(完整版)第04章核辐射失效及抗核加固

第四章核辐射失效及抗核加固

1*核辐射环境

由于核武器技术/空间技术和核动力的发展，大量的电子设备和系统必然要处于在核武器爆炸和其它核环境下工作。核辐射环境对于电子系统来说是目前存在的最恶劣环境。核武器爆炸时，除了产生大火球和蘑菇云外，还会产生具有巨大破坏作用的冲击波/光热辐射/放射性沉降物/核辐射和核电磁脉冲等。其中，核辐射和核电磁脉冲对电子和电力系统/电子元器件的破坏作用最为严重。

电子元器件所受的辐射损伤可以分为永久损伤/半永久损伤和瞬时损伤等几种情况。永久损伤就是在辐射源去除后，元器件仍丧失工作性能不能恢复性能效应；半永久损伤是辐射源去除后，在不太长的时间内元器件可逐渐地自行恢复性能；瞬时损伤效应是指在辐射源消失后，元器件的工作性能能立即得到恢复。

人造地球卫星和宇宙飞船在空间飞行时，将受到空间各种高能粒子的轰击。空间辐射的主要来源是天然辐射带和高空核爆炸造成的人工辐射带。天然辐射带又称为范艾伦辐射带，它是由于地球附近存在着大量的带电粒子，在地磁场作用下它们始终在地磁场的“捕获区”内运动而构成。天然辐射带象一条很宽很厚的带子围绕在地球周围，其主要成分是质子和电子。它又分内辐射和外辐射两部分。内带位于160----800Km的高度间，由能量小于500MeV的质子和和能量小于1MeV的低能电子组成。外带位于800----3200Km的高度间，主要是由能量为0.4KeV到1.6KeV的电子组成。范艾伦带的电子和质子构成了空间飞行器的主要威胁，飞行器外表面的太阳能电池和内部的晶体管/集成电路等将受到损伤。中/低轨道的卫星主要是受内辐射带中质子和电子的影响；高轨道卫星则主要是受到外辐射带中的电子和太阳质子事件粒子的影响。

高空核爆炸产生的大量的高能粒子，在地磁场的作用下沿磁力线来回运动，并逐渐扩散而形成一个围绕地球的辐射带，它称之为人工辐射带。人工辐射带由高能电子组成，它的强度比天然辐射带强得多，对卫星和飞船的电子设备/仪器仪表和电子元器件等都有较大的破坏作用。

核反应堆和同位素电池等也会在其周围产生一定程度的核辐射。我们把这种环境称为核动力环境。核反应堆周围的核辐射主要是中子和γ射线；其中中子引起的损伤比较严重。

2*核辐照效应极其机理

核武器爆炸时产生的中子和γ射线和核电磁脉冲，以及空间辐射中的电子/质子和高能粒子，虽然都能造成电子器件和电子系统的损伤，但它们对不同器件的损伤机理却不相同。

中子在半导体内产生位移效应，引起半导体器件的永久损伤；γ射线在半导体器件的表面钝化层内产生电离效应，引起半永久损伤；瞬时γ辐射在反偏的半导体PN结中产生瞬时光电流；核爆炸时产生的核电磁脉冲会在电子系统内部和外部产生很强的感应电流，它们将引起电子系统的瞬时干扰和永久损伤。空间辐射中的高能电子能引起电离效应；质子能引起位移效应。高能质子/高能中子还能引起单粒子效应。

一．位移效应

中子不带电，它具有很强的穿透能力，可以足够地靠近被照射材料原子的原子核。当中子与原子核发生弹性碰撞时，晶格原子在碰撞中获得能量后离开了它原来的点阵位置，成为晶格中的间隙原子，并在原来的位置上留下一个空位，因而形成了一个空位---间隙原子对。通常将它们称为弗兰克尔（Frenkel）缺陷。这种现象称为位移效应。硅晶格原子的位移阈值约为15eV。中子弹性碰撞产生的高能晶格原子又能使更多的晶格原子位移，从而在晶体内形成了局部损伤区---缺陷群。由于位移效应破坏了半导体晶格的

势能，因而在禁带中形成了新的电子能级；它可以起复合中心和杂质补偿中心以及载流子散射中心的作用，所以引起载流子浓度/电导率和少数载流子寿命及迁移率等大大下降，直接影响半导体特性。位移效应对半导体材料性能的影响有以下三方面：1．减少半导体多数载流子的密度。由于孔穴---间隙原子对在禁带中形成的新电子能级，可以充当多数载流子的复空中心，从而引起了半导体中多数载流子的减少，这种现象称为多子去除效应。把每平方厘米中的一个中子消除的自由多数载流子数目定义为载流子去除率，用以衡量中子对多数载流子的影响程度。因为载流子的去除率与半导体的费米能级有关，而费米能级主要取决于杂质浓度，因此，去除率直接与掺杂浓度有关。载流子去除效应将引起N型和P型硅趋向于本征硅（即电阻率增大）。这种效应是以多数载流子为导电机理的半导体器件特性衰退的主要原因。位移效应和多子去除效应对双极器件的危害最大，它增大了发射结空间电荷区的产生----复合电流，缩短了基区少子寿命，从而引起电流放大系数下降，饱和压降增大以及微波管的截止频率下降等。

2．载流子迁移率的衰减。中子辐照引起多数载流子密度和迁移率降低。

3．影响少数载流子寿命。少数载流子寿命是中子辐照引起半导体材料特性变化的最灵敏参数，它是以少数载流子为导电机理的半导体器件对中子辐照特别灵敏的主要原因。处于低注入下工作的双极型晶体管，经过1010个/cm2中子注量辐照器件特性开始衰减，而在1013个/cm2中子时则严重衰减。

二．电离效应

当辐射粒子穿透物质并与原子轨道上的电子相互作用时，辐射粒子就会把能量传递给电子。如果电子获得的能量大于它的结合能时，电子将离开原来的轨道成为自由电子，原子则变成带正电荷的离子而成为空穴，产生电子---空穴对，这一过程称为电离过程。

1．γ射线和X射线特别容易引起电离效应。电离效应在半导体内部产生的电子---空穴对可以很快地复合，因而对半导体器件的影响并不大。但是，在器件表面钝化层中特别是MOS器件的栅氧化物中，因电离效应形成的正空间电荷则构成了电离陷阱，并使SiO2---Si界面密度增加；电离效应在PN结上能产生PN结瞬时光电流；γ射线还可以使管壳中的气体电离，在芯片表面积累可动电荷，引起表面复合电流和沟道电流。

2．电离效应对MOS器件的危害最大，它会导致阈值电压漂移；对MOS电容器的C—V曲线，则引起曲线向负栅方向漂移并发生严重畸变。

三．瞬时辐射效应

1．瞬时γ脉冲辐射在反偏PN结中将产生瞬时光电流。因为瞬时辐照在PN结空间电荷区内产生了大量的电子---空穴对，它们在PN结内电场的作用下，产生了漂移运动。即电子被拉向N区，空穴被拉向P区，从而形成了空间电荷区的光电流。这种光电流的方向是从N区向P区，其大小与空间电荷区的宽度有关。而空间电荷区又与反偏电压有关，所以空间电荷区光电流随反偏压的大小而变化。

瞬时辐照在空间电荷区附近的少数载流子扩散区内产生的大量电子---空穴对，它们可以分别扩散到空间电荷区边界，由漂移运动通过空间电荷区，从而形成所谓扩散区光电流。扩散区光电流与空间电荷区光电流的方向相同，它的大小与少数载流子的扩散长度有关，而扩散长度与少数载流子寿命有关，所以扩散区光电流随少数载流子寿命变化而变化。

瞬时γ脉冲的宽度越大，产生的过量载流子越多，光电流也越大。因此，瞬时光电流的大小，直接与γ脉冲的剂量率/脉冲宽度/PN结面积，少数载流子寿命和反偏压大小等因素有关。

2．瞬时辐照下，晶体管除了BC结产生的初始光电流外，还产生二次光电流。在高剂量率下，峰值光电流出现的突变现象，正是由二次光电流引起的。二次光电流的出现

是由于BC结光电流流进基区而提高于基区电位，它相当于在EB结上加上了一个正向偏压，引起发射结注入电流增大，因而使初始光电流得到了放大。放大后又出现的光电流被称为二次光电流。由于二次光电流大于初始光电流，从而使光电流偏离与剂量率的线性关系，出现突变。

3．瞬时辐照引起半导体器件发生栓锁是另一种瞬时辐照效应。这种效应仅发生在有PNPN四层结构的器件中，这种四层结构等效于互补的PNP和NPN晶体管，它们相当于可控硅结构。体硅CMOS电路中因为存在着许多固有的四层结构，所以特别容易引起栓锁效应。在PN结隔离的单块集成电路中也同样存在着许多寄生PNPN四层结构。这种四层结构产生栓锁的条件是：

（1）互补晶体管的电流增益乘积大于1或等于1，即βpnp*βnpn≥1。

（2）两只互补晶体管的发射结同时保持正向偏置（与辐照有关）。

（3）电源能提供NPNP可控硅结构的维持电流。

瞬时辐照在集成电路中产生的瞬时光电流，有可能触发寄生的四层可控硅结构发生栓锁。例如，一般未加固的CMOS电路，在106Gy（硅）/S量级剂量率的瞬时辐照下就会发生栓锁。

四．单粒子效应

单粒子效应又叫单粒子扰动，是最近几年发现的重要核辐射效应。这种效应是单个粒子作用的结果，故称之为单粒子效应。单粒子效应使半导体器件产生的错误，称之为软错误（可以恢复）。它是一种随机的非循环的单个错误。随着集成电路集成度的提高，元器件的尺寸进一步减小，人们发现陶瓷管壳中存在微量放射性同位素产生的α粒子也能引起存储器瞬时损伤（如64K动态随机存储器）。

1．α粒子能引起单粒子效应。α粒子是氦核粒子（Z=2），α粒子穿透硅片的深度与它的能量有关。一般从陶瓷管壳中产生的α粒子，能量为5MeV，穿透深度为25um，产生电子---空穴对的数目为106量级。α粒子在灵敏区内产生的大量电子----空穴对，由扩散和漂移运动分别被P区和N区收集，这种由电荷引起的电流能使半导体器件产生软错误。α粒子能量不同引起的软错误率也不同，能量在4MeV左右的α粒子引起的软错误率最大。α粒子的注入角度不同，引起的软错误率也不同；其中60*注入角引起的软错误最多，因为这样的注入角度在灵敏区内穿透的路径最长。

对于动态随机存储器，当α粒子穿透存储电容器时容易激发软错误，从而使“1”态反转成“0”态。因为α粒子穿透电容时产生电子—空穴对，在电荷聚集效应的作用下，电子被拉向电容的电子阱，而空穴被拉向P型衬底。当存储器为“1”态时，由于电子阱中缺乏电子，大量电子被补充进去，从而使“1”态反转成“0”态。而存储器为“0”态时，因为电子阱内已充满电子，所以不能反转。试验表明，α粒子对动态随机存储器的损伤不仅发生在存储电容上，而且主要发生在N+位线上。因为N+区可以收集电子—空穴对中的电子，收集电子后改变了位线的电位从而使存储单元读出和写入错误的数据。试验还表明，读出放大器也可以产生两种几率的软错误。读出放大器实际上是一个触发器，在α粒子的作用下可以从一种状态转换到另一种状态，并且两种状态相互转换的几率同时存在。

2．核爆炸产生的聚变中子和其它高能中子也能引起单粒子效应。高能中子通过硅原子的核反应淀积能量。一个14MeV的中子与硅原子作用，产生下列四种主要核反应：28

Si（n，n）2814Si 弹性散射，2814Si（n，p）2813Al

14

28

Si（n，n/）2814Si 非弹性散射，2814Si（n，2）2814Mg

14

六种反应产物中，α粒子具有最大能量，又加上其阻塞能力比质子大，能在小体积内产生大量的电子---空穴对，因而对单粒子效应的贡献最大。

3．重核粒子，特别是宇宙射线中的核粒子，几乎对所有的大规模集成电路都能产生单粒子效应。重粒子穿入硅片，由于库仑力相互作用的结果，把能量传给电子。带有不同能量的二次电子，向不同方向发射，约经过几微米的距离并产生大量电子----空穴对，形成一个圆柱型电离区。如果这个电离区，位于半导体器件的灵敏区，就会引起单粒子效应。

3*核辐射对半导体器件的影响

提高电子系统的抗核辐射能力，除了在屏蔽和系统设计上采取相应的措施外，关键是提高电子元器件的抗辐射能力。大量试验表明，半导体器件和集成电路最容易受到核辐射的损伤。

半导体器件不同，其辐射退化机理也不同。对于双极器件，辐射的瞬时损伤是PN 结光电流，永久损伤则是电流增益下降/饱和压降增加和漏电流增加。在结型器件中，可控整流器/单结晶体管和太阳能电池等最容易受到损伤。所以，在辐射环境中应尽可能避免使用可控硅和单结晶体管，其次是功率管和低频管，而高频管稍好一些。MOS场效应管器件的电离辐射损伤比较严重，γ射线引起二氧化硅的电离陷阱及Si---SiO2界面态增加，使阈值电压VT改变，而且减小沟道迁移率，从而降低跨导和增加噪声。这其中最敏感的参数是VT。

一．双极晶体管的辐照特性

1．双极晶体管的电流增益受中子辐照的影响特别严重，中子辐照使其下降，下降幅度与下列因素有关：

（1）与注入电流的大小有关。当注入电流较大时，中子辐照对少数载流子寿命的影响较小，从而使电流增益下降也较小。

（2）与基区宽度和杂质分布有关。基区愈窄，基区内的复合电流就愈小，电流增益的下降也愈小。

（3）与工作频率有关。频率愈高，抗中子辐射能力愈好。

2．对于功率晶体管，饱和压降增加量是中子辐射引起的一个重要参数。其原因来自两方面，一方面是中子的多数载流子去除效应引起芯片中硅材料电阻率增大；另一方面是中子的位移效应引起电流增益降低导致饱和深度减小的结果。

3．中子辐射引起开关晶体管开关上升时间增加，存储时间和下降时间减小。

4．电离辐射对双极晶体管造成的损伤，主要发生在器件表面的钝化层内，在钝化层内产生电离辐照陷阱，并在SiO2---Si界面产生新的界面态。对NPN管新生界面态增加了基区的表面复合率，辐照陷阱引起基区表面耗尽，从而增加了耗尽层体内的复合率，它们导致电流增益显著下降。对PNP管，辐照陷阱可以使轻掺杂的收集区产生耗尽层或反型层。反型层会一直延伸到硅片边缘，由于边缘有划片留下的严重机械损伤，损伤缺陷形成载流子激发中心，产生大量载流子，从而使漏电流Iceo大大增加，电流增益明显下降。

二．MOS晶体管的辐照特性

1．由于MOS管是多数载流子器件，因此具有很好的抗中子辐照能力。但它抗γ电离辐照的能力却较差，因为MOS管与双极管不同，芯片表面的栅氧化物是MOS管本身的重要组成部分。γ射线的电离效应在栅氧化物内产生的电离陷阱（正电荷）相当于在MOS管的栅介质上加上了正偏压，使MOS管的阈值电压向负偏方向漂移，所以MOS 管对电离辐射十分敏感。

2．MOS管受中子辐照也存在三种损伤机理：增加衬底材料的电阻率/减少沟道载流子迁移率/增加表面态密度。其中表面态密度增加是最主要的损伤因素。阈值电压漂移同样是MOS管受中子辐射损伤的最主要标志。阈值电压向负方向漂移，在栅压不变的条

件下出现漏极电流下降，从而引起跨导降低。

三．可控硅整流器的辐照特性

可控硅通常使用在大电流高电压的条件下。它的互补PNP和NPN管具有基区宽度较大/结面积大/硅材料电阻率较高/少数载流子寿命长等特点。因此，它对核辐射特别敏感，尤其在瞬时核辐射下容易产生栓锁。

中子辐照将引起可控硅特性严重恶化，出现阳极---阴极电压和饱和电阻增大，维持电流和控制栅电流上升等。

电离辐射的累积剂量也可引起可控硅整流器开关性能严重恶化，这是由于电离辐射使漏电流增大的结果。当漏电流增加到一定程度时，就会使可控硅导通；在加偏压的情况下更为敏感，10Gy（硅）照射下就会引起失效。

四．太阳能电池的辐照特性

硅太阳能电池多数是卫星的主要电源，因为太阳能电池通过光电效应能将入射的太阳光直接转换为电能，向人造卫星提供能源。但太阳能电池对核辐射环境特别敏感。由于它安放于卫星外表面，不断受到宇宙空间高能粒子（如电子和质子）的轰击，使其电性能受到严重影响。高能粒子轰到硅太阳能粒子上的主要效应是缩短少数载流子扩散长度，从而引起输出电流的明显下降。

硅太阳能电池是PN结光敏器件，瞬时辐射使硅材料电导率增大，因而串联电阻会出现瞬时降低的现象。

中子辐照会引起太阳能电池永久性损伤，随中子注量增加，它的输出电流会明显减小。

太阳能电池的电子辐照效应受硅片厚度和基区电阻率变化的影响较显著。硅片越薄，低注量电子辐照引起的损伤就越小。

五．双极逻辑电路的辐照特性

双极逻辑电路抗中子辐射能力强，但由于芯片内存在大量的有源器件和寄生二极管，因此抗瞬时辐射能力较差。电阻---晶体管逻辑（RTL）电路，由于有源器件较少，抗瞬时辐射能力比晶体管---晶体管逻辑（TTL）电路强。介质隔离器件，由于没有PN 结隔离二极管，因此抗瞬时辐射能力提高了一个数量级以上。肖特基钳位TTL（S/TTL）电路，由于硅片中没有掺金，避免了栓锁效应，因此有较好的抗瞬时辐照能力。各种逻辑电路的抗瞬时辐照能力如表4-1所示。

电离辐射对双级逻辑电路的损伤主要表现为内部晶体管的电流增益下降/漏电流增大，而其它效应如饱和压降增大等则变化不明显。一般电路可达到和超过1*10 6Gy（硅），但对于表面钝化层质量差的器件，在10 5Gy（硅）辐射下，漏电流就会严重增大。

双极逻辑电路的抗中子辐照能力较强，其主要原因是这种电路的设计余量很大，它允许晶体管的电流增益在很大范围内变化，而不影响电路的正常工作。

六．双极线性电路中由于采用了横向PNP管和超增益管，它们又在工作在小电流状态，因此，它对辐射损伤的灵敏度比双极逻辑电路要高得多。

中子辐照引起的线性电路内部晶体管电流增益下降，下降最严重的横向晶体管，在10 13个中子/cm2的中子注量下，电流增益几乎下降70%以上。其次是高增益晶体管，在同样中子注量下，电流增益下降约50%。中子辐照引起线性电路参数变化，主要表现在输入失调电压，输入失调电流和偏置电流增大。

电离辐照同样会引起线性电路内部晶体管电流增益严重下降。例如，高增益运算放大器内部的超增益NPN管在1*10 3Gy（硅）照射下，电流增益几乎下降了半个数量级。电参数的变化主要表现在输入失调电压/输入失调电流/偏置电流增加，直流开环增益/上升速率和增益----带宽乘积减少。

线性电路抗瞬时辐射能力较差，因为它除了有较多有源器件和寄生元件外，其晶体管又工作在放大区。在高计量率的瞬时辐照下，一般都可能产生二次光电流，使总光电流很大。它的抗瞬时辐照能力比双极逻辑电路低一个数量级，约在10 5Gy（硅）/S的量级。

线性电路的抗中子和抗电离辐射能力具有很大的分散性，其中约有30%的电路抗辐射能力较好。这是因为它的抗辐射性能在很大程度上取决于差动输入级晶体管的对称匹配程度；对称匹配很好时抗辐射性能就好。由于线性电路抗辐射能力分散性很大，因此抗辐射筛选的效果就比较好，可以通过抗辐射筛选挑选出抗辐射能力较好的电路。

七．集成注入逻辑（I2L）电路的辐照特性

集成注入逻辑电路的基本单元由一个横向PNP管和NPN管组成，PNP管向NPN 管的基区注入电流，输出电压低于一个二极管的正向压降。I2L基本单元的正视图/剖面图和线路图如图4-1所示。I2L电路由于器件之间不需要隔离/逻辑摆幅小（0.6---0.7V）没有电阻/NPN管bc结面积小等原因，使它具有较好的抗瞬时辐射能力，预计比双极逻辑电路高1—2个量级。

P N+ P

N+ N+

CP CN I S

N+ N+ N+ S P P

图4-1 I2L基本单元结构和电路

中子辐射和电离辐射都会引起I2L电路内部晶体管电流增益下降（PNP管的α，NPN 管的β）下降。下降的原因如下：

1．横向PNP管的基区较宽，有较大面积，电离辐照后表面漏电流增大。又由于基区掺杂浓度低，中子辐照后表面复合电流增大。

2．纵向NPN管处于反向运用，EB结空间电荷区较厚，在γ射线照射后表面漏电流增大，中子辐照后空间电荷区复合电流增大。

3．NPN管发射区掺杂浓度远低于基区，发射效率低。但第二代注入逻辑电路，由于采用离子注入工艺可获得最佳掺杂截面，从而消除了减速场，获得了较高的发射效率，

提高了抗辐射能力。

八．CMOS电路在电离辐照后因N沟和P沟MOS管阈值电压发生漂移，引起输出低电平上升/抗干扰能力下降/灵敏度提高/速度下降和漏电流增大等。

由于CMOS电路存在固有的光电流补偿效应，因此瞬时辐照是产生的光电流较小。COMS电路由N—MOS管和PMOS管构成互补结构，辐照后在反相器输出端的N—MOS 管和P---MOS管的漏极二极管上所产生的光电流，由于方向相反而相互补偿；因此，不会在输出端引起瞬态信号（源极二极管/P阱二极管和输入二极管的光电流都不会流经输出端），光电流产生的补偿情况如图4-2所示。

但是瞬时辐照产生的光电流会引起CMOS电路发生栓锁。试验表明，在3*10 6Gy （硅）/S的辐射剂量下就会发生栓锁现象。提高CMOS电路抗栓锁能力的关键是消除和消弱产生栓锁的条件，具体措施在抗核加固一节中叙述。

图4-2 CMOS电路中的光电流补偿

九．N—MOS电路的辐照特性

N---MOS电路具有集成度高，速度---功耗乘积合适等优点，在电子系统中已得到广泛的应用。但是它有一个很大的缺点，即抗辐射能力很差，特别是N---MOS微处理器（CPU）和动态随机存储器是抗辐射能力最差的集成电路。当电离辐射达到17Gy（硅）时CPU就开始受到损伤，30Gy（硅）时几乎完全失效。动态随机存储器，在电离辐射达到17Gy（硅）时就开始受到损伤，35Gy（硅）时几乎完全失效。所有试验样品的损伤，主要都是由于MOS管阈值电压漂移引起的。

4*核电磁脉冲损伤

一．电子系统的核电磁脉冲损伤

核武器爆炸，特别是高空核爆炸产生的核电磁脉冲，被普遍认为是核爆炸产生的诸杀伤因素中威胁最大的因素。核电磁脉冲在电子系统的电缆和其它形式的天线上所产生的感应电流，可以流入电子系统内部，使电子系统产生瞬时干扰和永久性损伤。

高速数字电路对核电磁脉冲的感应电流非常敏感，当它的输入/输出或电源端受到瞬时干扰时，都可能改变逻辑状态。通常计算机存储器本身具有较好的抗核电磁脉冲能力，但是存储器的写入电路在瞬时的干扰下，可以在存储器中存入错误数据。核电磁脉冲产生的感应电流可以触发半导体器件发生栓锁而烧毁，如果栓锁效应没有引起器件烧毁，器件性能还可以由重新偏置得到恢复。

核电磁脉冲的感应电流，当引入数字逻辑电路的输出端时，主要表现是输入端发生栅穿或烧毁保护电路。核电磁脉冲感应电流引入CMOS电路的输入/输出端时则会触发栓锁而损伤。

对于屏蔽/接地良好和无窗口的电子系统，核电磁脉冲损伤主要是从电缆和其它形式的天线输入端引入器件的。所以，研究电子系统的核电磁脉冲损伤，主要是研究输入端电子器件的核电磁脉冲效应，从而使研究工作得到大量简化。

二．电子器件的PN结面积愈大，抗核电磁脉冲的能力愈强。双极晶体管的BC截面积比EB截面积大得多，其抗核电磁脉冲的能力也大得多。MOS器件的抗核电磁脉冲能力与保护电路的结构和栅氧化物的击穿电压有关。随着集成度的提高，电子器件核电磁脉冲的能力愈来愈差。

通常用最低损伤能量表示电子器件的核电磁脉冲损伤的阈值。部分半导体器件的损伤阈值如表4-2所示。

核电磁脉冲引起电子系统发生瞬时干扰的能量很低，通常在10-9J以下即可发生。一些典型的核电磁脉冲引起瞬时干扰的最低能量如表4-3所示。

三．半导体器件的核电磁脉冲损伤机理

1．PN结反偏时的损伤机理如下：

（1）围绕结的表面发生击穿。在结的周围形成很大的漏电通路而失效，但PN结本身并没有损伤，只要刻蚀掉表面钝化层，就可以使PN结得到复原。通过合理的设计就可以消除这种击穿。

（2）穿过结的内部发生击穿。这种击穿是由于电流集中引起局部高温。电流密度足够大时PN结发生二次击穿，在结内出现热点，引起重新合金化和杂质离子扩散，导致PN结通路。二次击穿损伤是积累性的，损伤点的形成与偏压条件/过量的PN结电流和材料缺陷等有关。

（3）介质击穿引起PN结短路。当介质击穿时，较大的雪崩电流可以形成一条电磁

脉冲放电通路，在介质上造成针孔。

2．PN结正向偏置时的损伤机理：因核电磁脉冲产生很大感应电流引起PN结出现温升，引起内部出现击穿；但它比反偏PN结内部击穿所需的能量要大得多。

单结的损伤机理，适用于晶体管的每个PN结。

5*半导体器件的抗核加固

一．抗核加固电子系统的器件选择

1．设计抗核加固的系统，首先要选择抗核辐射性能好的器件。为了便于使用者合理的选择半导体器件，表4-4列出了常用半导体器件的抗核能力。

（1）一般晶体管的抗中子辐射能力约约1013个中子/cm2，抗电离辐射能力为104---105Gy（硅）。

（2）同种材料/同一种频率响应的晶体管，小功率晶体管比大功率晶体管的抗辐射能力强。

（3）同种材料的高频晶体管，比低频晶体管的抗辐射能力强。

（4）同种材料，相同功率的晶体管，NPN管比PNP管抗辐射能力好。

（5）同种材料的二极管比三极管的抗辐射能力好。

（6）同类形的晶体管，锗晶体管比硅晶体管的抗辐射能力好。

（7）单结晶体管及可控硅器件的抗辐射能力最差，比一般二极管低两个数量级。

（8）微波器件的抗辐射能力最好，比一般晶体管高1—2个数量级。

（9）结型场效应管的抗中子辐射能力比双极型晶体管好，比一般双极型晶体管高两个数量级。

（10）MOS场效应管的抗中子辐射能力比一般双极晶体管高1—2个数量级。但它的抗电离辐射能力却比一般双极晶体管低2—3个数量级。

（11）双极逻辑电路的抗辐射能力比一般分立器件好，可以高1-2个数量级。

（12）在瞬时辐射剂量率大于104---105Gy/S时，一般晶体管将产生明显的瞬时光电流。

（13）高频晶体管比低频晶体管的抗瞬时辐射能力好。

（14）小功率晶体管比大功率晶体管的抗瞬时辐射能力好。

（15）开关晶体管比一般晶体管的抗瞬时辐射能力好。

（16）双极集成电路中，介质隔离比PN结隔离的电路抗瞬时辐射能力要好得多。

2．抗中子辐射加固。双极型晶体管的抗中子辐射能力较差。采用下列工艺加固和线路加固可取得一定抗核效果。

（1）减小晶体管的基区宽度，可减小少数载流子在基区的渡越时间，减少复合。

（2）基区掺金可以降低少数载流子寿命，相对地降低了辐射对少数载流子的寿命的影响。

（3）采用浓基区/浅扩散/薄外延/低电阻率以及陡发射结和圆形结构等。

（4）设计双极器件电子系统时，应充分注意提高晶体管增益的设计余量。

（5）共发射极放大器中采用低阻偏置线路对电路进行加固，这种加固可提供较强的基极驱动电流。

不同的电子系统有不同的线路加固方法，具体问题需要具体考虑。

3．抗电离辐射加固。MOS器件抗电离辐射的性能较差，它的加固工作主要集中于沟道介质方面。

（1）加固工艺：用（100）晶向的硅衬底；1000*C干氧化工艺制备栅氧化层；氧化后在氮气中退火，退火温度低于850*C或者不退火。

（2）减少栅氧化层厚度可以提高MOS器件的抗辐射能力。

（3）栅氧化前用HCI净化炉管（但不能在氧化时掺HCI）。

（4）用碳坩埚蒸发铝金属化。

（5）用烧氢氧化工艺制备栅氧化物。

双极器件的AL2O3 和Si3N4表面钝化技术能明显的提高它的抗电离辐射能力。AL2O3薄膜具有较强的抗电离辐射能力，用等离子体阳极氧化和气向沉积的AL2O3薄膜，抗电离辐射能力最好，几乎提高了10---30倍。其机理解释如下：

（1）辐照前AL2O3薄膜的陷阱密度大，电离辐射产生的陷阱对它的密度增加影响不大；而SiO2薄膜辐照前陷阱密度较小，电离辐射产生的陷阱则使它的密度大大增加。

（2）AL2O3薄膜在电离辐射下产生电子—空穴对，当电子离开薄膜和空穴俘获之前，电子和空穴就开始大量复合，从而使电子和空穴大大减少。

（3）AL2O3薄膜中存在电子陷阱，电离辐射时它大量俘获负电荷，从而补偿了电离辐射引入的正空间电荷，使薄膜中正电荷明显减少，甚至有时还会出现纯负电荷。

Si3N4薄膜的抗电离辐射能力比SiO2薄膜高三倍。AL2O3和Si3N4薄膜受辐射后引入的正空间电荷比较少，用它们作为表面钝化层，可以提高双极器件的抗电离辐射能力。

3．抗瞬时辐射加固。半导体器件抗瞬时辐射能力与器件PN结面积大小/反偏电压高低及少数载流子寿命长短有关。因此，减小PN结面积/降低反偏电压和少数载流子寿命，可以提高器件的抗瞬时辐射能力。

（1）TTL电路由于有源器件较多，PN结隔离与扩散电阻形成的寄生二极管，在瞬时辐射下会产生很大光电流，所以抗瞬时辐射能力较差。为了提高双极器件的抗瞬时辐射能力，可采取以下加固措施：介质隔离/薄膜电阻器/减小晶体管几何尺寸/降低收集区电阻率和收集区厚度/光电流补偿/加限流电阻/重掺金和中子辐照等。采用以上措施后，抗瞬时辐射能力可以提高2---3个数量级。这些加固措施中，用介质隔离代替PN结隔离是主要的加固措施。

（2）光电流补偿是提高器件抗瞬时辐射能力的一种有效技术。光电流补偿原理是线路加固的基础。补偿电路如图4-3所示。图中Q2是补偿晶体管/BE结反偏。晶体管Q1产生的光电流，大部分流过晶体管Q2，从而降低了晶体管Q1产生二次光电流的可能性。这种补偿技术，要求晶体管Q2必须与晶体管Q1特性相同，只有这样才能在很宽的剂量率范围内提供补偿作用。

（3）CMOS电路存在固有的可控硅结构，瞬时辐射会触发CMOS电路发生栓锁，

因此抗栓锁加固也是抗瞬时辐射的一部分。提高CMOS电路抗栓锁能力的关键是消除栓锁产生的条件。目前采取的措施有：

A．减少少数载流子的寿命。用掺金和中子辐照来降低少子寿命。

B．通过合理的器件设计，可以提高CMOS电路的抗栓锁能力。例如：尽量减小“P 阱”面积，以便于减小P阱—衬底结光电流；尽可能地多开设电源孔和接地孔，并且电源孔尽量设置在PMOS与P阱之间，接地孔开设在靠近PMOS管的P阱内。

C．抗栓锁工艺：采用外延衬底和埋层结构，可大大降低衬底电阻/P阱电阻和降低寄生NPN管的电流增益；采用“伪收集极”结构，可切断引起栓锁效应的横向电流。

D．在电源线上串进一个电感---电阻---电容（LRC）网络，如图，40-11所示。

VCC

图4-3 光电流补偿电路

（t）+5V

器件

图4-4 电源滤波网络

4．抗核电磁脉冲加固。近十余年来，人们愈来愈重视电子系统的抗核电磁脉冲加固，已提出各种抗核加固方案，它们可归结为三个主要方面。

（1）对电子系统的外壳和电缆进行全面屏蔽，电缆的插头座必须保持与外壳和电缆屏蔽的连续性，并采用最佳接地方案。

（2）用旁路的方法对感应信号滤波和限压。一般用的限压器件有介质击穿器件/半导体击穿器件和非线性击穿器件/齐纳稳压二极管等，其中半导体击穿器件比较好。在稳压二极管上反向串联一个结电容小的二极管，它不仅旁路电流大，而且高频特性好。采用旁路电路加固的电子系统，抗核电磁脉冲能力可以提高二倍以上，对计算机可以达到8*104V/m以上。

（3）元器件的选择和加固。选择抗核电磁脉冲最强的器件。

上述三个方面中第一方面是最主要的。全面屏蔽和良好的接地，它可以大大降低核电磁脉冲对电子系统的影响。

5．抗辐射筛选。不同厂家生产的同种器件，甚至同一厂家生产的同一种器件，其抗辐射能力也存在明显的差别，这种差别可以在一个量级范围内。但有些器件，如线性

电路，其抗辐射能力可以相差2---3个量级。

采用抗辐射筛选的方法可以从一批器件中挑选出辐射性能好的器件，淘汰抗辐射能力差的器件。因此，抗辐射筛选法通常也称为加固保证方法。目前比较成熟的方法有两种：一种是借助于统计方法的电参数筛选法，偏重于分析和计算；另一种是“辐射---退火”筛选法，偏重于实验测量。

“辐射----退火”筛选法是对器件先进行中子和γ射线预辐照，然后经测试剔除对辐射特别敏感的器件，剩余的合格器件则采用高温退火方法使其恢复到辐射以前的特性。此方法的关键是：

（1）选择合适的测量参数。选择的参数对辐照特性特别敏感。例如双极管选择电流增益和饱和压降；MOS管选择阈值电压。

（2）选择合适的预辐照剂量。该剂量既能引起器件参数发生明显的变化，又不使器件受到较大的损伤。

（3）选择最佳的退火温度与时间，使器件尽可能恢复到辐照前的特性。辐照剂量/退火时间与温度可通过正交法来确定。

辐射退火法可以直接用管芯进行，淘汰抗辐射性能差的管芯后在封装，这样能降低器件的成本。

电参数筛选法的试验步骤如下：

（1）对半导体器件的辐射效应进行深入的物理分析，挑选出特别灵敏的辐射效应参数和影响较大的参数。

（2）对挑选出的参数进行精确测量。

（3）随机抽样，取出部分样品进行辐照试验，一般用三种不同剂量进行辐照试验。

（4）借助数学工具（一般用多元线性回归分析法）分析计算辐射效应参数与辐照前测量参数的关系，得到一个多元线性函数。

（5）对分析，计算结果与实验结果进行比较，如果它们比较一致，这样就可以直接通过参数测量来筛选器件。

两种筛选方法各有优缺点。“辐射—退火法”方法简单容易掌握；正确性较高；但成本较高，并需要进行大量辐照试验。“电参数筛选法”的主要工作量是分析计算（借助于计算机），但不需要进行大量的辐照试验。

提高，提高情况如表4-5所示。

其中NMOS电路的抗核辐射能力最差，因此很少在军用系统中应用。ECL电路由于功耗大，在军用电子系统中的应用问题也较多，CMOS/SOS电路虽然抗核辐射能力较强，但由于成本高/工艺难度大，又存在一些可靠性问题以及它所特有的辐射效应问题还没有得到解决，所以至今仍未广泛应用，仍处于开发研究阶段。第二代集成注入逻辑电路，也由于工艺难度大，抗干扰能力差，距实用还有一段距离，也处于深入研究阶段。

双极TTL电路和CMOS电路的工艺成熟/可靠性好，目前已广泛应用于武器的电子系统和其它抗核电子系统中。