжелых заряженных частицах / А.Н. Зольникова, С.А. Евдокимова, О.В. Оксюта [и др.] // Моделирование систем и процессов. – 2021. – Т. 14, № 4. – С. 51-58. – 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 Trans. Nucl. Sci., vol. 52, no. 6, pp. 2353–2361, 2005.
17. Анализ чувствительности и результаты испытаний электронной компонентной базы к воздействию тяжелых заряженных частиц / В.К. Зольников, А.С. Ягодкин, В.И. Анциферова [и др.] // Моделирование систем и процессов. – 2021. – Т. 14, № 4. – С. 43-51. – DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2021-14-4-43-51.
18. J. Srour, C. J. Marshall, P. W. Marshall. “Review of displacement damage effects in silicon devices.” IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 50, no. 3, pp. 653–670, 2003
19. Журавлева, И.В. Развитие технологии систем на кристалле для современной электронной компонентной базы / И.В. Журавлева, Е.А. Попова // Моделирование систем и процессов. – 2021. – Т. 14, № 4. – С. 12-20. – 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 Trans. Nucl. Sci., vol. 48, no. 6, pp. 2238–2243, 2001.
21. Ермилина, О.В. Моделирование процесса электроэрозионной обработки с использованием нейронных сетей / О.В. Ермилина, Е.А. Аксенова, А.Д. Семенов // Моделирование систем и процессов. – 2021. – Т. 14, № 4. – С. 5-12. – DOI:https://doi.org/10.12737/2219-0767-2021-14-4-5-12.
