Влияние интенсивности излучения на радиационный отклик биполярных транзисторов

Использование БТ для исследования эффектов ELDRS обусловлено двумя причинами. Во-первых, БТ является основным активный элемент электронных схем, во-вторых, изменение компоненты базового тока прибора, связанной с поверхностной рекомбинацией, позволяет судить о физических причинах эффекта.

Одной из первых работ, с которой начались активные исследования эффекта ELDRS в биполярных изделиях, является работа [74], в которой в результате исследования двух технологических вариантов БТ (с кристаллическим и поликремниевым эмиттером) при мощности дозы гамма-излучения Рg от 1,1 до 287 рад(SiO2)/c авторы получили следующее:

· ∆(1/h21Э) у БТ с кристаллическим эмиттером (h21Э — коэффициент передачи транзистора в схемес общим эмиттером; в п. 2.2 для данного параметра использовалось обозначение «b») при Рg = 1,1 рад(SiO2)/c примерно в 3 раза больше, чем при Рg = 300 рад(SiO2)/c для р-n-р-приборов и в 2 раза для п-р-п-приборов; это отношение у БТ с поликремниевым эмиттером достигает 4–7 раз;

· при мощности дозы гамма-излучения 16 и 300 рад(SiO2)/c значения D(1/h21Э) примерно одинаковы.

Наиболее полные и информативные исследования эффектов ELDRS в БТ были проведены в работах [75, 76]. В них исследовались горизонтальные и вертикальные р-п-р-БТ [22] и вертикальные п-р-п-БТ [76]. Все типы БТ были изготовлены по современной планарной технологии, используемой при изготовлении ИС, с поликремниевым эмиттером. Измерялись вольт-амперные характеристики приборов: зависимость базового Iб и коллекторного IК тока в наноамперном диапазоне при различных напряжениях на переходе эмиттер-база. Эксперименты были проведены в диапазоне значений мощности доз гамма-излучения от 0,001 до 294 рад(Si)/с и в диапазоне температур от комнатной до 240 °С. При исследовании зависимости деградации коэффициента усиления БТ (h21Э = IК/Iб) от Рg приборы облучали при 25 °С
в пассивном режиме при закороченных выводах. На рис. 4.1 представлены зависимости изменения тока базы ∆Iб от мощности дозы гамма-излучения Рg для обоих типов р-п-р-БТ, иллюстрирущие «чистый» эффект ELDRS для дискретных транзисторов. Вид этих кривых является «типичным» для эффекта ELDRS, и именно в таком виде обычно приводятся экспериментальные данные по исследованию эффектов низкой интенсивности при облучении БТ.

Рис. 4.1. Зависимость приращения базового тока горизонтального (¡) и вертикального (˜)
р-n-р-БТ от мощности дозы гамма-излучения [75]

Данные эксперименты показали, что изменение базового тока р-п-р-БТ, облученных при Рg = (1–5)×10–3 рад(Si)/с в 10 (и более) раз больше, чем при Рg = 50–300 рад(Si)/с при том же уровне суммарной дозы. Для п-р-п-БТ данный эффект не превышал 10 (типичное значение 3–5). Кроме того, при Рg £ 5×10–3 рад(Si)/с эффект мощности дозы насыщался, а также наблюдалось отсутствие зависимости от Рg при Рg ³ 20–50 рад(Si)/с. В приборах с поликремниевым эмиттером эффект достигал 10 раз, тогда как в приборах с кристаллическим эмиттером — всего 2–3 раз. Напряжения на коллекторе БТ во время облучения оказывало довольно слабое (около 10–20 %) влияние на эффект ELDRS.

В большинстве работ, связанных с эффектами ELDRS, проводится облучение при повышенных температурах, поскольку повышенная температура большинством исследователей рассматривается как основной ускоряющий фактор при моделировании эффектов ELDRS. На рис. 4.2 [71, 75] приведена зависимость ∆Iб(Тобл) для горизонтального р-п-р-БТ, иллюстрирующая влияние температуры облучения Tобл. Из рисунка видно, что рост температуры при облучении приводит к увеличению DIб, однако облучение при повышенной температуре не дает полного моделирования эффекта ELDRS, характерного для низких значений мощности дозы излучения (Рg £ 0,001 рад(Si)/c).

Рис. 4.2. Зависимость приращения тока базы горизонтального р-n-р-БТ от температуры облучения при различных дозах облучения [71, 75]

Обобщая приведенные выше результаты (см. рис. 4.1, 4.2) можно сделать следующие выводы [71].

· Никакое повышение температуры облучения не обеспечивало полного моделирования эффекта низкой интенсивности (максимум — до 80–85 %). Требовалось дополнительное облучение изделий, для определения величины которого рекомендуется вводить коэффициент переоблучения Кп.

· При дозе облучения Dg < 200 крад(Si) моделирование эффекта низкой интенсивности путем облучения при высокой мощности дозы и повышенной температуре более эффективно для р-п-р-БТ, чем для п-р-п-БТ.

· Максимальная эффективность высокотемпературного облучения при моделировании эффекта низкой интенсивности (оптимальная Тобл, максимально близко моделирующая эффект низких Рg) находится в диапазоне 100–200 °С и логарифмически уменьшается с ростом дозы облучения, причем для р-п-р-БТ быстрее, чем для п-р-п-БТ, что хорошо видно из рис. 4.3 [71].

Рис. 4.3. Зависимость оптимальной температуры облучения от поглощенной дозы [71]: ¡ — вертикальный p-n-p-БТ; D — горизонтальный p-n-p-БТ; ˜ — n-p-n-БТ; Pg = 294 рад(Si)/с

Влияние низкоинтенсивного облучения на изменение h21Э отечественных БТ и корреляция этих изменений с облучением при высоких Рg и повышенных Тобл исследовалось в работе [77]. Облучали серийные БТ типа КТ3129 (р-п-р) и КТ3130 (п-р-п). Результаты показали следующее.

· При Dg = 1,1×106 рад для р-п-р-приборов: ∆h21Э(Рg = 20 рад/с) » ∆h21Э(Рg = 600 рад/с), причем h21Э(Dg)/h21Э(0) = 0,85; h21Э(Dg)/h21Э(0) = 0,58 при Рg = 0,38 рад/с.

· При Dg = 1,1×106 рад для п-р-п-приборов: h21Э(Dg)/h21Э(0) = 0,52 при Рg = 600 рад/с; h21Э(Dg)/h21Э(0) = 0,38 при Рg = 20 рад/с; h21Э(Dg)/h21Э(0) = 0,29 при Рg = 0,38 рад/с.

· При Dg = 240 рад облучение при Рg = 20 рад/с и Тобл = 100 °С эквивалентно облучению при Рg = 0,38 рад/с и Тобл = 15 °С (р-п-р-БТ); облучение при Рg = 20 рад/с и Тобл = 60 °С эквивалентно облучению при Рg = 0,036 рад/с и Тобл = 15 °С (п-р-п-БТ).

Следует отметить, что степень влияния низких Рg на изменение h21Э(Dg)/h21Э(0) и оптимальные значения Тобл различны для БТ различного типа проводимости. Также на деградацию h21Э в зависимости от поглощенной дозы Dg оказывает влияние электрический режим. Максимальные значения отношений h21Э(Dg)/h21Э(0) отмечались при Тобл = 150–200 °С, но зависели от типа проводимости БТ и дозы облучения, уменьшаясь с ростом последней.

Несмотря на приведенные выше результаты исследования эффектов ELDRS в БТ, до сих пор существует некоторая неопределенность в вопросе о наличии этих эффектов в дискретных транзисторах, и прежде всего БТ р-п-р-типа. Более того, отечественный руководящий документ РД 319.03.37-2000, посвященный методам испытаний на стойкость к воздействию поглощенной дозы низкоинтенсивного ИИ, вообще исключает дискретные р-п-р-БТ из приборов, в которых имеют место эти эффекты. Для проверки указанных противоречий в работе [71] было исследовано 5 типов p-n-p-БТ и 3 типа n-p-n-БТ планарно-эпитаксиальной технологии. Измерялся коэффициент усиления в режиме большого сигнала h21Э при 5–6 фиксированных значениях тока эмиттера IЭ. Транзисторы облучались при мощности доз 140 и 1,4 Р/с. На рис. 4.4, 4.5 в качестве примера приведены полученные дозовые зависимости изменения тока базы и коэффициента передачи в схеме с общим эмиттером для n-p-n-транзистора 2Т312Б.

Рис. 4.4. Зависимость ∆Iб n-p-n-БТ 2Т312Б от дозы и мощности дозы облучения [71]: 1 — Рg = 140 Р/с, IЭ = 0,1 мА; 2 — Рg = 1,4 Р/с, IЭ = 0,1 мА; 3 — Рg = 140 Р/с, IЭ = 1 мА; 4 — Рg = 1,4 Р/с, IЭ = 0,1 мА

Рис. 4.5. Зависимость h21Э(Dg)/h21Э(0) n-p-n-БТ 2Т312Б от дозы и мощности дозы облучения [71]: 1 — Рg = 140 Р/с, IЭ = 0,1 мА; 2 — Рg = 1,4 Р/с, IЭ = 0,1 мА; 3 — Рg = 140 Р/с, IЭ = 1 мА; 4 — Рg = 1,4 Р/с, IЭ = 0,1 мА

Для численной характеристики эффекта ELDRS можно использовать коэффициент KР, определяемый соотношением

, (4.1)

где в числителе и знаменателе правой части стоят скорости изменения базового тока при низкой (Рg1) и высокой (Рg2) мощности дозы излучения соответственно.

При нелинейной зависимости DIб(Dg) значение KP определяется для условия Dg ® 0. Значения коэффициента KP для некоторых отечественных БТ, рассчитанные по дозовым зависимостям изменения тока базы для мощности дозы Pg1 = 1,4 Р/с и Pg2 = 140 Р/с, представлены в табл. 4.1 [71].


Таблица 4.1

Экспериментальные значения коэффициента Kp

Тип БТ KP
IЭ = 0,1 мА IЭ = 1,0 мА
2Т312Б, n-p-n 3,5 3,5
КТ312В, n-p-n 2,2 2,4
2Т203Б, p-n-p 2,7 2,7
КТ203В, p-n-p 1,9 1,8
КТ3107А, p-n-p 2,3 2,25
КТ337Б, p-n-p 2,2 1,9
КТ342А, n-p-n 1,2 1,3
2Т326А, p-n-p 0,95 1,1

 

 

Коэффициент KP можно определять также и по другим параметрам, используя выражение, аналогичное (4.1). При этом для разных параметров будут получаться разные значения коэффициента. Так, для транзистора 2Т312Б (см. рис. 4.5) значение KP, определенное по изменению h21Э, составляет , что приблизительно в 2,3 раза меньше, чем аналогичное значение, определенное по изменению тока базы ( , см. табл. 4.1).

Обобщая представленные экспериментальные данные (рис. 4.4, 4.5; табл. 4.1), полученные в работе [71] при исследовании отечественных БТ, можно сделать следующие
выводы.

В-первых, величина эффекта мощности дозы у исследованных приборов изменялась примерно от 1,0 (2Т326 — эффект ELDRS отсутствовал) до 3,5 (2Т312). Приборы специального назначения показали более высокую чувствительность к мощности дозы облучения, чем коммерческие.

Во-вторых, влияние мощности дозы гамма-излучения на скорость изменения h21Э меньше, чем на скорость изменения ∆Iб, при этом KP не превышает ~2,0 (очевидно, из-за того, что ∆Iб в рассматриваемом случае не учитывает объемную составляющую тока базы).

В-третьих, как для p-n-p-, так и для n-p-n-транзисторов уже при Рg = 1,4 Р/с имеет место увеличение их чувствительности к дозе облучения, достигающее 3,5 раз по сравнению с облучением при Рg = 140 Р/с.