辐射对元器件的作用机理

随着空间技术、核科学和微电子技术的快速发展，越来越多的电子元器件被应用到各类航空、航天以及战略武器的电子系统中，它们将经受空间辐射环境或核辐射环境的考验。

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空间、核辐射环境对元器件的影响

空间辐射环境下电子器件主要产生电离辐射总剂量效应和单粒子效应。核辐射环境，尤其是核爆炸环境，主要是瞬时电离辐射总剂量效应、中子辐射效应和电磁脉冲损伤效应。不同的辐射环境对电子元器件的影响各不相同，不同类型的电子元器件对同一辐射环境也会有不同的反应。

空间辐射环境主要来自宇宙射线、太阳耀斑辐射及围绕地球的内、外范·艾伦辐射带、太阳风、极光辐射、太阳X射线及频谱范围较宽的电磁辐射，它主要由高能质子、高能电子、X射线、中子、γ射线等组成。根据目前国外研究成果，影响航天器的高能带电粒子主要有三种来源：

(a)银河宇宙线。它包含元素周期表中几乎所有元素的原子核辐射，即低通量、高能量（达TeV）的各种重离子。其中丰度最大的是氢核（即质子），占85%-87%，其能谱的分布在几十MeV到1000多MeV。

(b)太阳宇宙线。太阳耀斑爆发期间，太阳日面上发出的高能粒子其成分主要是质子和α粒子，故称太阳质子事件，其能量分布在零点几MeV到几百MeV之间。它也包含元素周期表几乎所有元素的各种重离子。

(c)地球捕获辐射带。由于地球磁场捕获的高能带电粒子。辐射带中主要是质子、α粒子、电子及少量其它元素，如C、N、O核素。

虽然空间环境的电离辐射剂量率很低，不同轨道的剂量率范围一般在0.0001rad(Si)/s～0.01rad(Si)/s之间，但由于它是一个累积效应，当总剂量累积到一定值时，将导致电子元器件的性能发生变化，严重时元器件将完全失效，使电子设备不能正常工作。1971年至1986年，国外发射的39颗同步卫星，因各种原因造成的故障共1589次，其中与空间辐射有关的故障有1129次，占故障总数的71%。我国目前运行的卫星，在其有效寿命里，取决于轨道参数，卫星内部将会受到总剂量为102Gy(Si)～104Gy(Si)的辐射。航天器及核反应堆中的某些电子部件可能会受到总剂量超过105Gy(Si)的辐射。

单粒子效应是空间电子系统必须面对和需要解决的另一个问题。自1975年发现单个高能粒子能引起CMOS器件发生闭锁。1986年又发现单个高能粒子还能引起功率MOS器件发生单粒子烧毁，之后又发现单粒子栅穿现象等。进一步的模拟实验和在轨卫星的测试证实，几乎所有的集成电路都会发生单粒子效应。我国发射的卫星也发生过类似的故障，随后的故障分析结果表明也是由单粒子效应造成的。随着器件集成度的不断提高，以及工作电压的下降，器件对单粒子效应的敏感度也大幅提高，成为影响卫星在轨生存能力的重要因素。

核辐射环境包括核反应堆、加速器和核武器爆炸等人为辐射环境，它主要有α、β、中子、γ射线及核电磁脉冲组成。高空核爆炸产生的瞬时辐射环境一般不会超过10s～15s。瞬态剂量率辐射效应，中子辐射位移损伤效应以及瞬态辐射的次级效应，即在大气层中产生的高空核电磁脉冲(HEMP)对于战略武器和卫星的电子系统都是必须重视的瞬时毁伤因素。

元器件典型空间环境举例

研究空间、核辐射环境中各种粒子的种类、分布情况、能量及强度等因数,对给定任务下选用元器件进行加固，使其具有抗辐射性能，对设备硬件和软件的抗辐射加固设计、系统的地面仿真试验及在轨应用验证等一系列的辐射加固技术，是航天及战略武器电子系统研制的关键。

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辐射对元器件的作用机理

（1）电离辐射总剂量效应

当带电离子、电子或射线通过MOS结构的硅和二氧化硅绝缘层时，引起原子电离而产生电子—空穴对，在外加电场条件下，电子在1ps(1×10-12s)时间内被电场扫出氧化物，留下正陷阱电荷；同时在硅与二氧化硅界面产生新的界面陷阱电荷，也称界面态，它可以是正的、负的或中性的。随着陷阱电荷的积累，使表面电位和界面态发生变化，引起半导体器件功能异常。

电离辐射总剂量效应的特点是瞬时剂量率很低，作用时间长(几年至十几年)，效应具有累积性，引起的效应是半永久性或永久性的。适当退火(加电场或热)，可部分恢复，完全恢复比较困难。

电离辐射总剂量效应对MOS器件的影响比较大，可使MOSFET的阈值电压向负向漂移、表面迁移率和跨导降低、表面复合速度和源漏间的漏电流增大、源漏击穿电压下降以及噪声增加；可使CMOS电路输出电平逻辑摆幅和最大输出电流减小、传输延迟时间增加和静态功耗电流增大，严重时将导致器件失效。

电离辐射效应对双极型电路的影响相对较小。但随着航天和军事系统对高性能线性电路与混合信号电路需求的不断增加，其在低剂量率辐射下的电流增益减小，比高剂量率辐射时还严重，这一低剂量率损伤增强现象引起了越来越多的关注。

电离辐射总剂量单位：Gy(Si)或rad(Si)，1Gy(Si)=100rad(Si)。

（2）瞬时电离辐射(剂量率)效应

瞬时电离辐射效应也称剂量率效应，主要来自核爆环境产生的脉冲电离辐射，是持续时间较短的强射线脉冲(γ射线和X射线)。脉宽很窄，约为10ns～1μs，强度很高，剂量率达1010Gy(Si)/s或更高。这种强脉冲瞬时剂量率辐射同半导体器件相互作用，能在反偏PN结产生瞬时光电流，光电流大小同辐射剂量率成正比，初始光电流也可能引起被放大的二次光电流。

瞬时电离辐射效应的特点是瞬时剂量率大，作用时间短，在半导体中引起大的瞬时辐射电流。它能引起电子系统的瞬时扰动或永久性的损伤。瞬时电离辐射效应引起的光电流较小时，影响CMOS电路的输出电平(高电平降低，低电平升高)，能造成CMOS器件的逻辑功能失效；由于体硅CMOS器件固有的PNPN四层结构，当光电流较大，达到产生闭锁的基本条件(即两种寄生双极晶体管的βPNP×βNPN≥1)时器件可能产生闭锁，严重时能导致电路烧毁。

瞬时电离辐射对双极型电路最危险的光电流是基极—发射极PN结产生的光电流，它可被放大hFE倍(hFE为双极型晶体管的电流放大倍数)。从辐照时的光电响应曲线上可以清楚地看到，器件在辐照瞬间有2μs～15μs不等的瞬态闭锁。辐照剂量率越高，闭锁响应时间越长，恢复正常供电的时间也越长，在这个瞬间器件没有电压输出。在PN结隔离的实际模拟集成电路中，由于大面积的瞬态光电流，影响更为严重。模拟集成电路通常工作在不饱和状态，以保证高的开环增益，瞬态辐射导致双极器件饱和，增益明显减小，同时因为晶体管饱和时会使其正、负电源间的阻值减小，所产生的浪涌电流将使PN结失效或金属化层烧毁。另外，一些对电流比较敏感的器件如光隔离器、CCD等器件，瞬时电离辐射对其影响较大，即使在较低的剂量率下，器件的性能也会发生很大变化。

瞬时电离辐射剂量率单位：Gy(Si)/s。

（3）位移损伤(中子辐射)效应

高能粒子辐照硅晶体时，与晶体中的原子碰撞，晶体原子得到能量，其中一部分原子会离开原来的平衡位置进入间隙，在晶体中产生空格与填隙原子。如果这些原子能量足够大，还可以产生连锁反应，通过与晶格中的其他原子的碰撞，再产生新的空位和填隙原子，使硅晶体产生各种类型的物理缺陷，引起材料电学性能变化，影响少子寿命及数量、掺杂浓度和载流子迁移率，从而导致器件电路参数特性退化，这种退化称为位移损伤效应。目前的模拟试验都用中子源，一般也称为中子辐射效应。位移效应的特点是射线粒子引起的位移损伤是永久性的。

由于MOS器件，如CMOS电路主要由多子性质决定，因而中子辐射对CMOS电路影响相对较小。一般良好的CMOS电路抗中子辐射能力可达1×1014/cm2以上中子注量。对于双极型器件，中子辐射造成较大影响，主要影响是增益降低。双极型模拟电路受中子辐射影响大于双极型数字电路，因为双极型模拟电路对晶体管电流增益和饱和压降变化比较敏感。电路随晶体管增益下降，放大级有源负载增加，运放工作失配，导致失调电压增大，易使电路失效。

中子辐射效应单位：n/cm2。

（4）单粒子效应

单粒子效应(SEE)是半导体器件受到空间辐射环境的高能射线粒子(如质子、中子、α粒子)或其他重离子照射，由单个粒子与器件的敏感区相互作用而引起的辐射损伤效应。单粒子效应的特点：它是一种随机效应，与入射粒子的路径是否经过器件的灵敏区有很大关系。与剂量率辐射效应类似，它也是瞬发的。

对于低轨道、太阳同步轨道和大椭圆轨道，主要是质子导致的单粒子效应；对于高轨道和地球同步轨道，主要是重离子导致的单粒子效应。

单粒子效应的表现形式有多种，按其特性可分为非破坏性，即软错误，如单粒子翻转(SEU)、单粒子扰动(SED)等；另一类为破坏性的硬错误，如单粒子栅穿(SEGR)、单粒子烧毁(SEB)等；而单粒子闭锁(SEL)可以是破坏性的，也可以是非破坏性的，与电路的设计有关。任何一种不管是非破坏性或破坏性的单粒子效应都能使空间电子系统不能正常工作。

评估器件抗单粒子效应能力有以下几种指标：

(a)单粒子翻转率：a×10-b/(天·位)(结合轨道参数计算出，a、b分别代表某一数字)。单粒子翻转率越小，表示器件的抗单粒子能力越好。如果不考虑集成度，也有用a×10-b/(天·器件)来表示的。

(b)单粒子扰动截面σ：翻转次数/入射粒子总数，a×10-bcm2/位或a×10-bcm2。越小表示抗单粒子能力越好。

(c)有效LET阈值：通过单粒子试验作出器件的扰动截面与LET关系曲线。在扰动截面与LET关系曲线中，10%饱和扰动截面所对应的LET值称为有效LET阈值。较高的有效LET值，表明器件有较好的抗单粒子扰动能力。其单位为MeV/(mg·cm-2)。

审核编辑：黄飞