Изменение электрофизических параметров биполярных приборных структур вследствие введения структурных дефектов при радиационном облучении

Диодные структуры

Во многих работах, посвященных исследованию радиационной стойкости ПП и ИС и поиску технических путей ее повышения, было показано, что независимо от вида проникающего излучения в диодных структурах наблюдаются качественно одинаковые эффекты при облучении: в кремниевых диодах основные изменения происходят в прямой ветви вольт-амперной характеристики (ВАХ), а в германиевых — в обратной ветви ВАХ. Изменения в прямой ветви ВАХ обычно проявляются в виде роста прямого падения напряжения U_пр при фиксированном прямом токе I_пр. Изменения в обратной ветви ВАХ обычно проявляются в виде возрастания обратного тока I_обр при фиксированном напряжении U_обр. Подобные изменения параметров диодов являются нежелательными эффектами, приводящими к параметрическим отказам ПП и ИС.

Для кремниевой p-n-структуры полное падение напряжения при постоянной плотности прямого тока j_пр = const равно [3]

U_пр = U_p-n + U_б + U_к, (2.1)

где U_p-n — падение напряжения на p-n-переходе; U_б — падение напряжения на базе диода; U_к — падение напряжения на приконтактных областях.

Выражение для U_p-n имеет вид [3]

, (2.2)

где 1 £ m £ 2; j_пр = const; П = const; 0 £ М £ 1; t — время жизни неосновных носителей либо в области пространственного заряда p-n-перехода при очень малых уровнях инжекции ( ), либо в базовой области диода при малом (t_р) и большом (t_р¥ = t_р0 + t_n0) уровнях инжекции.

Так как время жизни при облучении монотонно падает, напряжение U_p-n согласно (2.2) должно уменьшаться. С учетом (1.24) скорость уменьшения этой составляющей прямого падения напряжения равна [3]

, (2.3)

где K_t — коэффициент радиационного снижения t.

Минимальное уменьшение U_p-n при облучении наблюдается у диодов с малой толщиной базы W_б (W_б / L_б £ 1) при средних и высоких уровнях инжекции, когда полный ток через p-n-переход определяется диффузионной, а не дрейфовой компонентой.

Выражение для U_б в широком диапазоне уровней инжекции для p⁺-n-диода может быть записано в виде [3]

, (2.4)

где b = m_n/m_p; L — биполярная диффузионная длина; W_б — толщина базы;
; — уровень инжекции.

Первое слагаемое в правой части выражения (2.4) представляет собой падение напряжения на сопротивлении толщи базы с учетом модуляции проводимости базы инжектированными в нее неосновными носителями в случае высоких уровней инжекции (В << 1), а второе слагаемое — э.д.с. Дембера, обусловленную градиентом концентрации носителей в базе и различием подвижности электронов и дырок. При небольших уровнях инжекции (B >> 1) второе слагаемое стремится к нулю, а первое упрощается, и выражение (2.4) можно переписать в виде

, (2.5)

где s = 1/r — проводимость материала базы.

Анализ выражения (2.4) путем дифференцирования по Ф показывает, что во всех случаях U_б при облучении возрастает, что физически объясняется снижением времени жизни неосновных носителей заряда и уменьшением концентрации основных носителей заряда в базе диода при введении радиационных центров (см. п. 1.3.6). Скорость роста U_б зависит от r₀, K_r, t₀, K_t, W_б, уровня инжекции и может быть рассчитана достаточно точно [3]. При этом в диодах с малой толщиной базы (W_б/L £ 1) при небольших уровнях инжекции (В >> 1) рост U_б при облучении определяется изменением r и не зависит от изменения t.

Третье слагаемое (U_к) в выражении (2.1) в подавляющем большинстве случаев (для r₀ £ 20 Ом×см) при не слишком больших Ф можно считать постоянным [3].

На прямой ветви ВАХ можно найти точку, где . Это означает, что в этой точке , т.е. прямое падение напряжение на диоде при облучении не меняется. Положение этой точки можно найти из выражения [3]

. (2.6)

При j_пр < j_пр0 напряжение U_пр при облучении уменьшается, а при j_пр > j_пр0 растет, причем j_пр0 будет тем ниже, чем больше r_б0 и W_б.

В связи с тем, что скорость роста U_б при облучении всегда выше скорости снижения U_p-n, при определенных Ф должен наблюдаться рост U_пр с облучением, что подтверждается экспериментально [3]. Эффект роста U_пр при облучении в конечном счете приводит к росту прямого дифференциального сопротивления диодов.

На обратной верви ВАХ диода основным параметром на участке до наступления пробоя является обратный ток I_обр при некотором фиксированном напряжении U_обр. Обратный ток состоит из трех компонент [3]: диффузионной I_д, генерационной I_г и поверхностной I_п:

I_обр = I_д + I_г + I_п. (2.7)

Каждая из этих компонент может меняться при облучении. Если учесть в известных выражениях для I_д и I_г зависимости от интегрального потока времени жизни и удельного сопротивления, то можно получить следующее выражение для I_обр(Ф) (для диода с базой n-типа при достаточно больших Ф) [3]:

, (2.8)

где t_р0, n_n0 — время жизни неосновных и концентрация основных носителей в базе до облучения; n_i, E_i — концентрация носителей и положение уровня Ферми в собственном материале; S — площадь p-n-перехода; e¢ — диэлектрическая проницаемость материала; С_бФ — барьерная емкость облученного перехода.

Первое слагаемое в (2.8) определяет диффузионную компоненту обратного тока, которая преобладает в германиевых диодах, а второе — генерационную компоненту в области
p-n-перехода, преобладающую в кремниевых диодах. Генерационная природа обратного тока в кремниевых диодах в сочетании с пассивированной поверхностью является основной причиной весьма малых начальных значений I_обр и их изменений при облучении современных кремниевых диодов [3].

Обратный ток в германиевых диодах при малых Ф должен расти линейно за счет снижения времени жизни неосновных носителей в объеме базы диода, а при достаточно больших Ф должен расти экспоненциально за счет вклада в рост I_обр снижения концентрации основных носителей [3]. Однако точное прогнозирование зависимости I_обр(Ф) для германиевых диодов весьма затруднительно в связи со значительным вкладом изменения поверхностной составляющей при облучении (изменение поверхностного времени жизни, рост токов утечки и др.), который аналитически трудно учесть.

Напряжение пробоя диодных структур U_проб при облучении возрастает вследствие увеличения удельного сопротивления полупроводникового материала и уменьшения градиента концентрации носителей заряда в переходе. В частности, для резких несимметричных
p-n-переходов на базе n-Si зависимость пробивного напряжения от Ф имеет вид [3]

. (2.9)

Возрастание пробивного напряжения диодных структур при облучении подтверждается экспериментально.

Радиационное облучение приводит к улучшению основного импульсного параметра диодов — времени восстановления обратного сопротивления t_восст, причем снижение t_восст начинается при потоках, не приводящих к существенному изменению параметров U_пр и I_обр.

Для широкого класса диодов имеется корреляция между t_восст и временем жизни
неосновных носителей заряда в базе t [3]:

t_восст @ (0,5–2)t, (2.10)

причем для диффузионных диодов множитель равен 0,5.

Следовательно, на скорость нестационарных процессов переключения в диоде практически влияет одна электрофизическая характеристика — время жизни неосновных носителей заряда. Поскольку время жизни при облучении снижается за счет введения радиационных центров, являющихся центрами рекомбинации, время восстановления обратного сопротивления будет также снижаться, что подтверждается экспериментально.

Транзисторные структуры

Определяющим эффектом при облучении большинства типов биполярных транзисторов является снижение основного классификационного параметра — коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером b. Изменение b при радиационном облучении может быть описано выражением [3]

, (2.11)

где b₀, b_Ф — коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером до и после облучения соответственно; K_инт — интегральный коэффициент, характеризующий снижение времени жизни в объеме транзистора при облучении; D(1/t_sФ) — изменение поверхностной составляющей времени жизни при облучении; f_T — предельная частота (частота, на которой |b|_f = 1).

Из выражения (2.11) следует, что изменение b может происходить как за счет образования радиационных центров в объеме структуры транзистора, так и за счет изменения поверхностных свойств структуры. Относительный вклад этих процессов в изменение b зависит от вида и потока радиации, типа прибора и условий облучения. Так, при чистом нейтронном облучении транзисторов величина D(1/t_sФ) мала [3], и выражение (2.11) упрощается:

, (2.12)

где — интегральный коэффициент, характеризующий скорость снижения b при облучении за счет объемных процессов.

При ионизирующем облучении вклад D(1/t_sФ) в изменение b при малых Ф может быть существенным (особенно для германиевых транзисторов с непассивированной поверхностью) и приводит в некоторых случаях к аномальному поведению b при облучении. Роль поверхностных процессов возрастает при облучении маломощных диффузионных дрейфовых транзисторов, так как ускоряющее поле в базе таких транзисторов уменьшает пролетное время неосновных носителей, дополнительно снижая вероятность рекомбинации в объеме базы и соответственно уменьшая относительный вклад объемной составляющей в эффективное время жизни.

Коэффициент K_инт согласно современным представлениям является некоторой эффективной величиной для транзистора и может определяться в общем случае механизмами снижения времени жизни в областях эмиттера и эмиттерного перехода, областях пассивной и активной базы транзистора. Доминирующий механизм снижения t зависит от ряда факторов: исходного состояния материала, конструкции и размеров физических слоев транзисторной структуры, уровня инжекции, потока облучения и др.

В общем случае для коэффициента усиления по постоянному току можно записать [3]

, (2.13)

где I_б — ток базы; I_к — ток коллектора; I_ба, I_бп — ток рекомбинации в активной и пассивной базе соответственно; I_rgv, I_rgs — ток рекомбинации в объеме и на поверхности слоя пространственного заряда эмиттерного перехода соответственно; I_иэ — ток инжектируемых из базы в эмиттер неосновных носителей заряда; I_кан — ток за счет образования каналов на поверхности базы вблизи эмиттерного перехода.

В результате облучения в объеме и на поверхности транзисторной структуры образуются дополнительные центры рекомбинации, что приводит к росту составляющих тока базы, а следовательно — к снижению b.

Составляющая I_иэ при облучении меняется слабо [3], поскольку, во-первых, время жизни в сильно легированной области эмиттера достаточно низкое уже до облучения; во-вторых, область эмиттера может быть достаточно тонкой (особенно это касается ВЧ- и СВЧ-транзисторов), так что радиационные изменения t могут быть существенны лишь при высоких Ф, когда диффузионная длина в эмиттере станет меньше его толщины; в третьих, современные транзисторы имеют сильное электрическое поле в области эмиттера, уменьшающее зависимость инжектируемого в эмиттер тока от времени жизни в нем.

Для германиевых транзисторов можно пренебречь членом рекомбинации в слое пространственного заряда эмиттерного перехода, так как отношение диффузионной и рекомбинационной компонент тока пропорционально собственной концентрации носителей заряда n_i, которая в германии примерно в 1,5×10³ раз выше, чем в кремнии. Кроме того, германиевые транзисторы не используются для работы в микрорежимах, где основной вклад в радиационное изменение b дает составляющая рекомбинации в слое пространственного заряда эмиттерного перехода. Для германиевых транзисторов существенным является механизм радиационных изменений в пассивной базе. При небольших потоках может наблюдаться приблизительно линейная зависимость 1/b = f(Ф), однако по мере увеличения Ф эта зависимость становится нелинейной. Интегральный коэффициент K_инт для германиевых транзисторов является эффективной величиной, зависящей от радиационных процессов как в активной, так и в пассивной базе.

Для кремниевых транзисторов рекомбинационные потери в активной базе незначительны, и зависимость 1/b = f(Ф) имеет нелинейный характер. Коэффициент K_инт здесь также является эффективной величиной, определяемой радиационными процессами в активной базе и области пространственного заряда эмиттерного перехода. С уменьшением уровня инжекции K_инт возрастает, что подтверждается экспериментально, и при работе в микрорежимах рекомбинационные потери в кремниевых транзисторах будут определяться радиационными изменениями в слое пространственного заряда.

Проведенный выше анализ справедлив для случая малых и средних уровней инжекции и не слишком больших Ф, когда можно считать приблизительно постоянным время пролета носителей через активную базу t_пр. Для транзисторов, работающих на больших токах (например, мощные СВЧ-транзисторы) или облученных высокими флюенсами Ф, время пролета уже нельзя считать величиной, независимой от Ф. Известно, что в дрейфовых транзисторах при высоких уровнях инжекции происходит сдвиг границы коллекторного перехода в сторону коллектора из-за компенсации заряда ионизованных атомов примеси зарядом подвижных носителей (и, соответственно, рост t_пр и снижение b), причем чем выше удельное сопротивление коллекторной области, тем значительнее этот эффект. Следовательно, поскольку при облучении удельное сопротивление возрастает, то t_пр будет возрастать еще быстрее.
С другой стороны, в ВЧ-транзисторах с однородной базой, облученных значительными потоками Ф, при малых и средних уровнях инжекции наблюдается снижение t_пр вследствие расширения коллекторного перехода в область базы, что косвенно подтверждается снижением емкости коллекторного перехода при облучении. В низкочастотных транзисторах, в отличие от высокочастотных, уменьшение t_пр с ростом Ф происходит в основном из-за изменений условий диффузии неосновных носителей в базе в результате снижения их времени жизни.

Следует отметить, что основной трудностью для точных расчетов зависимости b(Ф) является недостаток сведений о значениях D(1/t_sФ) и интегрального коэффициента K_инт.
В силу специфики радиационного комплексообразования в приборных структурах и влияния на этот процесс технологического цикла, использование данных по K_t, K_r и скорости изменения концентрации носителей заряда при облучении, полученных на однородных образцах исходных полупроводниковых материалов, требует большой осторожности [3].

Для оценки величины D(1/t_sФ) можно использовать эмпирическое соотношение [3]

, (2.14)

где величины Ф₂ и Ф₁ и, соответственно, и выбираются при определении K_инт на линейном участке зависимости 1/b = f(Ф), где уже не сказываются поверхностные процессы.

Экспериментально показано, что для величины D(1/t_sФ) и, соответственно, для изменения 1/b за счет поверхностных процессов характерным является насыщение, причем достигаемый при насыщении уровень и скорость его достижения зависят от условий облучения, типа и режима работы транзисторов.