双极型器件的总剂量辐射效应与损伤机理-医学资料
双极型模拟ic总剂量效应仿真验证研究
0 引言
近年来袁 我国的航天科技事业得到了蓬勃的 发展遥 航天用集成电路芯片作为航天电子系统的 核心器件之一袁 其质量与可靠性水平在很大程度
IC for aerospace applications袁 combined with the simulation method of semiconductor devices based on failure physics袁 a simulation verification method for total ionizing dose effect of bipolar analog IC based on failure physics is proposed. On this basis袁 taking a high performance fixed-frequency current -type controller chip as the research object袁 by simulating the anti-total dose capability of bipolar controller unit袁 it can be determined that the anti -total dose capability of the chip is higher than 100 kad 渊Si冤 when the dose rate is 0.1 rad 渊Si冤 /s袁 it is consistent with the experimental results袁 which provides a new way to evaluate the anti total dose capability of bipolar analog IC.
半导体器件辐射效应及抗辐射加固
半导体器件辐射效应及抗辐射加固随着空间技术和国防科技的不断发展，半导体器件在航空、航天、军事等领域的应用越来越广泛。
然而，半导体器件在受到空间辐射后会产生各种效应，如离子注入、光刻、蚀刻等，这些效应会导致器件性能下降甚至失效。
为了提高半导体器件的可靠性，抗辐射加固技术成为了研究热点。
半导体器件受到辐射后，会产生各种效应。
其中，离子注入是一种常见的辐射效应，它是指高能离子在半导体中注入并形成堆积层，从而导致器件性能下降。
光刻则是指辐射引起的半导体表面形态变化，它会导致器件的几何形状和尺寸发生变化，进而影响性能。
蚀刻也是辐射效应之一，它是指辐射引起的半导体表面物质损失和形貌变化，进而导致器件性能下降。
为了应对半导体器件的辐射效应，各种抗辐射加固技术应运而生。
材料选择是一种有效的加固方法。
通过选择具有优良抗辐射性能的材料，如碳化硅、砷化镓等，可以显著提高半导体器件的抗辐射能力。
结构优化也是一种有效的抗辐射加固技术。
例如，通过优化器件的结构，可以降低辐射对器件性能的影响。
减少剂量率也是一种可行的加固方法。
通过降低辐射剂量率，可以减少器件受到的辐射损伤，从而提高器件的可靠性。
为了比较各种加固技术效果，我们选取了一种常见的半导体器件——互补金属氧化物半导体（CMOS）进行实验研究。
我们采用材料选择方法，分别选用碳化硅和硅材料制作CMOS器件。
实验结果表明，碳化硅材料的CMOS器件性能更稳定，抗辐射能力更强。
然后，我们采用结构优化方法，对CMOS器件的结构进行了优化设计。
优化后的CMOS 器件在受到辐射后，性能下降幅度明显减小。
我们采用减少剂量率方法，降低了辐射剂量率。
实验结果显示，降低剂量率后，CMOS器件的性能更加稳定。
本文对半导体器件的辐射效应及抗辐射加固技术进行了深入探讨。
通过实例分析，我们发现材料选择、结构优化和减少剂量率等抗辐射加固技术均能有效地提高半导体器件的抗辐射能力，从而提高器件的可靠性。
其中，材料选择是最为关键的加固方法，它直接决定了器件的抗辐射性能。
辐射对细胞DNA损伤的机制解析
辐射对细胞DNA损伤的机制解析辐射是指电磁波、粒子束或高能物质对物质所产生的直接或间接影响。
辐射可以分为电离辐射和非电离辐射。
电离辐射指的是能够电离分子而产生电离对的辐射，包括X射线和γ射线等。
非电离辐射指的是不能电离分子但能引起分子结构改变的辐射，包括紫外线和红外线等。
在日常生活中，人们会接触到各种各样的辐射源，例如放射性物质、医学影像检查设备和通信设备等。
这些辐射源都可能对人体细胞造成损伤，尤其是对细胞中的DNA分子。
DNA是生物体遗传信息的储存库，是决定细胞功能和发育的基础。
因此，辐射引起的DNA损伤对生物体的健康和遗传有潜在的危害。
辐射对细胞DNA的损伤机制包括物理效应、化学效应和生物效应三个方面。
首先，物理效应指的是辐射与分子的相互作用导致DNA的物理改变。
例如，电离辐射中的高能粒子能量足以直接打断DNA链，形成双链断裂。
此外，电离辐射还能引发DNA链上的碱基损伤，如氧化损伤和烷基化等。
辐射还可以产生自由基，自由基与DNA分子产生反应导致DNA链的断裂和碱基改变。
其次，化学效应是指辐射引发了一系列与DNA的共价结合反应，进一步导致DNA的结构和功能的改变。
辐射可以引发DNA发生碱基修饰，如氧化、甲基化和硝化等。
这些化学修饰可能导致DNA碱基对配对发生错配或转换，进而影响DNA的复制和转录。
最后，生物效应是指辐射对DNA损伤所引发的生物反应。
辐射诱导的DNA损伤会激活细胞内的DNA损伤信号通路，如细胞周期检查点和DNA修复系统。
细胞周期检查点能够暂停细胞进程，使细胞有足够的时间来修复损伤的DNA。
如果DNA损伤无法修复，细胞将进入细胞凋亡程序，以避免遗传信息的错误传递。
然而，如果细胞的修复能力不足，或者损伤过于严重，DNA损伤可能会导致细胞突变或细胞死亡。
总结起来，辐射对细胞DNA的损伤主要通过物理效应、化学效应和生物效应三个方面发生。
这些损伤可能导致DNA碱基对错配、DNA链断裂以及DNA功能的改变。
《半导体器件电离辐射总剂量效应》札记
《半导体器件电离辐射总剂量效应》读书记录目录一、内容概览 (2)1.1 背景介绍 (3)1.2 研究目的与意义 (4)二、半导体器件电离辐射总剂量效应的基本概念 (5)2.1 半导体器件的电离辐射效应 (6)2.2 总剂量效应的定义与分类 (7)2.3 电离辐射对半导体器件的影响机制 (8)三、半导体器件电离辐射总剂量效应的理论基础 (9)3.1 半导体物理基础 (10)3.2 电离辐射与物质相互作用的理论 (12)3.3 总剂量效应的计算方法 (13)四、半导体器件电离辐射总剂量效应的应用 (14)4.1 在集成电路上的应用 (16)4.2 在薄膜器件上的应用 (17)4.3 在光电探测器上的应用 (19)五、实验方法与结果分析 (20)5.1 实验设备与材料 (22)5.2 实验方法与步骤 (23)5.3 实验结果与讨论 (25)六、半导体器件电离辐射总剂量效应的挑战与展望 (26)6.1 研究中的挑战 (27)6.2 未来研究方向与应用前景 (29)七、结论 (30)7.1 主要研究成果与发现 (31)7.2 对半导体器件发展的意义与影响 (33)一、内容概览本书主要围绕半导体器件的电离辐射效应展开，详细介绍了从辐射对半导体器件的直接影响到长期性能退化的整个过程。
从辐射对半导体器件的直接效应开始讲起，包括电离辐射引起的晶格损伤、点缺陷和电离缺陷的形成与复合等。
这部分内容为理解辐射对半导体器件的影响提供了基础。
本书深入探讨了半导体器件在电离辐射下的长期性能变化，特别是通过实验和模拟手段，揭示了辐射诱导的阈值电压变化、漏电流增加和击穿电压降低等现象的物理机制，并讨论了这些现象对器件性能和稳定性的影响。
书中还涉及了辐射对半导体器件制备工艺的影响，如掺杂分布的演变、表面态的改变以及氧化层质量的下降等问题。
还分析了辐射对集成电路可靠性的影响，包括软错误率上升、单粒子效应和总剂量效应等。
本书总结了半导体器件电离辐射效应的研究现状和发展趋势，指出了未来研究方向和应用前景。
辐射对人体细胞DNA的双链断裂损伤作用机制解析
辐射对人体细胞DNA的双链断裂损伤作用机制解析引言辐射是指以高能量传播的电磁波或粒子束干扰生物体的过程。
不同类型的辐射，如电离辐射（X线、γ射线）和非电离辐射（紫外线、可见光线），对人体细胞的DNA产生不同程度的影响。
辐射引起的DNA损伤是导致细胞死亡、遗传变异和癌症等严重后果的主要原因之一。
本文将探讨辐射对人体细胞DNA的双链断裂损伤作用机制。
一、辐射引起的DNA双链断裂DNA是生物体内存储遗传信息的重要分子，由两个互补的链组成，其中任何一个链的氮碱基序列都能决定对应位点的碱基。
辐射导致的DNA双链断裂是指辐射作用下，两条相邻碱基对之间的化学键被破坏，从而使DNA链断裂。
DNA双链断裂是非常严重的DNA损伤形式，可以导致基因突变、染色体异常和细胞死亡。
二、辐射引起的DNA双链断裂机制1. 直接效应辐射直接作用于DNA分子时，能量会直接传递给DNA碱基，使其发生损伤。
辐射粒子与DNA分子中的电子相互作用，造成电子失去能量，这些能量转移到DNA碱基上会导致碱基的化学键破坏，从而引起DNA双链断裂。
2. 间接效应辐射作用还能引发细胞内的化学反应，形成一系列高活性的自由基，如羟基自由基（•OH）和同源的氧自由基（•O2-）。
这些自由基对DNA造成的损伤是间接效应。
自由基会与DNA碱基和糖磷酸骨架发生反应，导致DNA双链断裂。
3. 水辐解效应水是细胞内主要的成分之一，在辐射中发挥重要的作用。
当水被电离辐射击中时，会产生一系列离子和自由基。
这些离子和自由基与DNA分子中的化学键进行反应，导致DNA碱基的损伤和链断裂。
三、DNA双链断裂修复机制细胞拥有高效的DNA修复机制来应对DNA双链断裂。
DNA双链断裂修复主要有以下几种机制。
1. 非同源末端连接（NHEJ）NHEJ是一种较快速的DNA修复机制，适用于一般的DNA双链断裂修复。
它通过将断裂的DNA末端重新连接，不需要同源模板参与。
然而，NHEJ修复过程可能会引入序列错误，导致基因突变。
不同偏置下10位双极模数转换器高低剂量率的辐射效应
２ 实验结果
图 １２ ３ 、 、 分别 给出在不 同剂量率 、 同偏 不 置条 件 下 ， Ｄ 的失 码 （ ｉ ｏｅ 、 性 误 差 Ａ Ｃ Ｍｓ ｃｄ ） 线 ｓ
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发展 ， 对于高速 、 高精度 、 低功耗的 Ａ Ｃ需求 日 Ｄ
收稿 日期 ：０ １ ２一 ８ ２ １ —１ Ｏ 作者简 介： 胥佳 灵 （９ ４一） 男 ， 疆大 学物 理科学 １８ ， 新
与技术学 院硕士 研究 生 ， 核技 术及应 用专 业。主要 从事模拟器件和 电路不 同辐 射源 、 同剂量 率的辐 不 射损伤 及机 理 分 析。通 讯 作 者 ： 妩 （ ９ ２一） 陆 １６ ， 女， 中科 院新 疆理化技 术研 究所 研究 员 ， 导 ， 博 新疆
胥佳 灵 ， 。陆 妩 ， 吴 雪 ， 。何承发 ， 胡天乐 ， ＇ ｖ
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健 ， 。张乐情 ， 。于 新 ，
（． １中科院新疆 理化技术研究所 ， 乌鲁木齐 ８０ １；． ３０ ２新疆大学 物理科 学与技术学院 ， １ 乌鲁木 齐 ８０４ ；． ３０６３新疆电子信息材料 与器件重点实验 室 ， 乌鲁木齐 ８０ １） ３０１
Ｄ Ｓ 。对 于 Ａ Ｃ方 面 的研 究 ， Ｒ） Ｄ 国外 近些 年 主 要集 中在不 同型号 、 同工 艺 的高性 能 Ａ Ｃ总 不 Ｄ 剂 量效 应 和 测 试 方 法 的 研 究 。 由 于 Ａ Ｃ Ｄ
电离总剂量辐射效应及加固方法解析
目录一、辐射环境 (2)1.1 范艾伦辐射带 (2)1.1.1 内辐射带（Inner Belt） (3)1.1.2 外辐射带（Outer Belt） (3)1.2 宇宙线辐射环境 (3)1.2.1 银河宇宙线 (3)1.2.2 太阳宇宙线 (3)1.3 核爆辐射环境 (4)1.4 存在电离总剂量辐射的环境 (4)二、总剂量辐射损伤的产生机理 (4)三、电离总剂量辐射对器件的影响 (6)3.1 总剂量辐射对NMOS晶体管关态漏电流的影响 (6)3.2 总剂量辐射对VDMOS晶体管1/f噪声的影响 (7)3.3 总剂量辐射对SRAM静态功耗电流的影响 (8)3.4 总剂量辐射对SRAM功能的影响 (9)四、针对辐射损伤所采取的辐射加固方法 (9)4.1 环形栅结构 (10)4.2 H形栅结构 (13)4.3 P+保护环 (15)4.4 厚场氧旁附加薄场氧层 (16)电离总剂量辐射效应及加固方法解析起草人：丛忠超一、辐射环境辐射环境主要包括空间自然辐射环境和人造辐射环境两种。
其中，空间辐射环境又可以分为范.艾伦辐射带和宇宙射线两种，而人造辐射环境主要是指核武器爆炸和地面辐射模拟源两种。
下面针对上述辐射环境进行详细介绍。
1.1 范艾伦辐射带所谓地球辐射带就是指那些存在于地球周围的高能粒子集中的区域，一般存在于近层宇宙空间中，即距离地球100公里到几百公里的空间。
它是由美国科学家詹姆斯·范艾伦于1958年根据美国第一颗卫星的空间粒子探测得出结果推测发现的，因此被称为范·艾伦辐射带。
范.艾伦辐射带是由地磁场俘获高达几兆电子伏的电子以及高达几百兆电子伏的质子组成，其中只有很少百分比像O+这样的重粒子，其分布结构图如2.1所示。
由图可知，高能质子与高能电子主要分布在两个对称的集中区域，在赤道附近呈环状绕着地球，并向极地弯曲，这两个区域分别被称为内辐射带和外辐射带，简称内带与外带，其中距离地球较近的称为内带，距离地球较远的称为外带，它们共同组成了范艾伦辐射带，下面将分别介绍内带与外带。
反熔丝fpga器件γ剂量率辐射效应规律探讨
反熔丝fpga器件γ剂量率辐射效应规律探讨一、引言反熔丝FPGA器件是一种新型的可编程逻辑器件，具有高度的可编程性和灵活性，在计算机科学、通信、航空航天等领域有着广泛的应用。
然而，随着电子设备的不断发展，器件所面临的辐射环境也越来越恶劣，辐射效应已经成为影响器件可靠性和稳定性的主要因素之一。
因此，对于反熔丝FPGA器件γ剂量率辐射效应规律进行探讨具有重要意义。
二、反熔丝FPGA器件简介反熔丝FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种新型的可编程逻辑器件。
与传统固定功能集成电路相比，FPGA具有高度的可编程性和灵活性。
通过对其内部逻辑单元进行重新编程，可以实现不同功能的电路设计。
在计算机科学、通信、航空航天等领域有着广泛的应用。
三、γ剂量率简介γ剂量率是指单位时间内接受到的γ射线能量。
γ射线是一种高能电磁波，具有强穿透力和较强的电离能力。
在电子设备中，γ射线是主要的辐射源之一。
四、反熔丝FPGA器件γ剂量率辐射效应规律1. 辐射损伤机理当反熔丝FPGA器件受到γ射线的辐照时，γ射线会与器件内部的原子核和电子发生相互作用，产生大量次级粒子。
这些次级粒子会对器件内部的晶体管、反熔丝等元件造成损伤，导致器件性能下降或失效。
2. γ剂量率对反熔丝FPGA器件的影响随着γ剂量率的增加，反熔丝FPGA器件所受到的辐射剂量也会不断增加。
当γ剂量率达到一定值时，器件内部元件所受到的辐射损伤将超过其承受能力范围，导致器件性能下降或失效。
3. 反熔丝FPGA器件抗辐射性能评价指标（1）单粒子效应阈值（SEU threshold）单粒子效应阈值是指单个离子撞击反熔丝FPGA芯片时所需产生的电离对数。
SEU threshold越高，说明器件对单粒子效应的抵抗能力越强。
（2）总剂量效应（TID）总剂量效应是指器件在整个辐照过程中所受到的累积辐射剂量。
TID越大，说明器件所受到的辐射损伤越严重。
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张婷 华南理工大学 电子与信息学院
赵婷 2019年9月14日
摘要
随着空间技术的发展，双极型器件和线性电路被广泛应用 于辐射环境。 1、从钝化层辐射损伤机理出发，介绍辐射诱生钝化层固定 电荷与界面态的产生机理与计算模型。 2、结合基极电流模型探讨双极型器件与电路的总剂量辐射 效应。 3、针对双极型器件的低剂量率辐射损伤机理与模型展开讨 论。
1.2 辐射诱生钝化层固定电荷的计算模型
考虑辐射诱生电子－空穴对及钝化层内电子、空穴的电流密度，空穴 和电子的连续性方程分别为
式(2) 、(3) 中: n0为单位剂量内氧化层中辐射诱生电子－空穴对的数量; D 为辐射剂量率; φ 为电子 /空穴复合逃逸率，其与氧化层内电场强度有关; jp、 jn为自由空穴、自由电子的电 流密度;
器件静态 电流增益 β下降
基于器件辐射损伤机理，业界对不同结构双极型器件的总剂量辐射效
应ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ展大量试验研究。
研究结果
衬底 PNP( SPNP) 、横 向 PNP( LPNP) 和纵向 PNP( VPNP) 器件的归一 化电流增益随总剂量变化
如图 4 所示。 与辐射前相比，3种器件 电流增益均出现不同程度
式(11) 中: vth为热速率; σn和 σp分别为电子与空穴的捕获横截面; Dit为界面态密度。
双极型器件的基极电流IB与表面复合速度Sr有关，如式(12)
式(12) 中: xdB为耗尽区宽度; Veff 为基－射结有效电压。
界面态 密度Dit
表面复合 速度Sr增 加
器件复合基 极电流IB增 加
当双极型器件与线性电路应用于空间辐射环境时,
面临的问题？
器件将面临长时间、高能量、大剂量的粒子辐射，器件和电路性能将 会退化，系统寿命显著减少。
本文的工作
从器件钝化层的辐射损伤机理出发，基于辐射诱生钝化层固定电荷与 界面态，结合双极型器件的基极电流模型，探讨双极型器件的总剂量 电离辐射效应， 并针对双极型器件的低剂量率辐射损伤效应与机理展 开讨论。
式( 7) 中，等式右边三项分别为自由空穴被陷阱捕获后释放的氢离子数目、 氢离子流密 度及氢离子与硅氢悬挂键反应的数目。NsiH 与Nit分别为硅氢悬挂键及界面态密度， jH 为 氢离子流密度; σit为氢离子与硅氢悬挂键反应的概率( 横截面) 。
辐射诱生界面态的连续性方程为:
式( 8) 中，等式右边两项分别为界面态的生成数量及界面态随时间的退火数量。τit为界面 态的寿命。
联解方程( 2) ～ ( 8) ，即可得到辐射诱生钝化层－Si界面处界面态密度 随总剂量的变化关系。
2 器件辐射损伤机理与模型
辐射诱生氧化层固定电荷与界面态都将对双极型器件的电学参数
产生影响。
氧化层固定电荷将改变Si－SiO2界面处的电势，使P型掺杂区域表面 耗尽乃至反型，而N型掺杂区域表面积累。P型表面反型将导致器件 漏电电流增加，击穿电压下降; 而 N 型区域( NPN 晶体管的基极和 PNP 晶体管的发射极)耗尽将使得器件表面复合电流增加，基极电流 上升，导致器件静态电流增益 β 随之下降。氧化层固定电荷与基极电 流变化 ΔIB关系为：
四
辐射诱生空穴的漂移过程中将 产生部分氢离子; 氢离子亦向 SiO2 /Si 界面处跃迁。当H离 子到达SiO2/Si界面时，其将使 部分SiH键断裂，形成H2分子 和三价硅陷阱，反应式： SiH + H+→ Si + H2。 (1) 辐射诱生界面态将影响器件的 表面复合速率，并导致器件直 流增益减小 。
与式(2) 、(3) 相似，
钝化层内被中立陷阱捕获空穴的一维连续性方程:
联解式( 2) ～ ( 6) ，即可得到钝化层内中立陷阱捕获空穴的数量。
1.3 辐射诱生界面态的计算模型
基于钝化层内空穴、电子、H离子的一维连续性方程，可推导出辐射 诱生界面态密度随总剂量的变化关系。空穴被陷阱捕获后释放出的 氢离子 ( 质子) 的连续性方程为:
Ｒp、Ｒn为电子－空穴复合速率，分别为:
式( 4) 、( 5) 中: σp 为中立陷阱捕获空穴的捕获横截面; σn为电子与被捕获空穴的复合横 截面; NT为中立陷阱数量; PT 为被陷阱捕获空穴数量。若需考虑双极型器件的剂量率效应， 则需对式( 4) 与式( 5) 进行修正，以考虑各种电子－空穴的复合过程。
Sr 为表面复合速度， KT 为热电势，VBE为基－射极电压，Nox为氧化层净电荷 密度，α = 0.5 qniPE，γ 为
式( 10) 中: φs 为表面势，取决于氧化层固定电荷密度; ni为本征载流 子密度; PE为发射极周长; y 为横向位置变量; rB = 1.44 yB。
辐射诱生界面态将影响器件基极－发射极耗尽区的表面复合速度，如 式(11)
二
辐射诱生空穴受外部电场和 内建电场影响将逐渐向 Si/SiO2界面输运，空穴在外 加电场作用下通常为跃迁输 运。空穴在钝化层内浅陷阱 能级间的跃迁为一个随机空 间分布过程，与外加电场、 温度、氧化层厚度等有关， 室温下将在1s内完成整个跃 迁输运过程。
三
在空穴向 Si/SiO2界面输运 过程中，部分空穴可能被 深能态中立陷阱(包括 E， 中心、间隙氧施主中心Oi 和三价硅施主中心) 捕获形 成氧化层固定电荷，氧化 层固定电荷将造成器件表 面反型、增益减少和漏电 流增加。
1 钝化层的辐射损伤机理与模型
双极型器件结构如图 1 所示
研究结果表明: 双极型器件电离辐射敏感区域为SiO2钝化层，辐
射诱生氧化层陷阱电荷与界面态将影响器件的电学参数，如基极电 流、 直流增益等。
1.1 钝化层的辐射效应
钝化层的总剂量辐射效应可 分为4个过程
一 当器件受到总剂量电离辐射
时，钝化层将吸收能量并产 生电子-空穴对，每对辐射诱 生电子-空穴对所需能量为 17±1eV。整个辐射过程中， 部分电子-空穴对在短时间内 复合; 电子在钝化层中迁移率 较高(室温下约为20 cm2 v-1s1 ) ，未复合电子将在ps或更 短时间内漂移出钝化层。空 穴迁移率极低(室温下约为105cm2v-1s-1)，相对电子较稳定。