魯 藝 邱 東 李俊杰 鄒德惠 榮 茹

（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621999）

雙極晶體管的瞬時中子輻射損傷規(guī)律試驗研究

魯 藝 邱 東 李俊杰 鄒德惠 榮 茹

（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621999）

瞬時中子輻射損傷效應(yīng)是評價電子器件抗輻射能力的一項重要指標(biāo)。利用晶體管直流增益的倒數(shù)與中子注量呈線性關(guān)系這一特點，采用參數(shù)一致性好的硅雙極晶體管3DK9D作為位移損傷探測器，通過在線監(jiān)測晶體管直流增益隨累積中子注量的變化，獲得了雙極晶體管對脈沖中子輻照的響應(yīng)特性。結(jié)果表明，晶體管的瞬時輻射效應(yīng)是電離損傷和位移損傷共同作用的結(jié)果。在相同累計中子注量下，瞬態(tài)輻照損傷效應(yīng)遠(yuǎn)強(qiáng)于穩(wěn)態(tài)輻照損傷結(jié)果。

雙極晶體管，瞬時輻照效應(yīng)，脈沖中子輻照，直流增益，中子注量

核武器爆炸環(huán)境下的輻照劑量率非常大，對電子元器件產(chǎn)生的瞬時輻射損傷效應(yīng)顯著。然而核爆炸試驗不能經(jīng)常進(jìn)行，常以脈沖輻照來模擬。利用脈沖輻射源研究半導(dǎo)體器件的瞬時γ電離輻射效應(yīng)，在國外已有相關(guān)報道[1-3]，國內(nèi)也開展了大量研究[4-8]。但對于給定注量率的快中子脈沖輻照下，處于工作狀態(tài)的半導(dǎo)體器件瞬時損傷規(guī)律及瞬態(tài)響應(yīng)特性研究極少。

中子輻照會引起半導(dǎo)體器件電學(xué)參數(shù)的嚴(yán)重退化，其影響與中子注量、中子能量及中子作用時間有關(guān)。受實驗條件的限制，大部分中子輻照研究關(guān)注在反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下半導(dǎo)體器件輻射的位移損傷問題[9-11]?？熘凶用}沖堆(China Fast Burst Reactor-II, CFBR-II)是一種能夠很好地模擬核爆環(huán)境的脈沖輻射源，脈沖中子輻照具有能量高、注量率大的特點。所以，利用其進(jìn)行脈沖中子輻照損傷機(jī)理和對電子器件影響的研究，越來越引起人們的關(guān)注。

本文基于CFBR-II快中子脈沖堆的實驗通道，搭建了瞬時輻照效應(yīng)的實驗測量系統(tǒng)，對雙極晶體管進(jìn)行了脈沖中子輻照，得到了晶體管直流增益隨中子注量的變化規(guī)律，分析了器件的瞬態(tài)輻照損傷特性。

1 實驗原理

對于脈沖式的中子輻照半導(dǎo)體器件而言，由于中子的位移效應(yīng)在半導(dǎo)體材料晶格內(nèi)形成各種各樣的缺陷和缺陷團(tuán)，使器件產(chǎn)生損傷。脈沖輻照瞬間形成的缺陷通常是不穩(wěn)定的，它們通過空位去除、復(fù)合、淹沒等過程使缺陷消失，即產(chǎn)生退火，這種退火過程約為100 ms，稱為瞬時退火；也有一部分缺陷不能恢復(fù)，形成永久性損傷。

雖然中子不帶電荷，但中子在半導(dǎo)體中碰撞出的晶格原子是重帶電粒子，且有一定的初始動能，其電離效應(yīng)是相當(dāng)嚴(yán)重的。所以在中子脈沖期間必然存在瞬時電離效應(yīng)。如果器件有偏壓存在，必然會收集到瞬時電流；如果不存在偏壓，則形成的多余載流子在毫秒之后就會自然復(fù)合。一般情況下，輻照過去毫秒之后再加電測量就看不到瞬時電流。

對于雙極晶體管來說，在小注入電流條件下，少子復(fù)合作用對器件的效應(yīng)參數(shù)hFE起主要支配作用，所以輻射對器件工作在小電流下的電流增益影響較大。對于一個理想的突變結(jié)、均勻基區(qū)的硅雙極晶體三極管，當(dāng)中子注量在109-1016cm-2、集電極注入電流在1-100 mA時，中子輻照引起的直流增益變化為[12]：

式中，Δ(1/hFE)為輻照前后晶體三極管直流增益倒數(shù)的變化量；hFE(φ)為中子輻照后的直流增益；hFE(0)為中子輻照前的直流增益；K′為硅材料損傷常數(shù)，cm2.s-1；t為電流為無限大時的基極渡越時間，s；K為損傷常數(shù)（對于晶體三極管也可稱作實驗增益損傷常數(shù)），它是基極渡越時間和器件材料的函數(shù)，cm2；φ為輻照中子注量，cm-2。

根據(jù)式(1)，只要能實驗獲得晶體管在中子脈沖輻照下不同時刻的hFE變化，就可以得到器件在中子脈沖輻照下的瞬時損傷效應(yīng)。

2 實驗方法

2.1脈沖中子源

研究在快中子臨界裝置CFBR-II堆上開展，CFBR-II堆產(chǎn)生的中子脈沖波形如圖1所示。該堆的中子脈沖半高寬度約為200 μs，一次脈沖過程輻照腔內(nèi)場點的累計中子注量為(2-6)×1013cm-2，平均能量為1.38 MeV。脈沖堆的環(huán)境溫度為24-26 °C，濕度為45%-50%，環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

圖1 中子脈沖波形Fig.1 Neutron pulse waveform of CFBR-II.

2.2輻照樣品及測試電路

研究在快中子臨界實驗裝置CFBR-II堆上開展，測試選用雙極晶體管3DK9D作為實驗樣品，將其直流增益作為實驗監(jiān)測的效應(yīng)表征參數(shù)。根據(jù)實驗前對3DK9D器件損傷效應(yīng)測量所需累計中子注量的理論計算結(jié)果，結(jié)合CFBR-Ⅱ堆產(chǎn)額及相關(guān)中子注量指標(biāo)，選定CFBR-II堆輻照腔作為實驗研究的典型輻照區(qū)域，器件布放在輻照腔內(nèi)。

由于器件的個體差異可能會直接影響測量結(jié)果，因此，在實驗前對器件進(jìn)行了嚴(yán)格的電參數(shù)篩選，從中選取出一致性好的5只器件作為一組實驗樣品。篩選后的晶體三極管的集電極-發(fā)射極擊穿電壓在82-86 V，集電極-發(fā)射極特征電流為2.5-3 μA，直流增益hFE在102-104。

輻照實驗用電路如圖2所示。圖2中，電源為測試板提供工作電壓VCC，信號源為輻照板上的三極管提供輸入偏置信號VBB。為排除實驗干擾因素，減少外圍電路對晶體管直流增益測量結(jié)果的影響，將集電極電阻RC和基極電阻RB與晶體管分離，布放在堆外測試間的測試轉(zhuǎn)接電路板上，通過100 m長的屏蔽電纜與晶體管相連。

圖2 晶體三極管效應(yīng)參數(shù)在線測試電路Fig.2 Method of in-situ testing on-line.

根據(jù)圖2，只要獲得了VCC、VRC、VBB和VRB，即可得到：

2.3測量方法

通常的效應(yīng)參數(shù)測試方法有原位測試和移位測試兩大類，其中原位測試又分原位在線測試（輻照和測試同步進(jìn)行）和原位離線測試（測試時停止輻照）兩種方法。本次實驗選用原位在線測試方法進(jìn)行三極管效應(yīng)參數(shù)的測試。

根據(jù)測量原理，建立了一套多通道同步數(shù)據(jù)采集測試控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由計算機(jī)、輻照板、測試轉(zhuǎn)接電路、信號源、電源、嵌入式控制驅(qū)動器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及相應(yīng)的線纜組成，如圖3所示。為使計算機(jī)有效地控制這些硬件設(shè)備，系統(tǒng)采用虛擬儀器的設(shè)計思想，以LabVIEW為開發(fā)平臺，采用Ancen-PXI系列高速采集驅(qū)動控制器，為其他硬件提供控制信號，完成所有的測試任務(wù)，包括利用采集卡上的硬件資源進(jìn)行多通道同步數(shù)據(jù)采集、采集數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)存儲、測試結(jié)果的波形顯示等功能。

晶體管的瞬時輻照響應(yīng)特性包括其效應(yīng)參數(shù)對中子輻照脈沖的響應(yīng)及退火效應(yīng)，它們與器件的工作條件、輻射條件、器件類型及工藝水平等因素有關(guān)。CFBR-II堆瞬態(tài)運(yùn)行時，由于脈沖時間很短，為觀察到器件受脈沖中子輻照的瞬時損傷行為，采用多路同步機(jī)給出外觸發(fā)信號，啟動測量系統(tǒng)對晶體管信號進(jìn)行連續(xù)采集，目的是為了與瞬態(tài)累計中子注量的時間對應(yīng)。

圖3 測試系統(tǒng)組成框圖Fig.3 Sketch map of measure system.

圖4 3DK9D的脈沖中子輻射響應(yīng)曲線(a) 瞬態(tài)輻照下直流增益隨時間變化關(guān)系，(b) 瞬態(tài)輻照下直流增益隨累計中子注量變化關(guān)系Fig.4 Response curve of pulse neutron radiation on 3DK9D.(a) Relationship between hFEand radiation time on transient, (b) Relationship between hFEand neutron fluence on transient

在中子脈沖輻照的整個過程中，晶體管始終處于工作狀態(tài)。利用脈沖堆500 W功率時的探頭輸出信號，經(jīng)整形、限幅后輸出一個階躍信號，作為測量系統(tǒng)的統(tǒng)一時間基準(zhǔn)，經(jīng)同步機(jī)觸發(fā)效應(yīng)參數(shù)測量系統(tǒng)進(jìn)行采集、測量，從而獲得晶體管直流增益隨輻照中子注量變化的瞬時脈沖輻照損傷規(guī)律。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1試驗結(jié)果

圖4給出了5只晶體管3DK9D（器件序號為1-1-1-5）在CFBR-II堆爆發(fā)脈沖全過程下的直流增益隨輻照時間及累計中子注量變化的波形。

試驗中的中子脈沖半高寬為180 μs，晶體管位置處中子注量率為1.38×108cm-2.W-1.s-1。

為便于分析晶體管的瞬態(tài)輻射響應(yīng)特性，將瞬態(tài)試驗獲得的數(shù)據(jù)與穩(wěn)態(tài)輻照模式下獲得的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，兩種輻照模式下采用的輻射源相同，能譜一致。圖5給出了5只晶體管3DK9D（器件序號為4-1-4-5）在CFBR-II堆穩(wěn)功率運(yùn)行全過程下的輻射響應(yīng)波形。

圖5 3DK9D的穩(wěn)態(tài)輻射響應(yīng)曲線(a) 穩(wěn)態(tài)下直流增益隨時間變化關(guān)系，(b) 穩(wěn)態(tài)下直流增益隨累計中子注量變化關(guān)系Fig.5 Response curve of steady radiation on 3DK9D.(a) Relationship between hFEand radiation time on steady, (b) Relationship between hFEand neutron fluence on steady

3.2結(jié)果分析

從圖4和圖5的試驗結(jié)果觀察到，同一種輻照模式下的5只器件在輻照全過程中的直流增益變化趨勢是一致的。這說明，輻照前經(jīng)過嚴(yán)格電參數(shù)篩選的同類器件具有很好的輻射損傷一致性，從而可以排除因器件的個體差異帶來的測量不確定度。

但是，瞬態(tài)輻照時器件的直流增益變化與穩(wěn)態(tài)輻照的情況有明顯差別：首先，在瞬態(tài)輻照初始時，晶體管的hFE隨輻照注量的增加，先出現(xiàn)一個明顯的上升過程(圖4)，在中子脈沖峰半高寬附近達(dá)到最大值，然后逐漸下降，形成一個輻照峰，且輻照峰提前于脈沖中子峰；而穩(wěn)態(tài)輻照下的晶體管hFE則隨輻照時間和輻照注量的增加一致單調(diào)地下降(圖5)。其次，器件在兩種模式下的輻照損傷效應(yīng)差別明顯：瞬態(tài)輻照（累計中子注量為2.59×1013cm-2）結(jié)束后，器件的直流增益出現(xiàn)了快速恢復(fù)，而穩(wěn)態(tài)輻照（累計中子注量為3.043×1013cm-2）結(jié)束后，器件的直流增益恢復(fù)不明顯。

對于以上現(xiàn)象的分析認(rèn)為，瞬時輻射損傷效應(yīng)是由電離效應(yīng)和位移效應(yīng)共同作用的結(jié)果。在輻照開始的脈沖前沿階段，由于脈沖中子注量較低（脈沖半高寬之前的累計中子注量不足1011cm-2），位移損傷效應(yīng)尚不明顯，但由于中子注量率急劇上升，此時中子與Si發(fā)生作用產(chǎn)生的重帶電粒子具有初始動能，會引起器件的電離損傷。當(dāng)器件存在偏壓時，產(chǎn)生的電子、空穴對引起瞬時電流增加，所以在脈沖中子輻照初期，電離效應(yīng)占主導(dǎo)作用，宏觀體現(xiàn)為直流增益的增加。

隨著脈沖功率的快速增長，中子注量不斷增加，位移損傷加劇，盡管電離損傷也在增加，但增加幅度不及位移損傷明顯，尤其是電離損傷在微妙量級的時間內(nèi)多數(shù)能恢復(fù)，相對于毫秒量級的少許位移損傷的恢復(fù)，電離損傷效應(yīng)已不明顯，綜合效果是多余載流子隨時間增加而減少，宏觀體現(xiàn)為直流增益的降低。

從輻照結(jié)束后器件的終態(tài)效應(yīng)來看，瞬態(tài)輻射結(jié)果與穩(wěn)態(tài)輻射結(jié)果有明顯的差別。從圖4看出，當(dāng)中子脈沖輻射結(jié)束后100 ms（對應(yīng)的累計中子注量為2.59×1013cm-2）時，晶體管出現(xiàn)了明顯的瞬時退火，器件的直流增益明顯增長；而從穩(wěn)態(tài)輻射結(jié)果看(圖5)，晶體管在輻射結(jié)束后（對應(yīng)的累計中子注量為3.04×1013cm-2），直流增益的增長趨勢并不明顯。這說明，晶體管在脈沖中子輻照下產(chǎn)生的缺陷是不穩(wěn)定的，部分缺陷得以恢復(fù)，形成了瞬時退火效應(yīng)。

4 結(jié)語

雙極晶體管的瞬態(tài)脈沖中子輻射效應(yīng)試驗結(jié)果表明，輻照所致的損傷取決于輻照總中子注量、中子注量率以及注量率的變化。由于瞬態(tài)輻照注量率在中子脈沖峰期間急劇變化，過高的中子注量率產(chǎn)生電離效應(yīng)，使得晶體管的直流增益變化在輻照初期與瞬時電離輻射響應(yīng)有很大關(guān)系，所以在整個中子脈沖輻照全過程中，由于電離效應(yīng)與位移效應(yīng)的共同作用，使晶體管直流增益響應(yīng)在宏觀上出現(xiàn)了“輻照峰”。而穩(wěn)態(tài)輻照則不然，由于輻照期間中子注量率保持恒定，電離損傷相比位移損傷不明顯，宏觀上體現(xiàn)為直流增益單調(diào)下降。當(dāng)脈沖結(jié)束后，器件的瞬時退火效應(yīng)顯著，直流增益明顯增長，這與穩(wěn)態(tài)輻照結(jié)果出現(xiàn)較大差異。所以，對于相同累計中子注量下的輻照損傷，瞬時損傷效應(yīng)規(guī)律比穩(wěn)態(tài)輻照時更加復(fù)雜。

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Experimental study of transient neutron radiation damage regularities in bipolar transistor

LU Yi QIU Dong LI Junjie ZOU Dehui RONG Ru

(Institute of Nuclear Physics and Chemistry,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621999,China)

Background:The transient neutron radiation damage effect was an important parameter for evaluating radioresistance of electron device.Purpose:The aim is to obtain the response to transient irradiation of bipolar transistors under pulse neutron radiation.Methods:In this paper, the silicon bipolar transistors (3DK9D) with good similarity of parameters have been employed as the displacement damage monitors based on the liner relationship between the reciprocal of gain and the neutron flux. Response characteristic of pulse neutron radiation for this transistor was obtained by on-line measuring the variation of zero-frequency gain the along with accumulation of the neutron flux.Results:The transient neutron radiation damage effect on transistors was the combined action of ionizing damage and displacement damage.Conclusion:The results shown that the transient irradiation effect of transistors was more remarkable than steady irradiation with the same accumulative neutron flux.

Bipolar transistor, Transient radiation effect, Pulse neutron irradiation, Direct current gain, Neutron fluxCLCTL81

TL81

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.090403

魯藝，女，1969年出生，2006年于四川大學(xué)獲碩士學(xué)位，副研究員，主要從事核探測技術(shù)與核儀器儀表研究

2015-04-24，

2015-06-05