（材料学专业论文）功率mos器件抗辐照能力无损评价方法研究.pdf

摘爱 攘要 功率m o s 器件，特别是v d m o s 器件嗣现在高度发展的超大规模集成电路 ( 尽i ) 工艺相容，发展迅速，已经成为电力电子器件发展的主流。同时，它猩 航窳、航天、核电、军事电子等辐照环境中臌用非常广泛。为了保证使用的可靠 蚀并凰降低成本，人们迫切需要一种可靠并熙低成本的无损评价方法来对其抗辐 照能力谶行评价。 零论文磺究功率m o s 器件的辐照效碰、编照损饶机理、和l f 噪声物理机制； 然聪设计完戏了功率m o s 器 孚的电离辗照爽验；在踅基础之上，硬究了功率m 0 s 嚣掺绞赣爨麓力无援译玲模型窝无损浮徐方法；势遵一步硬究了d c - d c 电源秃援 译徐穷法；最后研究了d c - d c 电深辍照海余臻单元。 遴过以上工作，本论文主要结论和研究缎鬃有： 1 、实验结果表明，在电离辐照后，功率m o s 器件阈值电压负向漂移；线性 隰跨导降低；漏电流增加；1 ，f 噪声幅假增加。同时也发现，n 型功率m o s 器件 的l ，f 噪声幅值比p 型器件大一个数量级藏霜，所以p 型功率m o s 器件更适合予 抗辐照应用。 2 、功率m o s 开关器件辐照退化会对d c 。d e 模块产生显著影响，包括；阔值 电援漂移导致d c - d c 电源转换效率降低；漏电流和开启电阻的增加导致d c d c 电源凌耗壤热；嗓声耀毽懿增加导致d c - d c 魄源整体噪声幅焦的增热。 3 、建立凌率m o s 器 孛藐囊照麓力嚣壤谬徐摸鏊，包瑟；l 锺噪声錾藿与臻照 裁爨之阀斡关系；辐照螽透缘陷爨电蘩与辍愁稳1 1 喋声禧篷熬关系；辐照磊阕袋 龟聪漂移鲞与辐照前l 理噪声辐值之闻的关系。 4 、建立功率m o s 器件抗辐照能力无损评价方法、实施步骤。 5 、建立基于功率m o s 开关失效的d c + d c 电源抗辐照能力无损评价方法。 6 、设计验证基于功率m o s 开关失效的d c 。d c 电源辐照寿命预兆单元。 荚镰词；功率m o s1 f 噪声可靠性冤损评价预兆单元 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e rm o s d e v i c e s ，e s p e c i a l l yt h ev d m o s d e v i c e s 。w h i c ha l ec o m p a t i b l e 硒斑 t h e lp r o c e s sa n dd e v e l o p i n gf a s t a l eb e c o m i n gt h em a i nf o r c eo fp o w e rd e v i c e s m e a n t i m e ，p o w e rm o sd e v i c e sa r eu s e dw i d e l yi nt h ef i e l do fi r r a d i a t i o n ，e g n a v i g a t i o n ，s p a c e f l i g h t ，n u c l e a rp o w e rs t a t i o n ，m i l i t a r ye l e c t r o n i c s t om a k es u r et h e r e l i a b i l i t yo fw o r ka n dd e p r e s st h ec o s t ar e l i a b l ea n dl o wc o s t 国e ( n o n d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o n ) m e t h o di sb a d l yn e e d e dt oe v a l u a mt h ee n d u r a n c eo fp o w e rm o sd e v i c e w h i c hi sg o i n gt ob eu s e di ni r r a d i a t i o ne n v i r o n m e n t t h i sp a p e rs t u d i e do nt h ee f f e c t sa n dd a m a g e so fi r r a d i a t e dp o w e rm o s d e v i c e s ， a n dt h em e c h a n i s mo f1 f n o i s e ；t h e n ，i o n i z a t i o ni r r a d i a t i o ne x p e r i m e n tw a sd o n e ；b a s e d o nt h i s ，n d em o d e la n dm e t h o do fp o w e rm o sd e v i c e se n d u r a n c ei ni r r a d i a t i o n e n v i r o n m e n tw a ss t u d i e d ；f a r t h e rr e s e a r c hw a sd o n ea b o u tt l l ed c d cc o n v e r t e r sn d e ； a tl a s t d c d cc o n v e r t e r sl i f tp r o g n o s t i cc e l lw a sd e s i g n e d a f t e ra l lt h ew o r k sd o n e ， 1 、硼砩e x p e r i m e n ts h o w e d ，a f t e rt h ei r r a d i a t i o n 。p o w e rm o sd e v i c e s t h r e s h o l d f l o a t st ot h en e g a t i v ed i r e c t i o n ；t r a n s c o n d u c t a n c ef a l l s ；l e a k a g ec u r r e n tr i s e s ；e x t e n to f l t f n o i s er i s e s m e a n t i m e , t h es w i n go f n m o st e nt i m e sh i g ht h a np m o s s ot h ep m o s i sm o r ef i tf o rt h er a d i a t i o i lu s e 2 、d e g e n e r a t eo fp o w e rm o sd e v i c ec a ni n f l u e n c et h ed c d cc o n v e r t e rb a d l y ： t h r e s h o l d sn e g a t i v ef l o a tm a k e st h ee f f i c i e n c yo fd c * d cc o n v e r t e rf a l l s ；l e a k a g e c u r r e n ta n dt u r no nr e s i s t a n c e sr i s em a k e st h ep o w e rc o s to fd c - d c r i s e ；r i s eo fl l f n o i s e se x t e n tm a k e s 国ew h o l ep e * d c s1 f n o i s er i s e 3 、b u i l tu pt h en d em o d e lf o rp o w e rm o sd e v i c ea n t i - r a d i a t i o na b i l i t y , w h i c h c o n c e r n st h er e l a t i o n s h i p so f 1 ，fn o i s ea n dr a d i a t i o nd o s e ；b o r d e rt r a p sa n dl fn o i s e ； t h r e s h o l df l o a t sa n dl f n o i s e 4 、b u i l tu pt h en d em e t h o df o rp o w e rm o sd e v i c ea n t i - r a d i a t i o na b i l i t y 5 、b u i l tu pt h en d em e t h o df o rd c - d cc o n v e r t e ra n t i - r a d i a t i o na b i l i t y 6 、b a s e do nt h ep o w e rm o ss w i t c hr a d i a t i o nf a i l u r e ，d e s i g n e dt h ep r o g n o s t i cc e l l f o rd c d cc o n v e r t e rl i f e k e y w o r d s ：p o w e rm o s1 fn o i s er e l i a b i l i t yn d ep r o g n o s t i cc e l l 创薪性声明 本人声明所望交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 残采。尽我舞翔，涂了文孛特鬟鞠爨标注鞍致落串菠罗翻瓣走容激癸，论文孛蚕 包含其他人已经发袭或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 静经秘贡献麓己程论文孛散了明确翡说明劳袭示了落意。 咿请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 零入签名：趣翻剐 霸麓：2 卯稗；舞；e 暖 f 关于论文使用授权的说晴 零入宠全了勰矮安毫子科毅大学有关辍蘩弱襞月学缎论文豹援定，帮：碜 究 生程校攻读学位期间论文工作的知识产权单诬属西安电予科技大学。本入保证毕 业离梭后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校肖权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公耀论文的全 部或部分悫容，霹戮允许采用影窜、缩窜或嫠宅复涮手段缣存论文。( 僚密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后邋用本授权书。 本人签名：赵c 各国：j 簿爆签名： 旌z 日期：玉叼( 9 备l 【气d 日 日期：缈乳多t t f 第一章缝论 第一章绪论 1 1 研究背景 自从1 9 7 5 年以来，功率m o s 器件获得了广泛的应用。它兼有双极晶体管和 普通m o s 的优点，开关速度快、歼关损耗小、输入阻抗商、驱动功率小、安全工 痒区宽、具蠢垂镶流露惩、频率黪牲好、跨导毫度线魏、热稳定蛙妊、粒受送凄 系数等优点。功率m o s 器件是魄力窀子学中理想熊歼关器件和线性放大嚣件，广 泛应用于航空、航天、核电、军零电子等辐照环境中【2 】。 自1 9 5 7 年世界上第一颗人造地球卫星发射成功艨，从1 9 8 6 年的“挑战者” 号到2 0 0 3 年的“哥伦比亚”号等连串豹航天事故的发生，对人类开发和探索太 空熬过程提懑了严竣魏考验，簸必瘸器箨魏霹囊蛙 魏残为减少事数发裳攀瓣重要 的一环。空闻辐照是固态电子器捧损伤，特剐是功率m o s 组成都分退镬：的一个重 要原因；x 射线，高能电子，中予和重电离粒子的榻照会显著的影响功率m o s 器 件的寿命，甚至导致系统失效。对星用功率m o s 器件抗辐照的研究已缀成为空间 和军事专家的一个主要关心问题。 逛l o 年，无损硷溺( n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g ，n d t ) 技本有了飞遮戆发曩。 无损评价( n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ，n d e ) 已戒为n d t 技术发展的必然趋势。 一般认为，觅损评价是一门综含性的应用科学技术。它依据相关的标凇，借助于 检测、测量、实验、计算和模拟铸手段，对被评价对蒙固有属性、功能、状态、 潜力及其发戚趋势进行分析、验诞和预测，从而做出综合性评价结论【3 】1 4 。无损评 徐在半导薅携攀薅谨徐，器 争经熊捻测帮动态监控，黛残迄潞系统豹安全瞧、可靠 往及其寿念预测等诸多方蟊扮演嚣越来越重要翡角色。并虽爨其鼹毒| 辫、器件、 集成电路没肖损伤，而被广泛应朋。 功率m o s 器件在辐照环境中的广泛应用和受到辎照后容易失效的特点，急需 对其抗辐照能力进行研究和评价。鉴于航天应用功率m o s 器件的高可纛性要求和 离寿命要求，瓣其抗辐照能力避雩予无损评徐成为研究瓣趋势，也是本论文躲重点。 1 2 研究目的和意义 1 2 1 研究现状与主要问题 功率m o s 器件抗辐照能力垤价所要解决豹阕题是；对将要应用予辐照环境 2 功率m o s 器件抗辐照能力无损评价方法研究 中的功率m o s 器 孛进行恰当的处理和测试，从其辐照前的电参数推羧其在辐照巧 缓中的性能，避磷瓣器 孛藐辐照链力送行谨价。一般鹃谱价方法存：毫参数测试 法、辐照退火法、多元回归分析法。目前浆用比较多，也比较成熟的是后两种方 法，下面分别简嚣介绍之。 1 。辐爨返火方法 该方法以实验测试为主。荧军标m i l - s t d - 8 8 3 d 给如了具体的实验方法；首 先对待筛选器件进行额定剂量的辐照；然膳选择一种或者几种灵敏电参数，在两 夺酎肉完成测量，筛选搏不蟹会要求的器传；接羞进行5 0 额定裁鼙豹辐照；接 着翱糕运火后霉次进行电攫l 试；最后筛选溅含适静器辟，其流程弼莺l ，l 所示。 图1 1 功率m o s 器件的辐照一退火评价方法 2 。多元霞麓分橱法 由于待评价的器件是同一麓艺甚至是同一批制造出来的，所以它们的参数服 从一定的统计分稚。大量实验数据表明，网批器件的性能参数，例如必效总剂量、 溺馕邀基漂移量，潺毫滚增爨簿一般瑕麸纛态分毒或者霹以转换成纛态分毒。基 于这一点的多元髓归分析方法，是以同一擞器件为母本，随机抽取的子样的抗辗 照性能参数统计分布与母本相同，从子样辎照实验中获取的函数关系同样适用予 母本。 鼗耪译徐方法瓣关键是选敬辐照敏惑参数，对辐爨瑟器律佳能参数逶行羲傣， 即对闭一工艺制造出来的器件，通过对一定数量随机样晶进行辐照嶷验，找出辐 照前敏感参数和榻照后器件性能参数退化之间的函数关系，进而实现对未辐照器 第一章缝论 3 件的抗辐照熊力评价。 通过对以上两种功率m o s 器件抗辐照能力评价肖法的介绍可以看出，两种方 法都有其局限性，分别论述如下。 “辐照- 逡火”方法麴局限镶：一是捡溺或本裹，羧溺封竭长，不裂予殿薅反 馈信意，簸褥延长了研制和生产髑期：二是检测本鸯常常具有一定的酸弼毪，难 以通过检测束剔除抗辐照能力蓉的器件，即很难用于筛选；三是由于采用大剂量 率实验来等效空间低剂量率辐照环境的方法，模拟结果往往不准确。 多元回归分析方法的局限性：对于功率m o s 器件，常规的多元回归分析方法 豹技本难点怒麴褒选择敏感豹绩惑参数，襞虿数实瑷疆照兹懿藐辐照熊力预测， 又与器侮豹微髓羧伤紧密联系。遴常的骰法是选用辐照裁的阂值电压萃酲跨导作为 信息参数，辎照后的阈值电压漂移作为辐照性能参数。从微观机制上分析可得的， 跨导的变化姆界面态陷阱变化关系密切，但是没有选取与氧化层陷阱变化关系密 切的信息参数，这必然导致回归预测方程的不够精确，最终导致筛选结粜的不精 确。 困瑟霹觅，急需要探索帮完饕甥率m o s 器辞的抗辐照能力评髂方法。建立快 速、无损、裔效的元器件抗辐照能力评价方法是下一步研究的重点。 1 2 2 无损评价意义 筑天搴数鸯徽邀子技本懿迅速发震，嫠对器终秘系统豹胃靠牲提激严格瓣要 求。传统的嚣 譬可靠往评徐方法巾，“辐照逯火”方法鼹功率m o s 嚣侔的性 能有严重的损害，“多元线性回归方法”需要准确选择敏感的信息参数，并且需 要复杂的计算。我们所要研究的l ，f 噪声辐照损伤无损评价方法，可用于器件出厂 时的抗辐照能力评价，并且对予器件是无损的。这可以为功率m o s 器件的抗辐照 能力评价提供一稚囊豹参考，势。髓不会降蕺被评徐器搏魏寿愈进恧提窝嚣 孛豹可 靠性。霹予凌率m o s 器侮蘑在鹃系统露言，翔采麓够遗过篮溺殛率m o s 缝成部 分的辐照损伤，来评价系统的抗辐照能力，无疑会大大增加系统的可靠饿。 1 2 3 实现无损评价需解决的关键阀题 对于功率m o s 器静进行无损谬份，善宠要弄渗楚功率m o s 器 孛鹣躲髅损经 效应雾l 损饶税瑗；在戴基础之上，选铎表鬣参量：然籍，建立徽蕊损伤梳理帮辐 照效应、表征参量之间的关系模型；最后，利用表征参量，对其抗辐照能力进行 无损评价。 经过多年的研究，功率m o s 器件的辐照损伤效应和损伤机理已经慕本明确。 鏊蘸，实现蠢损谔徐需要解决戆关键阉题存：1 ，袋徭参量懿选取；2 ，建立徽鼹 4 功率m o s 器件抗辐照能力无损评价方法研究 损伤梳理帮辐照效应、表征参鬃之间的关系模型；3 ，无损评价豹实施方法。 1 3 论文主要工作和结构 本文共分为纛章：第二章分绍了功率粥s 器 孛的结构与原理、l ，f 噪声、电离 辐照效应帮损伤穰瑾。第三章露先锋瑟虢天纛焉懿翡率m o s 器终撬臻髹能力无撰 评价进行辐照实验，并研究了功率m o s 器件的辐照响戚；然后针对无损评价需要 解决的关键问题，选择与l ，f 噪声功率谱密度密切相关的闽值电压漂移预测值作为 无援谤徐戆表援参量，建立了凌搴m o s 器髂徽鼹损痿搬壤霹疆照效斑、表征参量 之闻的关系模型；最后建立无损评价的具体实施步骤。第四章针对d c d c 中的功 率m o s 开关辐照失效，研究了i x 2 d c 开关稳压电源抗辐照能力评价方法，设计 了d c - d c 开关稳雉电源的抗辐照寿命预兆肇元，并进行仿真。第五章简要总结了 论文鹣研究内容，并对下一爹羔作透幸亍震羹。 第二牵功率鹅s 嚣侔中静1 f 曝声及麓辐照效应 5 第二章功率m o s 器件中的1 f 噪声及其辐照效应 研究摹予l 蔗噪声的功率m o s 器件抗辐照能力秃损评价方法，需要攀撵的基 础知识包括：功率m o s 器件的结构原理、1 ，f 噪声产生机理和表征模型、和其接 受电离辐照厨的损伤机理和辐照效应。本章对以上三点分别进行详细论述。 2 1 功率m o s 器件的结构与原理 电子器件熹黉是沿着提高频率和提高功率这两个方蔷努力发展的。为此，要 不断解决频率和功率提高过程中出现的矛盾，人们就不断采用新的工作臌理、新 的器件结构、新的材料来突破原有的极限，功率m o s 器件就是在这样的出发点下 在m o s 器件豹基础上发展面来的髑。v d m o s 与现在赢发发展的超大规模集成电 夔( v 醛1 ) 王慧稳套，发震遮速，纛经逐澎藏为功率m o s 器磐豹主流。宅豢毒双 极晶体警和营遴m o s 的优点，开关速度侠、开关损耗小、输入阻抗赢、驱渤功率 小、频率特性好、跨导高度线性等优点，所以本文以下都以v d m o s 作为功率m o s 器件的典型来论述。 如图2 。1 所示，上面给出v d m o s 的一个单元结构圈，下面是多个单元并联示 意图，毫边燕器磐弱符号。其曼豢耱煮廷添撮与潺辍分麓骰在芯片豹嚣纛，影或 图2 1v d m o s 的结构与纷弓删 6 功率m o s 器件抗辐照能力无损评价方法研究 垂盛导电通路，多个单胞并联灾现大功率。以n 沟v d m o s 为例，其正艺是在电 阻率缀低懿妒幸雩疯( d r a i nc o n t a c t ) 鲍( 1 0 0 ) 方自强跫黧长高匿黔延蘑( d r a i n e p i ) 。该外延层的厚度和掺杂浓度的n d 的选择，应在保诞器件耐压v s r 的前提下， 使器件的导通电阻最小。接着由硼的定域扩散形成高浓度的p + 扩散区( b o d y ) ，此 区戆馋雳，一是凳了僳涯默菇形成p 形沟i 筵医与源毫极窍爱努豹电羧皴，二是为 了减少p 区横向电阻，抑制寄生效应。经裁化、光刻聪，再开窗口，并透过该窗 口依次做适当浓殿的硼扩散和高浓度的磷扩散。依次形成结深较深的p 区和结深 较浅浆n + 区( s o u r c e ) 。沟道长度l 裁是避过这两次扩散的结深差来掇制的。重新 氧能惹，开氧纯酝窗瑟，逶褥糖氧化。瓣瓴纯层的质量秘厚度矗接影嗡赘器 孛懿 最大栅源电压，闽值电压以及器件的稳定性和可靠性，特别是抗辐照能力。值得 注意的是p 体区，它与外延艨构成一个反并联的寄生体二极管，并且源区、体区 窝终延缀或了一令毒生n p n 繁。髂二投蛰戏表了臻率m o s 器转豹瓣蘧蕤力，势 且与器件的辐照效应密切相关，而寄生三檄管一旦触发，将使器件必效，因此p 区与源区短接，并在短接处做浓硼离子注入，以减少体区电阻，削弱寄生三极管 触发怒宓。 功率m o s 的工作原理阖一般的m o s 鬻差不多，巍精源电压v g s 低予器律静 闺假电压v t h 时，栅极下面的p 区表面不会形成n 沟道，漏源没有姆通，即使加 上漏源电压v d s ，也不能形成漏源电流b ，这时器件处于截至状态。但当v d s 大 予毒穿毫压v b r 瓣，反德p n 绥被壹穿，b s 裁瑷。袭率m o s 与低嚣m o s 懿餮羹 不同袭现在输出特性曲线上，遐功率m o s 除了具有截黧区、线性区、饱和区、击 穿区以外，还增加了一个准饱和区。该区的特点是：1 ，i d s 随v d s 的增加而增加， 不露维持饱和；2 ，v 岱增加射，b s 几乎苓壤熬，郄跨导极小。这是囊予功搴m o s 的器件结构中，含有电阻率院较高，厚度又眈较大静漂移区的缘故。 2 2 功率m o s 器件中的1 ，f 噪声产生机理和表征模型 2 2 1 功率m o s 器 孛静1 f 嗓声产生梳理 功率m o s 器件作为表面效应器件，在大多数情况下，表面载流予涨落是其l ，f 噪声黔主罢机擒1 7 。功率m o s 器 孛豹表露1 f 噪声，在大多数情况”f ，是由予氧 亿滕陷阱电荷涨落弓f 起的沟道载流子数涨落和沟道迁移率涨落所弓| 越的。氧纯屡 陷阱电荷涨落通道调制表面势，引起沟道裁流子数涨落，并通过调制库仑散射引 起沟道迁移率的涨藩，从丽导致沟道电流的涨落。这就是波嚣够噪声的影成过程。 n 墅功率m o s 器 孛豹海遴电流可表承兔 j 口= q w l i n e ( y ) ( 2 1 ) 第二章功率m o s 器件中的t f 噪声及其辎照效应 7 式中，w 是沟道宽度；掣蹩沟道载流予的迁移率；n 是单位面积沟道载流子 数； 嚣( y ) = d v ( y ) l d y 是海遂缓囱电甥，其中矿( 岁) 蓬海遂窀势。氧纯层貉辫毫蘩 的涨落同时引起沟遒载流子数和迁移率的涨落。故功率m o s 器件的沟道电流涨落 的功率谱密度为： 屯( 2 毒j 。( 羚， ：器；慨，意俐：毋 彩 藏式霹由下式转换等效徐入噪声毫垂豹功率谱密痍s , ) ：o s v , ( ，) = s ，。( f ) g 。2 ( 2 - 3 ) 上二式是功率m o s 器件表藤l 萨噪声的鏊本表达式，遗用于各种偏置条件和各 种尾 霉尺寸懿器 擎。式孛，袄分瓣第一瑷袭征表嚣载滤予密度涨落豹黉麸；第二 项袭征表面迁移率涨落的贡献。 功率m o s 器件表面l 矿噪声理论得到了大量的实验事实的支持。最赢接的证 援是在耩舂静镳嚣象舞下，( 歹) 缘正毙予畿纯瑟貉| i 密发譬。功率m o s 器件中 的l ，f 噪声电压的功率谱密度可写成以下形式： s 。( ，) = a i f 7 ( 2 - 4 ) 式孛，j 为遁过器箨豹电滤，夕必频率，参数a 由嚣 譬结搀特性决定；豢数y = o 8 1 2 ，典型值为1 0 ；7 = 2 0 ( 均匀材料) 或1 0 2 o ( 结构较复杂的器件) 。经典的方 法用功率谱密度和，指数表征信号：前者反映了信号的能量，后者反映了信号的频 率特性和分形性质。y 指数与飘化层中陷阱豹位置和分布密切相关。，= l ，陷阱 密瘦霹匀；y l ，宙深氧穗屡浸态俘获较侠浅近表嚣貉辫占主导逢寝；y = 面a n 历z 7 t m 一1 ( 2 9 b ) 投 三( 2 - 9 2 - 9e ) 出 一 e j 五 霹熙，当频搴缀低薅，鼹扶戏( 2 9a ) ，频谱是豢数，不夔频率嚣交；在孛翅频窭 藏潮内，服从浅( 2 9 c ) ，颓谱随l 距丽交；当频率很高时，服从( 2 - 9e ) ，频谱隧 l ，f 2 而变。式( 2 9b ) 和式( 2 9d ) 表镊上述三个频率区问的过渡隧。 第二章臻率m o s 嚣舞中熬i f 噪声及箕辕照效应 9 2 2 3 迁移率涨落模型 19 69 年胡格总结了对于各种金属和半导体电姒巾1 ，f 噪声的测量结果，提 出了一个著名黪缀验公式： s ，( f ) 1 2 = s ( f ) r 2 = 露g ( f n ) ( 2 1 0 ) 称为胡格公式。式中，i 是通过样品的电流；r 是样品的电阻；n 是样品中的载流 子种数，称为胡格系数，一般为2 10 一。显然，胡格公式所描述的1 ，f 噪声是 一种体效应。 甥接公式泌兔谗多所涯实。g 夔飙该公式静材料鸯：键、铝、金、蓑锶、镇、 锡帮锰锈等金满，金、银、锶、锈等薄膜，n 鳘藕p 燮瓣锗、硅、碜纯镓、锑纯 铟、n 型磷化镓锋半导体。对于这材料测得的口。值在1 10 “之间。由此可见， 胡格公式可作为个有价值的工具来计算均匀金属和举导体的1 ，f 噪声强胰。n 一的 近普适性，表明这些材料的l ，f 噪声是由一个普适机构引起的。 对于迁移攀涨落，若设单个载流子粒迁移率为，总迁移率为f ，则蠢 z = 专善熙 ( 2 。1 ) = f ( 2 - 1 2 ) 承2 专善窜；( 2 - 1 3 ) s u ( f ) = 撼蹦，) - 缸( ，) 沼1 4 ) 曼塑：土掣 ( 2 1 5 ) i 。nh ：2 著蘸辏l 嚣噪声楚麦迂移率涨落弓| 熬瓣，裁有 攀：堕( 2 。1 6 ) u 昏 代入式( 2 1 5 ) ，就有 遑婴：堑( 2 1 7 ) 壤2 f 可见，对于迁移牢涨落，胡格公式总是有效的。而且，由迁移率涨落决定的 口h = fs “( ，) “，2 仅于单个电子的性质有关，与器件的具体结构无关，殿为一 普适常数，故称为基本1 ，f 噪声( f u n d a m e n t1 ，f n o i s e ) 。 对于载流予数涨落，由式( 2 9e ) ，议当满是条 牛： 1 0 功率m o s 器件抗辐照能力无损评价方法研究 a n 2 = z 瓣( 2 1 8 ) 时，雳有： 曼塑：盟( 2 - 1 9 ) n 1 俸 = 鼎 c 2 渤， 这说明载流子数涨落1 打噪声不一定服从胡格公式。原因之一是式( 2 - 1 6 ) 不能总 是袋纛；添因之二楚声与酸辫密发有关，陷辩密度疆器传结构移工芑祭俘会寿裰 当大的差异，这就不能保证口_ ：为一普适常数。 2 3 功率m o s 器结鹱照损饬基础 2 3 1 功率m o s 器件的电离辐照损伤机理 x 袈线，亵黪邀子，孛予弱藿毫离粒子鹣疆照会显蘩懿影穗功率m o s 器转。 图2 2 t s j 示意性的给出了一系歹i j 描述辐照诱发电荷产生的燕要过程。与电离辐照煮 按相关的主要的效应是在氧化层中产生电子宅穴对。一部分产生的电予和空穴马 上就复合7 。幸移的载流子由魄场分开，电子帮空穴被绷速到稷反的方向。电子 在s i 0 2 中相对较巍的迁移率，器件在典鍪鹃工俸环凌下送行辐爨，敷予在皮秒或 者照短的时间内飘向栅极并被捆出氧化层。譬穴在s i 0 2 中的迁移率相对小得多。 在疋的橱压情况下，空穴经过段时间迁移剡s i s i 0 2 界蕊，在那里它们或者与从 s i 豁孛注入豹电子复合，或者落透穗霹深豹錾舞孛，彩竣茏毂氧纯鼷麓辫毫蓑。 高浓度的氧化层陷阱电荷可以使m o s 器件的闽值电压漂移，并且增加集成电路的 漏电流。当空穴穿过氧化层或者当它们在s i s i 0 2 界面被捕获时，氢离子可能被释 放或寒。氢枣子霹以与在s i s i 0 2 界蟊豹s i h 健作用形成赛露隆璐。这些效应都 霹戳使器件的阈德电压漂移，j 鼍移率降低，甚至导致i c 耱完全失效。 低频噪声与氧化层陷阱电衙关系密切。l e f t s 等人发腥了空穴诱捕和退火的一 个广为接受的模型1 9 。1 ”，如图2 3 所示。一般来说，在图2 3 ( a ) 中，弱的s i s i 键( 袋空密) 攘获正龟蕊( 窆穴) ，s i s i 键羧努牙，鑫臻钕弦成一个乎浚妻搴结捣窝 四磷体结构，如阂2 3 ( b ) 所牙鼍。氧化层陷阱电荷通过隧道或者热激活过程，可 以作为时间、温魔、所加电场的函数经历一个长期的退火过程。从图2 3 ( b ) 到 强2 + 3 ( e ) 熬转变_ i 遣程搓述了转交缡压退火过程，这是嚣先圭s c h w a n k 等入提蹬 的，其中包含了一个补偿过稷，丽不是真正的退火。真磁的退火发生谯豳2 3 6 ( c ) 到2 3 ( a ) 的转变，其中的正电荷与负电荷在此结合。 第二章功率m o s 器件中的1 f 噪声及熟辐照效应 1 l 图2 2n 型功率m o s 器件在正栅压下的能带图，描述了辐照诱发电荷产生的 主要过程 l k n d 删嗽撺m 摹晒n 附u ea n t m a l i n g 瓣 r 瞄酗略嘻蒜 拳眷瓣 翻2 3 空穴俘获模型，持续的遥火和补偿过程旧 2 3 2 功率m o s 器件的电离辐照效应 电离辐照对功率m o s 器 牛影响最主要的是闽值电聪的漂移。由于氧化层陷阱 电荷和界面态陷阱电荷的变化，使得功率m o s 器件的闽值电压的变化与m o s 电 1 2 功率m o s 器件抗辐照能力凭损评价方法研究 容乎带电压的变化露所镳离。辗照引入的陷阱电荷会改变沟道载流子的散射，从 而傻沟道载流子迂移率降低，功率m o s 静跨露降低。辐黧葶l 入静陷隆惫蘅还会增 大截止电流和亚闽德电流，增大低频噪声等 1 3 - i t j 。下面简骚介绍电离辐照对阈值 电压和跨导的影响，以及退火对辐照效应的影响，低频噪声响应在第三章里有较 谨缨分缍。 1 电离辐照对功率m o s 器件阂值电压的影响 功率m o s 器件的阈值电压，是指功率m o s 器件金属栅下面的半导体表面呈 现强反懋、扶两出现导电沟道对聪需要加的据源电压。在电离辐照下，如果只考 虑s i 0 2 中正空褥毫耨的影响，功率m o s 的磙漂移与m o s 电容鼢平带嚷压y 品漂 移应该是一致的，但是由于辐照产生了界面陷阱电荷，此时高频c - v 曲线产生畸 变，功率m o s 器 牛的阚值电压u 对应强反型的漂移和m o s 电容平带电压v 矗的 漂移之瓣羲篷瑗显蔫差象。 电离辐照对功率m o s 器件的作用主要引起闽值电压w 的漂移。以n 型增强 型功率m o s 器件为例，这种漂移可以用下式装示 a 蟾= 一： a 繇+ ：一矗繇= + 矗磙 g 一2 1 ) o 口0 0 x 式中；如是电离褊照在单位面积上产生的破空间电荷，是氧化层陷阱电荷导致 的；a 姨是电离辐照谯单位面积上产生的界蕊陷阱电荷，怒由于界面态导致的； 矗楚蓬空闻龟蘸黠阉篷毫垂貔影翡；矗磙蔻秀嚣貉辩电瑟瓣添篷宅嚣瓣影穗。 一般认为，n 裂功率m o s 器件在接受电离辐照时，阙值电压w 随蓿辐照总剂 量的增加而先负向漂移，在辐照总剂量达到一定的累计后，阂值电压开始反弹。 02 04 0801 0 0 辐熙剂 i t k i n d 巨2 4n 跫和p 型功率m o s 器件的阕值电压与辎照总裁量的关系 这是因为n 型功率m o s 器件在电离辐照下俘获正的空间电荷使闽值电滕向负电压 第二章葫率m o s 罄伟串豹1 f 噪声波冀疆照效应 1 3 方向漂移，在高剂量下因为界面态电荷显负电性，补偿了部分正空间电荷的作用， 使阈值电压漂移得到部分恢复。对于n 型功率m o s 器件，由与功率m o s 器件的 栅氧化层厚度遮远高于普通m o s 器件，所以正的氧化艨电荷积累比较多，大于界 瑟夔骥毫薅对潮筐逮歪漂移产生熬影翡，瑟鞋实验孛茨凳熬楚鍪功率m o s 器 譬 在接受毫离辐照对阑篮电垂一袁都是负两漂移。p 海功率m o s 器传王作在受 偏压下，它的界筒态电荷呈正电性，与氧化层陷阱电荷对阈值电压的影响阐向， 共同导致了p 性功率m o s 器件的阀值电压负向漂移。圈2 4 示意性的给出n 型和 p 型功率m o s 器 牛的阈值电压与辐照总剂量的关系。 2 毫褰辐照瓣功率m o s 器传跨导熬影穗 电离辐照能使功率m o s 器件的沟道迁移率减少，从而使线性区跨导降低，其 主要原因是由于界面态电荷的散射，而栅氧化层俘获的正空间电荷的影响是不重 要的。这是因为界面态电荷位于s i s i 0 2 界面附近、形成反型层，而氧化朦陷阱电 荷一般位子离界嚣5 r i m 处，其对避移搴的影晌比较小。 2 0 i 霉 1 6 1 4 兰：i 薅： 矗 o 图2 。5 线性区最大跨导随辐照剂量的变化情况嘲 表这式2 - 2 2 浚瘸来强述赛纛态貉| i 毫蔫增量鼹逶移率戆影镌 2 = 薷瑟( 2 - 2 2 )1 + 口砸。 式中：6 q i , 为电离辐照产生的界丽恣电荷增量；2 0 为麓辐照前的迁移率；搿为经 验参数。隧2 5 蠢鼍意性的给出功率m o s 器件的线性区踌导随着辐照剂量秘掰加栅 丞翁变琵美系。 3 退火对功率m o s 器l 牛的影响 功率m o s 器件的电离辐照效应存在着非常复杂的，与时间相关的遐火过程 1 1 8 。通过实验缴现，无论是加固遥是未加固器件，夜1 2 5 0 c 温度以下，稻照在氧 化层中产生的被俘获的空间正电襁在正偏压下的退火作用与温度关系不大，但是 在1 2 5 。c 瀑发叛主豹毫遗下，帮露凌特爱强熬豹瀑发关系。在1 5 0 。c 瀑瘦下，尼 1 4 功率m o s 箍俘捩辅照能力无簇浮秘方法谤究 乎9 5 初始俘获电荷已经被中和。功率m o s 器件退火之后表现出阈值电雁、跨导、 饱和漏电流、和1 f 噪声幅值等参数的回归，主要是因为辍化层中俘获空穴的i 鼹火。 具体过程可参照嘲2 3 。 豫了在歪携缀下豹退火效应终，嶷验还发瑗在受捷疆下豹爱逯火效应。在歪 糯疆下，氧毒| ：屡俘获的正电荷减少，称为退火效应，褥农受褥压下俘获电穗又有 所增加，成为反邋火效应。 l l 。 。 ， ： 罄 ：。 艄 ， ， | | _ ，p ， h 酬m d ，翎搿a n h v , g i ，m c hs 狮嘲“蛳! ：! ”黼。 t t r a d u t l l o a 日0 ，o 蝌m 啊剐州g i 孽h 图2 6 静态功耗电流的辐照响应岛退火【嘲 强2 。6 示意瞧熬绘出了n 型功率m o s 器箨隧着总粼爨累积静态功耗露 巍躬增 加，辐照后常滋麓7 0 逶火条 睾下，嚣侔静静态臻耗电流都随着返火辩闯的增耱 而减小。对于闽值电压、跨导、饱和漏电流和l ，f 噪声幅值等参数，电离辐照以后 的退火具有同图2 6 类似的关系。 盼 舻 岍 辩 第三章辐照实验、模型及方法 1 5 第三章辐照实骏、模型及方法 零章馥辐照实验交发，蘩先鼹珐率m o s 器箨豹毫漆箍爨豌疲避簿分辑；然矮 分柝了l ，f 噪声对功率m o s 器件抗辐照能力无损评价的可行性；在此基础之上， 建波了功率m o s 器件抗辐照能力无损评价模型和无损评价方法。 3 。l 功率m o s 器佟噪声测试平台 3 1 1 噪声测试系统的构成 篷子器侉豹糕簇噪声卡分徽弱，要能骞效建检测逡耱臻声，测试系统必须凝 有足够高的灵敏度。为此，本系统采用如嘲3 1 所示的缩构，其中包括器件适配器、 偏嚣器、低噪声前置放大器、数据采集卡和微型计算机五部分。器件适配器和偏 鬟器主要是摄爨特测爨 孛噪声测试豹其体要求，提供德嚣电压、镳嚣电漉、源电 黻，使之处予稽应的测试状态。待测的嗓声信号经过前置放大器和数据采集卡被 送至微机进行数据的分析处理、存储和打印输出。为了实现信号熨时，快速、凇 确的采集，我们采用d a q 2 0 1 0 数据采集卡。其最大采榉速率为2 m h z ，以保证l f 礤声溅试频率蔽箍；量纯精度秀1 4 b i t ，戮傈证灞试赣凌移动态范鬻。该数据采集 卡还带有程控增益放大器、d a 转换器，为仪器的功能拓展创造了条件。数据的传 匿3 。1 蒸乎虚羧仪器的低频噪声测试系统 输采用异步双缓冲直接内存访问的方式，保证了数据传输的快速和连续。信号逐 1 6 功率m o s 器件抗辐照能力无损评价方法研究 续双遁道采集的实现为后续对域分析和频域分析创造了先决袈件。 3 1 2 功率m o s 器件噪声测试偏鲞电路 本文实验所采用舶功率m o s 器件噪声测试偏置电路如图3 2 所示，图中的两 令萃菇双重牙关是秀歹兼蹶n 麓彝p 型臻搴m o s 警联麴耄压歪受苓溺豹需要露 设计的。滑动变阻器r l 与电阻r 2 的分压掇供功率m o s 器件m l 的栅极电压，当 栅极开关连接到电源v l 的正极时，r 1 的上半部分与r 2 作为一个整体，与r l 的 下半郝分对邀源v l 麴分匿痒戈糖摄电压，考虑到掇掇摹刃双置开关豹终爝，援摄 电压的变化范围怒【5 、+ 5 v 】；陌瑾，滑动交黻器r 4 和电黼r 3 的分聪提供功率 m o s 器件m 1 的漏极电压，当漏极开关连接刹电源v 2 的难极时，r 4 的下半部分 和r 3 作为一个整体，r 4 的上半部分与此整体对电源v 2 的分压作为漏极电压，考 虑弱灌裰单刀双嚣开关静俸瘸，瀵摄毫压交纯箍黉是【1 2 v , + 1 2 v 。蔽掇赛验需要， 本文测试的是漏一源问电压，的电压噪声功率谱密度，噪声信号从漏源端直接弓 出，通过同轴电缆传送到低噪声放大器输入端。 r 2 f 5 、， v 1 王 1幸憋l 。 i v o 睡一 气 由与耋镑塞蘸藏 - 0 蓬3 2 功率m o s 嗓声溪试偏嚣电路 表3 1n 型功率m o s 器件i r f 5 4 0 的1 f 噪声测试偏置条件 v d 0 0 5 o 1o 。2王02 04 。0 v g ，叭 0 0 3 ) o 1 ( d ) o ( g )o ( m ) o 。3 ( 一( t ) 辐照实验前尉噪声参数的测量通过上文介绍的噪声测试系统完成，为了更全 第三章辐照实验、模型及方法 1 7 露的菠映辐照蓠爱器件静噪声响皮，在该实骏巾全蘑测试了每一只功率m o s 器件 1 f 噪声的褥压特健晕西漏源电嚣特性。n 垂功帑m o s 器俸i r f 5 4 0 的l f 噪声溺试偏 置条件见表3 1 ，其中单位为伏特( v ) ，袋示截至区；表示弱反型，线性区： 巾表涿弱反型，饱和区；一表永强反型，线憾医；表示强反型，饱和隧；b ，d ， g ，m ，p ，t 分爨凳霹数据点戆编号。珏t f 5 2 l o 熬臻声测试偏萋条终只需要整表 3 1 中的v g v t 和v d 都变成负的即可。 电离辐照实验完成之后迅速进行电参数测试，确定阏值电压参数，再根据表 3 1 巾黪猿置条咎遂行噪声测嚣。瓣毽电压溅豢方法麦：短接珐率m o s 器转嚣援 极和漏极使得v g s v d s ，改变戴栅极电压，滔漏电流b = 2 5 0 u a 时的栅极电压即 为阈假电压。为了避免辐照退火效应对实验缩果的影响，按照国军标g j b 7 6 2 2 8 9 的移撼测试要求进行噪声参数翻电参数的测试。 3 2 功率m o s 器件电离辐照实验 本次实验方案参照美军标m i l - s t d 8 8 3 e 标准和国军标g j b 7 6 2 2 8 9 标准进行 设诗。 1 样品： 同时鉴于目前航天应用中广泛选用市售商晶的趋势，和军用器件的抗辐照能 力谬徐，本魏实验瓣戆选爱了歉公司生产熬嚣耪塑鸷功攀m o s 器转歉菸积 i r f 5 2 1 0 ，和西安激光半导体公弼金属封装的酱军级n 鹜功率m o s 器件。其中金 属封敞器件和n 飘塑封器件用的是同一种管芯。金属封装器件采用铜作为底板、 4 j 4 2 橱伐合金作为钢框、4 j 2 9 秘饯合金作为弓| 线、底扳和管芯之闯采用锱片连接。 编号两轮，j 3 酶衾耩封装器伟送行不翱镶嚣、未开盖辐愁实验；编号必瑟，撺， j 1 0 的金属封装器件进行不加偏鬣、开盖辐照实验；编号为j 4 ，j 5 的金属封装器件 进行加偏置，未开盏辐照实验；编号为j 6 ，j 7 的金属封毅器件进行不加偏置、开 盏辐爨实验；编号兔n i ，n 2 ，n 3 懿塑秘封装n 墼器辖遴褥不蠢镶零赣爨实验； 编号为n 6 ，n 7 ，n 8 的塑料封数n 型器件进行加偏置辐照实验；编号为p l ，p 2 ， p 3 的想料封装p 型器件进行来加偏置辐照实验；编号为p 4 ，p 5 ，p 6 的勰料封装p 型器 譬逆行翻德嚣辐照实验。 2 辐照实验邋程： 器件辐照实骏在西北核技术研究所6 0 c oy 射线辐照源进行，实验中使用的y 射线姻剂量率为1 0 9 r a d ( s i ) s ，辐照剂量率采用热释光法标定。由于卫攫中应用的 宅予搽俘在近蘧鞔逶尼年瘫豹啜l | 炙裁鼋可这刭1 0 k r a d ，纛疰远建辘：i 蓬这个馥虿戮 达到1 0 0 0 k r a d f l 5 1 ，所以此次实验总剂量累计达到1 0 0 k r a d ( s i ) ，总剂量节点为1 0 k r a d ( s i ) ，3 0 k r a d ( s i ) ，6 0 k r a d ( s i ) ，1 0 0 k r a d ( s i ) 。辐照过程