微電路

微電路pn結瞬態電離輻射響應二維數值模擬

瞬態Χ射線、X射線脈衝輻照，會使器件的電性能發生瞬間變化。由於電離效應，在器件中會產生光電流。光電流的產生給電子系統引入附加信號使其功能改變，嚴重者可使器件的引線燒毀造成永久性破壞。光電流的大小與射線的強度、脈衝持續時間、器件種類、偏置高低和負載大小等因素有關。因此抗瞬態輻射加固是電子系統抗輻射加固研究中的重要組成部分。

光電流由漂移電流和擴散電流兩部分構成。漂移電流與偏置場強有關；擴散電流與擴散長度和少子壽命有關。Wirth和Rogers在1964年提出了光電流的一維解析模型。包括耗盡區中產生的光電流瞬時分量漂移電流和PN結兩側一個少數載流子擴散長度內產生的光電流延遲分量。

當輻射脈衝寬度為T時，產生的光電流的數學表達式為

Ipp(t)=eKgDαΧA[Wj+Lnerft?Σn+Lperft?Σp],　0≤t≤3(1)

式中:A為結面積;Wj表示耗盡區寬度;Ln,Lp分別是電子、空穴的擴散長度;Σn,Σp分別為電子、空穴的壽命對於Si材料,Kg=4.3×1015cm-3Gy-1。

雙極和CMOS微電路工藝中，往往採用高阻襯底或在低阻襯底上外延高阻層。這樣不僅提高了器件的耐擊穿能力，而且低摻雜濃度外延層可以使器件的集2基結電容減小，提高雙極器件的高速性能；對CMOS工藝，該外延層可用來防止器件閂鎖。Wirth2Rogers光電流模型假定忽略襯底高阻材料電場效應以及高注入對少子壽命的影響，結兩邊必須是無限的均勻摻雜(相對於少子擴散長度而言),且該模型與反向偏置電壓無關。因此該模型對微電路已不再適用。有實驗數據表明，對高阻襯底器件,Wirth2Rogers模型預估的光電流與實測結果差3倍。增強光電流模型在Wirth2Rogers基礎上作了兩個重要補充：電場效應及高注入對少子壽命的影響。這兩個效應都引起少子收集體積的增加。帶外延晶體管外延層少子擴散長度Lp比外延層厚度We大得多，外延晶體管的n+外延襯底限制了少子擴散長度，少子收集體積定義為所有過剩少數載流子被結收集的區域。高注入時，隨著過剩少子數量的增加，根據Shockley2Read理論，在半帶陷阱的過剩少子壽命將增加，壽命的增加直接引起少子擴散長度的增加，引起光電流增加。襯底電場效應使得少子向結漂移，有效增加了光電流收集體積。