CC BY
101
Доклады БГУИР
2012 № 3 (65)
УДК 621.382
ВЛИЯНИЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЭЛЕМЕНТЫ АНАЛОГОВЫХ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
О.В. ДВОРНИКОВ1, В.А. ЧЕХОВСКИЙ2, В.Л. ДЯТЛОВ1, Ю.В. БОГАТЫРЕВ3,
С Б. ЛАСТОВСКИЙ3
1ОАО «МНИПИ» Я. Коласа, 73, Минск, 220113, Беларусь
2Национальный научно-учебный центр физики частиц и высоких энергий Белгосуниверситета М. Богдановича, 153, Минск, 220040, Беларусь
3Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению П. Бровки 19, Минск, 220072, Беларусь
Поступила в редакцию 31 января 2012
Рассмотрено влияние гамма-излучения Со60 на характеристики элементов аналоговых интегральных схем (ИС): входную вольтамперную характеристику (ВАХ) в схеме с общей базой (ОБ), выходную ВАХ в схеме общим эмиттером (ОЭ), зависимость статического коэффициента передачи тока в схеме с ОЭ (в) от коллекторного тока (1С) для п-р-п- и р-п-р-транзисторов, выходную ВАХ полевого транзистора с р-п-переходом и каналом р-типа (р-ПТП) в схеме с общим истоком (ОИ). Установлено, что уменьшение напряжения отсечки р-ПТП не превышает 3 %, а максимального тока стока - менее 5 % при поглощенной дозе D = 5,345 Мрад. Максимум зависимости в = Д1С) п-р-п- и р-п-р-транзисторов уменьшается и сдвигается в область больших коллекторных токов при D < 0,845 Мрад. При поглощенной дозе, превышающей 0,845 Мрад, максимум в п-р-п-транзисторов слабо снижается, а для р-п-р-транзисторов - немного увеличивается (частично восстанавливается).
Ключевые слова: радиационно-стойкие транзисторы, гамма-излучение, аналоговые интегральные схемы.
Введение
Проблемы разработки радиационно-стойких интегральных схем рассмотрены в ряде работ [1-4], в некоторых из них сформулирован вывод о том, что синтез высококачественных аналоговых ИС, малочувствительных к воздействию проникающей радиации, целесообразно выполнять на биполярных транзисторах (БТ) и ПТП с большой граничной частотой [3, 4]. Высокая граничная частота БТ обычно достигается путем формирования тонкой активной базы, которая также обеспечивает незначительное изменение коэффициента передачи в при воздействии потока нейтронов. Радиационная стойкость ПТП объясняется тем, что их функционирование обусловлено движением основных носителей заряда вдали от поверхности и радиационное изменение состояния поверхности не оказывает существенного влияния на параметры.
Одним из ключевых моментов проектирования радиационно-стойких аналоговых ИС является необходимость учета влияния радиации на интегральные элементы при схемотехническом моделировании, главным образом, на параметры и характеристики транзисторов, наиболее значимых для аналоговых устройств, а именно: входную ВАХ транзисторов в схеме с ОБ (зависимость напряжения на прямосмещенном эмиттерном переходе иВЕ от эмиттерного тока 1Е), которая определяет рабочий режим транзисторов, влияет на корректную работу источников тока и опорного напряжения [5]; выходную ВАХ транзисторов в схеме с ОЭ (зависимость 1С от
напряжения на промежутке коллектор-эмиттер иСЕ), описывающую область допустимого коллекторного напряжения для активного режима работы БТ и выходное малосигнальное сопротивление гоитв, влияющее на коэффициент усиления напряжения; зависимость в = Д!с), характеризующую входной ток и входное сопротивление каскадов с ОЭ; выходную ВАХ ПТП в схеме с ОИ (зависимость тока стока ^ от напряжения на промежутке сток-исток иш)-
Ранее нами выработан подход к проектированию радиационно-стойких ИС, в рамках которого выявлены <^рюе-параметры» транзисторов, наиболее значимые при схемотехническом моделировании аналоговых устройств, и описано влияние проникающей радиации на <^рюе-параметры» с помощью коэффициентов радиационного изменения параметров (концентрации, подвижности, скорости рекомбинации носителей заряда) полупроводников [6]. Применение созданного подхода позволило моделировать все указанные характеристики (иВЕ = Д1Е), 1С = У(иСЕ), в = Д!с), = для типовых значений радиационных коэффициентов.
Целью настоящей работы является экспериментальное изучение изменения ВАХ элементов аналоговых ИС (вертикальных п-р-п-, горизонтальных р-п-р-транзисторов и р-ПТП) при воздействии гамма-излучения Со60, а также описание этого изменения при схемотехническом моделировании.
Методика
Эксперименты проводились на тестовых транзисторах, изготовленных в ОАО «Интеграл» по эпитаксиально-планарной технологии с проектной нормой 1,5 мкм. К конструктивно-технологическим особенностям типовой структуры следует отнести: эпитаксиальный слой п-типа проводимости толщиной 2,3 мкм и удельным сопротивлением 1,0 Омсм; комбинированную изоляцию элементов диэлектриком и р+-скрытым слоем; малые глубины залегания и высокие концентрации примесей во всех полупроводниковых слоях; толщина активной базы п-р-п-транзистора составляет около 0,15 мкм, базы горизонтального р-п-р-транзистора - 1,5 мкм, токопроводящего канала р-ПТП - 1 мкм; конструктивное исключение соприкосновения областей п+-эмиттера и диэлектрической изоляции.
Облучение образцов гамма-квантами Со60 выполнялось на установке «Исследователь» при температуре около 300 К, суммарная поглощенная доза после сеансов облучения составляла: 0,065; 0,195; 0,520; 0,845; 1,045; 3,045; 5,345 Мрад.
Тестовые транзисторы при облучении находились как в пассивном (все выводы закорочены), так и в активном режиме. В последнем случае режим работы транзисторов устанавливался максимально близким к типовому: для БТ ток эмиттера был около 300 мкА, напряжение коллектор-база - 2,5 В, для ПТП напряжение затвор-исток - 0, исток-сток - 5,0 В.
Измерения выполнялись с помощью измерителя параметров полупроводниковых приборов ИППП-1 в соответствии с разработанными ранее методиками [7, 8]. Вначале изучались основные ВАХ (1С = ДЦ^), = ДЦ«)) всех транзисторов, а затем для отобранных образцов с характеристиками, близкими к средним значениям, проводилось измерение всех ВАХ и идентификация <^рюе-параметров».
Экспериментальные результаты и их обсуждение
Экспериментальные исследования позволили выявить некоторые особенности (всего -8) радиационного изменения ВАХ транзисторов, часть из которых может быть объяснена с помощью существующих моделей и математических соотношений.
1. При поглощенной дозе D = 5,345 Мрад уменьшение напряжения отсечки р-ПТП (итн) не превышает 3 %, а максимального тока стока (1г>мах) - менее 5 %. Известно, что итн и 1пМАх описываются соотношениями [9]:
г _ УсиЯ2Кси^ Ц _ Ч^сиО1
1вмах ~т ,и ти ^ ,
3Ьгг0 2вв0
где цси - подвижность основных носителей заряда в канале ПТП; я - заряд электрона; Ыси -концентрация основных носителей заряда в канале; а - половина толщины токопроводящей
части канала ПТП при отсутствии внешнего напряжения; Ж, L - ширина и длина затвора ПТП; в - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; в0 - диэлектрическая проницаемость вакуума.
Так как оба параметра итн и 1г>мах при облучении уменьшаются, то можно предположить, что основной причиной изменения параметров р-ПТП является небольшое уменьшение концентрации основных носителей заряда в канале р-типа. В связи с тем, что радиационное изменение концентрации обратно пропорционально ее начальной величины [10]. —
= ехр (-К^), (1)
—0
Км = -—т, (2)
С—0
где К^ - коэффициент радиационного изменения концентрации основных носителей заряда; F -интегральный поток частиц (гамма-квантов); с, у - эмпирические коэффициенты, зависящие от вида частиц (электроны, протоны, гамма-кванты, нейтроны) и их энергии, типа проводимости полупроводника. Здесь и далее нижним индексом обозначаем параметры после воздействия радиации, а индексом «0» - до облучения. Тогда радиационное изменение концентрации основных носителей заряда во всех сильнолегированных полупроводниковых слоях типовой структуры (за исключением эпитаксиальных) будет пренебрежимо мало.
2. Радиационное изменение параметров биполярных и полевых транзисторов, находящихся при гамма-облучении в активном и пассивном режиме, практически одинаково.
3. Влияние поглощенной дозы облучения на входную ВАХ транзисторов в схеме с ОБ не выявлено. Так, напряжение иВЕ при 1Е = 300 мкА изменяется менее чем на 3 мВ для —-р-—- и р---р-транзисторов при поглощенной дозе до 5,345 Мрад.
4. Максимум зависимости в = Д!с) —-р-—- и р-—-р-транзисторов уменьшается и сдвигается в область больших коллекторных токов при D < 0,845 Мрад (рис. 1). При поглощенной дозе, превышающей 0,845 Мрад, максимум в —-р-—-транзисторов слабо снижается, а для р-—-р-транзисторов - немного возрастает (частично восстанавливается), происходит так называемый «самоотжиг» р-—-р-транзисторов при облучении в активном и пассивном режимах работы.
5. В связи с тем, что форма выходной ВАХ транзисторов в схеме с ОЭ и ОИ зависит от набора параметров, то для выявления радиационных изменений рекомендуется проводить сравнение нормированных ВАХ (рис. 2). При этом зависимости целесообразно нормировать на величину тока, максимально близкую к началу области ВАХ с высоким выходным малосигнальным сопротивлением. Так, зависимость 1С = А(иСЕ) целесообразно нормировать на величину 1С при иСЕ = 1 В (7<л), для 1Е, = АЦШ) - осуществлять нормирование на ^ при иш > итн (для исследуемых р-ПТП нормирование осуществлялось на ток при = 3 В, = 0).
6. Нормированные зависимости 1С/1С1 = А(ЦСЕ) —-р-—-транзисторов и 1г/1т = АЦ^ р-ПТП совпадают для всех поглощенных доз с погрешностью менее 2 %. Таким образом, сопротивления коллекторных областей —-р-—-транзисторов и истоковых областей ПТП, определяющие вид начального участка этих ВАХ, не изменяются при воздействии гамма-излучения. Одинаковая форма нормированных ВАХ при большом напряжении подтверждает крайне слабое изменение напряжения пробоя. Полученные результаты также свидетельствуют о пренебрежимо малом изменении концентрации носителей заряда в полупроводниковых слоях.
р
140 '
---^
Л
- 1 ... з
-1 ч
-1,0мА 1с
а б
Рис. 1. Зависимость коэффициента р от тока коллектора при различной дозе: а) п-р-п-транзистора; б) р-п-р-транзистора. 1 - D = 0; 2 - 0,520, 3 - 3,045, 4 - 5,345 Мрад
/с, мкА -200
/
/
{
- 1 ... 3
f - 1 • • » з
а б
Рис. 2. Выходная характеристика в схеме с общим эмиттером р-п-р-транзистора при различной дозе и 1В = 8 мкА (1 - D = 0; 2 - 1,045, 3 - 3,045, 4 - 5,345 Мрад): а - не нормированная; б - нормированная.
1 - переменная 1с/104,7 ; 2 - 1с/56,92, 3 - 1с/54,91, 4 - 1с/67,40 мкА
7. «Самоотжиг» параметров р-п-р-транзисторов наблюдается также на зависимости 1С/1С1 = АНсе), приведенной на рис. 2, и в результатах, представленных в таблице. Так, выходное малосигнальное сопротивление уменьшается до дозы 0,52 Мрад, затем увеличивается, а при дозах, равных 3,045 и 5,345 Мрад, гоитв становится больше, чем в нормальных условиях.
Применяя комбинированную модель Гуммеля-Пуна, выходное малосигнальное сопротивление гоитв представим в виде [9]:
VAF ( |Кве1
' оитв
VAF =
1 -
! с v
VAR
Qв 0 С
JC 0
1
1 1
^ N0
(3)
(4)
где VAF ^АК) - напряжение Эрли при прямом (инверсном) включении; NC, Nв - концентрация основных носителей заряда в коллекторе и базе; QB0 - удельная плотность «встроенного» заряда в базе (на единицу площади); СС - удельная барьерная емкость коллекторного перехода (на единицу площади).
Для горизонтального р-п-р-транзистора N0»^, поэтому VAF~Nв0'5. Можно предположить, что до проявления «самоотжига» уменьшение гоитв вызвано уменьшением концентрации носителей в базе горизонтального р-п-р-транзистора (слаболегированной эпитаксиальной пленке) при увеличении поглощенной дозы.
8. Изменение при облучении параметров р-ПТП, а также гоитв для п-р-п- и ивЕ = А(1Е) для п-р-п- и р-п-р-транзисторов можно не учитывать при схемотехническом моделировании.
Основные экспериментальные результаты обобщены в таблице, в которой: рМАХ (РМАж) - максимум зависимости в = Д!с) при исв = 0 в прямом (инверсном) включении БТ; IKF - коллекторный ток, при котором в спадает до 0,5рМАХ. В связи с тем, что выходное малосигнальное сопротивление в соответствии с (3) зависит от коллекторного тока, то для его описания в таблице приведена величина переменной гоитв-1С ~ VAF.
Результаты измерений параметров БТ при различных поглощенных дозах гамма-излучения
Параметр Поглощенная доза гамма-излучения, Мрад
0 0,195 0,520 0,845 1,045 3,045 5,345
п-р-п-транзистор
РМАХ 120,32 112,26 97,11 93,16 91,23 85,12 86,71
РМАХЯ 3,0 2,31 1,98 1,88 1,86 1,75 1,77
1КР, мА 7,15 7,61 8,45 8,75 8,75 9,07 8,99
гоитв'!с, В 18,5 18,5 18,9 18,7 18,7 18,6 18,3
р-п-р-транзистор
РМАХ 13,18 8,42 6,74 6,58 7,37 6,56 7,54
РМАХЯ 1,28 0,92 0,81 0,82 0,84 1,04 1,18
1КР, мА 0,523 0,790 0,951 0,988 0,887 1,001 0,898
гоитв'!с, В 5,7 5,0 4,8 5,0 5,1 6,1 6,8
Из анализа экспериментальных результатов следует, что для описания влияния гамма-облучения на параметры БТ при дозах до 0,52 Мрад достаточно учесть изменение концентрации основных носителей в эпитаксиальной пленке и увеличение скорости поверхностной рекомбинации. В ранее разработанных моделях транзисторов [9] концентрация носителей в эпи-таксиальной пленке характеризовалась соотношениями (1), (2) и величиной эмпирического коэффициента с, взятой из литературных источников, а поверхностная рекомбинация приводила к изменению параметра модели Н.Е в соответствии с выражением (5) для п-р-п- и (6) для горизонтальных р-п-р-транзисторов:
ШЕР = ШЕо --р + Яп^8РК8ШР ~ПТРЕ (—ЕР + ¿¡икр ), (5)
О-Е N в
— п
тр = ж0 -—Р+дп^Кщ^-^-РЕЖвА, (6)
где —ер - ширина области пространственного заряда (ОПЗ) эмиттерного р-п-перехода; п - собственная концентрация носителей; vs - скорость поверхностной рекомбинации; К5шр - эмпирический коэффициент радиационного изменения скорости поверхностной рекомбинации, зависящий от вида частиц (электроны, протоны, гамма-кванты, нейтроны) и их энергии, типа проводимости полупроводника; РЕ - периметр эмиттера; —¡жР - ширина дополнительной ОПЗ на поверхности, появившейся из-за влияния положительного заряда в окисле, созданного при облучении; ЖВА - протяженность активной базы.
При уточнении модели были изменены следующие эмпирические коэффициенты: с - от 8,7-1010 до 1,2-107; К5ШР - от 1,5-104 до 1,0-104, а также параметр ШЕ0 для р-п-р-транзистора увеличен в 2,75 раза, а для п-р-п-транзистора - уменьшен в 3,7 раза. Это небольшое изменение минимального количества параметров модели привело к достаточной для схемотехнического проектирования точности моделирования основных ВАХ (рис. 3, 4) и подтверждает сделанные предположения об основных причинах изменения параметров БТ при гамма-облучении Со60.
Заметим, что уточненная модель корректна при поглощенной дозе до 0,52 Мрад, т.е. она не описывает стабилизацию и «самоотжиг» параметров транзисторов, наступающих при больших поглощенных дозах гамма-излучения.
Эффект «самоотжига» (восстановления) параметров горизонтальных р-п-р-транзисторов (рис. 2, таблица) при больших дозах облучения объясняется влиянием процессов встраивания заряда в защитный окисел на поверхности базовой области [11]. Рост скорости поверхностной рекомбинации приводит к уменьшению Р за счет возрастания поверхностной составляющей тока базы. Для п-р-п-транзисторов увеличение положительного заряда в окисле приводит к возрастанию рекомбинации инжектированных из эмиттера электронов, которые
притягиваются положительным зарядом к поверхности базовой области. В р-п-р-транзисторах положительный заряд в окисле отталкивает от указанной поверхности (границы раздела Si-SiO2) инжектированные из эмиттера дырки, что обусловливает уменьшение тока рекомбинации, т. е. частичное восстановление основных параметров. Влияние положительного заряда окисла проявилось только при больших дозах радиации, поскольку накопление зарядов в защитном окисле идет в относительно невысоких электрических полях.
—
\
\
а б в г
Рис. 3. Зависимость коэффициента р от тока коллектора для: а - п-р-п-транзистора в нормальных условиях; б - п-р-п-транзистора при поглощенной дозе 0,52 Мрад; в - р-п-р-транзистора в нормальных условиях; г - р-п-р-транзистора при поглощенной дозе 0,52 Мрад. Сплошная линия соответствует результатам
моделирования, пунктирная - измерениям
Заключение
В результате исследования влияния гамма-излучения Со60 на ВАХ элементов аналоговых ИС (вертикальных п-р-п-, горизонтальных р-п-р- и полевых транзисторов с р-п-переходом и каналом р-типа), изготовленных по радиационно-стойкой технологии, установлено, что при поглощенной дозе до 5,345 Мрад изменение ряда параметров незначительно (2^5 % и менее), поэтому его можно не учитывать при схемотехническом моделировании.
Максимум зависимости статического коэффициента передачи тока от коллекторного тока п-р-п- и р-п-р-транзисторов уменьшается и сдвигается в область больших токов при D < 0,845 Мрад. При поглощенной дозе, превышающей 0,845 Мрад, максимум в п-р-п -транзисторов слабо снижается, а для р-п-р-транзисторов - немного увеличивается. Выходное малосигнальное сопротивление р-п-р-транзисторов уменьшается до дозы 0,52 Мрад, затем начинает увеличиваться, а при дозах, равных 3,045 и 5,345 Мрад, оно становится больше, чем в нормальных условиях. Таким образом, при D > 0,845 Мрад параметры п-р-п-транзисторов стабилизируются, а р-п-р-транзисторов - немного восстанавливаются.
Из анализа экспериментальных результатов следует, что для описания влияния гамма-облучения на параметры БТ при поглощенной дозе до 0,52 Мрад целесообразно учесть изменение концентрации основных носителей заряда в эпитакси-альной пленке и увеличение скорости поверхностной рекомбинации. Корректировка эмпирических коэффициентов моделей, описывающих указанные радиационные изменения, позволила получить достаточную для схемотехнического проектирования точность моделирования выходной ВАХ и токовой зависимости р.
3,0
0 -5 -10 и се,Б
Рис. 4. Нормированная выходная характеристика р-п-р-транзистора в схеме с ОЭ при Б = 0,52 Мрад и 1В = 8 мкА. 1 -моделирование переменной 1С/55,3 мкА; 2 - измерение переменной 1С/50,7 мкА
INFLUENCE OF GAMMA RADIATION ON ANALOG IC-ELEMENTS
O.V. DVORNIKOV, V.A. TCHEKHOVSKI, V.L. DIATLOV, Yu.V. BOGATYREV,
S B. LASTOVSKI
Abstract
Influence of gamma radiation Co60 on analog IC-characteristics (common base input IV-characteristics, common emitter output IV-characteristics, current gain (P), collector current (IC) dependences for n-p-n and p-n-p-transistors, p-JFET common source output IV-characteristics) is considered. It is established that p-JFET threshold voltage reduction doesn't exceed 3 %, and the maximum drain current - less than 5 % at absorbed dose D = 5,345 Mrad. The P = f(IC) dependence maximum for n-p-n and p-n-p-transistors decreases and moves in large collector currents at D < 0,845 Mrad. At the absorbed dose exceeding 0,845 Mrad, the maximum p n-p-n-transistors poorly reduces, and for p-n-p-transistors - increases a little (partially restored).
Список литературы
1. Прибыльский А.В. Конструктивно-схемотехнические методы проектирования, тестирования и контроля интегральных схем. Минск, 2003.
2. Дворников О., Гришков В., Громыко О. // Современная электроника. 2010. №5. С. 54-61.
3. Дворников О.В., Крутчинский С.Г., Прокопенко Н.Н. и др. // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем. 2006. С. 200-205.
4. Дворников О.В. // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. 2010. С. 283-288.
5. Старченко Е.И. Стабилизаторы напряжения с компенсационно-параметрическими каналами. Шахты, 2009.
6. Дворников О.В., Гришков В.Н. // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. 2010. С. 301-306.
7. Дворников О., Шульгевич Ю. // Современная электроника. 2009. №6. С. 52-61.
8. Дворников О., Шульгевич Ю. // Современная электроника. 2009. №8. С. 50-57.
9. Абрамов И.И, Дворников О.В. Проектирование аналоговых микросхем для прецизионных измерительных систем. Минск, 2006.
10. Вологдин Э.Н., Лысенко А.П. Интегральное радиационное изменение параметров полупроводниковых материалов. М., 1998.
11. ПершенковВ.С. // Научная сессия МИФИ. 2007. Т. 1. С. 74-75.
