双极晶体管的瞬时中子辐射损伤规律试验研究

鲁 艺 邱 东 李俊杰 邹德惠 荣 茹

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 绵阳 621999）

双极晶体管的瞬时中子辐射损伤规律试验研究

鲁 艺 邱 东 李俊杰 邹德惠 荣 茹

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 绵阳 621999）

瞬时中子辐射损伤效应是评价电子器件抗辐射能力的一项重要指标。利用晶体管直流增益的倒数与中子注量呈线性关系这一特点，采用参数一致性好的硅双极晶体管3DK9D作为位移损伤探测器，通过在线监测晶体管直流增益随累积中子注量的变化，获得了双极晶体管对脉冲中子辐照的响应特性。结果表明，晶体管的瞬时辐射效应是电离损伤和位移损伤共同作用的结果。在相同累计中子注量下，瞬态辐照损伤效应远强于稳态辐照损伤结果。

双极晶体管，瞬时辐照效应，脉冲中子辐照，直流增益，中子注量

核武器爆炸环境下的辐照剂量率非常大，对电子元器件产生的瞬时辐射损伤效应显著。然而核爆炸试验不能经常进行，常以脉冲辐照来模拟。利用脉冲辐射源研究半导体器件的瞬时γ电离辐射效应，在国外已有相关报道[1-3]，国内也开展了大量研究[4-8]。但对于给定注量率的快中子脉冲辐照下，处于工作状态的半导体器件瞬时损伤规律及瞬态响应特性研究极少。

中子辐照会引起半导体器件电学参数的严重退化，其影响与中子注量、中子能量及中子作用时间有关。受实验条件的限制，大部分中子辐照研究关注在反应堆稳态运行下半导体器件辐射的位移损伤问题[9-11]。快中子脉冲堆(China Fast Burst Reactor-II, CFBR-II)是一种能够很好地模拟核爆环境的脉冲辐射源，脉冲中子辐照具有能量高、注量率大的特点。所以，利用其进行脉冲中子辐照损伤机理和对电子器件影响的研究，越来越引起人们的关注。

本文基于CFBR-II快中子脉冲堆的实验通道，搭建了瞬时辐照效应的实验测量系统，对双极晶体管进行了脉冲中子辐照，得到了晶体管直流增益随中子注量的变化规律，分析了器件的瞬态辐照损伤特性。

1 实验原理

对于脉冲式的中子辐照半导体器件而言，由于中子的位移效应在半导体材料晶格内形成各种各样的缺陷和缺陷团，使器件产生损伤。脉冲辐照瞬间形成的缺陷通常是不稳定的，它们通过空位去除、复合、淹没等过程使缺陷消失，即产生退火，这种退火过程约为100 ms，称为瞬时退火；也有一部分缺陷不能恢复，形成永久性损伤。

虽然中子不带电荷，但中子在半导体中碰撞出的晶格原子是重带电粒子，且有一定的初始动能，其电离效应是相当严重的。所以在中子脉冲期间必然存在瞬时电离效应。如果器件有偏压存在，必然会收集到瞬时电流；如果不存在偏压，则形成的多余载流子在毫秒之后就会自然复合。一般情况下，辐照过去毫秒之后再加电测量就看不到瞬时电流。

对于双极晶体管来说，在小注入电流条件下，少子复合作用对器件的效应参数hFE起主要支配作用，所以辐射对器件工作在小电流下的电流增益影响较大。对于一个理想的突变结、均匀基区的硅双极晶体三极管，当中子注量在109-1016cm-2、集电极注入电流在1-100 mA时，中子辐照引起的直流增益变化为[12]：

式中，Δ(1/hFE)为辐照前后晶体三极管直流增益倒数的变化量；hFE(φ)为中子辐照后的直流增益；hFE(0)为中子辐照前的直流增益；K′为硅材料损伤常数，cm2.s-1；t为电流为无限大时的基极渡越时间，s；K为损伤常数（对于晶体三极管也可称作实验增益损伤常数），它是基极渡越时间和器件材料的函数，cm2；φ为辐照中子注量，cm-2。

根据式(1)，只要能实验获得晶体管在中子脉冲辐照下不同时刻的hFE变化，就可以得到器件在中子脉冲辐照下的瞬时损伤效应。

2 实验方法

2.1脉冲中子源

研究在快中子临界装置CFBR-II堆上开展，CFBR-II堆产生的中子脉冲波形如图1所示。该堆的中子脉冲半高宽度约为200 μs，一次脉冲过程辐照腔内场点的累计中子注量为(2-6)×1013cm-2，平均能量为1.38 MeV。脉冲堆的环境温度为24-26 °C，湿度为45%-50%，环境为标准大气压。

图1 中子脉冲波形Fig.1 Neutron pulse waveform of CFBR-II.

2.2辐照样品及测试电路

研究在快中子临界实验装置CFBR-II堆上开展，测试选用双极晶体管3DK9D作为实验样品，将其直流增益作为实验监测的效应表征参数。根据实验前对3DK9D器件损伤效应测量所需累计中子注量的理论计算结果，结合CFBR-Ⅱ堆产额及相关中子注量指标，选定CFBR-II堆辐照腔作为实验研究的典型辐照区域，器件布放在辐照腔内。

由于器件的个体差异可能会直接影响测量结果，因此，在实验前对器件进行了严格的电参数筛选，从中选取出一致性好的5只器件作为一组实验样品。筛选后的晶体三极管的集电极-发射极击穿电压在82-86 V，集电极-发射极特征电流为2.5-3 μA，直流增益hFE在102-104。

辐照实验用电路如图2所示。图2中，电源为测试板提供工作电压VCC，信号源为辐照板上的三极管提供输入偏置信号VBB。为排除实验干扰因素，减少外围电路对晶体管直流增益测量结果的影响，将集电极电阻RC和基极电阻RB与晶体管分离，布放在堆外测试间的测试转接电路板上，通过100 m长的屏蔽电缆与晶体管相连。

图2 晶体三极管效应参数在线测试电路Fig.2 Method of in-situ testing on-line.

根据图2，只要获得了VCC、VRC、VBB和VRB，即可得到：

2.3测量方法

通常的效应参数测试方法有原位测试和移位测试两大类，其中原位测试又分原位在线测试（辐照和测试同步进行）和原位离线测试（测试时停止辐照）两种方法。本次实验选用原位在线测试方法进行三极管效应参数的测试。

根据测量原理，建立了一套多通道同步数据采集测试控制系统。系统由计算机、辐照板、测试转接电路、信号源、电源、嵌入式控制驱动器、数据采集系统以及相应的线缆组成，如图3所示。为使计算机有效地控制这些硬件设备，系统采用虚拟仪器的设计思想，以LabVIEW为开发平台，采用Ancen-PXI系列高速采集驱动控制器，为其他硬件提供控制信号，完成所有的测试任务，包括利用采集卡上的硬件资源进行多通道同步数据采集、采集数据的处理、数据存储、测试结果的波形显示等功能。

晶体管的瞬时辐照响应特性包括其效应参数对中子辐照脉冲的响应及退火效应，它们与器件的工作条件、辐射条件、器件类型及工艺水平等因素有关。CFBR-II堆瞬态运行时，由于脉冲时间很短，为观察到器件受脉冲中子辐照的瞬时损伤行为，采用多路同步机给出外触发信号，启动测量系统对晶体管信号进行连续采集，目的是为了与瞬态累计中子注量的时间对应。

图3 测试系统组成框图Fig.3 Sketch map of measure system.

图4 3DK9D的脉冲中子辐射响应曲线(a) 瞬态辐照下直流增益随时间变化关系，(b) 瞬态辐照下直流增益随累计中子注量变化关系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

在中子脉冲辐照的整个过程中，晶体管始终处于工作状态。利用脉冲堆500 W功率时的探头输出信号，经整形、限幅后输出一个阶跃信号，作为测量系统的统一时间基准，经同步机触发效应参数测量系统进行采集、测量，从而获得晶体管直流增益随辐照中子注量变化的瞬时脉冲辐照损伤规律。

3 试验结果及分析

3.1试验结果

图4给出了5只晶体管3DK9D（器件序号为1-1-1-5）在CFBR-II堆爆发脉冲全过程下的直流增益随辐照时间及累计中子注量变化的波形。

试验中的中子脉冲半高宽为180 μs，晶体管位置处中子注量率为1.38×108cm-2.W-1.s-1。

为便于分析晶体管的瞬态辐射响应特性，将瞬态试验获得的数据与稳态辐照模式下获得的试验数据进行了比较，两种辐照模式下采用的辐射源相同，能谱一致。图5给出了5只晶体管3DK9D（器件序号为4-1-4-5）在CFBR-II堆稳功率运行全过程下的辐射响应波形。

图5 3DK9D的稳态辐射响应曲线(a) 稳态下直流增益随时间变化关系，(b) 稳态下直流增益随累计中子注量变化关系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结果分析

从图4和图5的试验结果观察到，同一种辐照模式下的5只器件在辐照全过程中的直流增益变化趋势是一致的。这说明，辐照前经过严格电参数筛选的同类器件具有很好的辐射损伤一致性，从而可以排除因器件的个体差异带来的测量不确定度。

但是，瞬态辐照时器件的直流增益变化与稳态辐照的情况有明显差别：首先，在瞬态辐照初始时，晶体管的hFE随辐照注量的增加，先出现一个明显的上升过程(图4)，在中子脉冲峰半高宽附近达到最大值，然后逐渐下降，形成一个辐照峰，且辐照峰提前于脉冲中子峰；而稳态辐照下的晶体管hFE则随辐照时间和辐照注量的增加一致单调地下降(图5)。其次，器件在两种模式下的辐照损伤效应差别明显：瞬态辐照（累计中子注量为2.59×1013cm-2）结束后，器件的直流增益出现了快速恢复，而稳态辐照（累计中子注量为3.043×1013cm-2）结束后，器件的直流增益恢复不明显。

对于以上现象的分析认为，瞬时辐射损伤效应是由电离效应和位移效应共同作用的结果。在辐照开始的脉冲前沿阶段，由于脉冲中子注量较低（脉冲半高宽之前的累计中子注量不足1011cm-2），位移损伤效应尚不明显，但由于中子注量率急剧上升，此时中子与Si发生作用产生的重带电粒子具有初始动能，会引起器件的电离损伤。当器件存在偏压时，产生的电子、空穴对引起瞬时电流增加，所以在脉冲中子辐照初期，电离效应占主导作用，宏观体现为直流增益的增加。

随着脉冲功率的快速增长，中子注量不断增加，位移损伤加剧，尽管电离损伤也在增加，但增加幅度不及位移损伤明显，尤其是电离损伤在微妙量级的时间内多数能恢复，相对于毫秒量级的少许位移损伤的恢复，电离损伤效应已不明显，综合效果是多余载流子随时间增加而减少，宏观体现为直流增益的降低。

从辐照结束后器件的终态效应来看，瞬态辐射结果与稳态辐射结果有明显的差别。从图4看出，当中子脉冲辐射结束后100 ms（对应的累计中子注量为2.59×1013cm-2）时，晶体管出现了明显的瞬时退火，器件的直流增益明显增长；而从稳态辐射结果看(图5)，晶体管在辐射结束后（对应的累计中子注量为3.04×1013cm-2），直流增益的增长趋势并不明显。这说明，晶体管在脉冲中子辐照下产生的缺陷是不稳定的，部分缺陷得以恢复，形成了瞬时退火效应。

4 结语

双极晶体管的瞬态脉冲中子辐射效应试验结果表明，辐照所致的损伤取决于辐照总中子注量、中子注量率以及注量率的变化。由于瞬态辐照注量率在中子脉冲峰期间急剧变化，过高的中子注量率产生电离效应，使得晶体管的直流增益变化在辐照初期与瞬时电离辐射响应有很大关系，所以在整个中子脉冲辐照全过程中，由于电离效应与位移效应的共同作用，使晶体管直流增益响应在宏观上出现了“辐照峰”。而稳态辐照则不然，由于辐照期间中子注量率保持恒定，电离损伤相比位移损伤不明显，宏观上体现为直流增益单调下降。当脉冲结束后，器件的瞬时退火效应显著，直流增益明显增长，这与稳态辐照结果出现较大差异。所以，对于相同累计中子注量下的辐照损伤，瞬时损伤效应规律比稳态辐照时更加复杂。

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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

鲁艺，女，1969年出生，2006年于四川大学获硕士学位，副研究员，主要从事核探测技术与核仪器仪表研究

2015-04-24，

2015-06-05