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当辐射脉冲宽度为T时,产生的光电流的数学表达式为
Ipp(t)=eKgDαΧA[Wj+Lnerft?Σn+Lperft?Σp], 0≤t≤3(1)
式中:A为结面积;Wj表示耗尽区宽度;Ln,Lp分别是电子、空穴的扩散长度;Σn,Σp分别为电子、空穴的寿命对于Si材料,Kg=4.3×1015cm-3Gy-1。
双极和CMOS微电路工艺中,往往采用高阻衬底或在低阻衬底上外延高阻层。这样不仅提高了器件的耐击穿能力,而且低掺杂浓度外延层可以使器件的集2基结电容减小,提高双极器件的高速性能;对CMOS工艺,该外延层可用来防止器件闩锁。Wirth2Rogers光电流模型假定忽略衬底高阻材料电场效应以及高注入对少子寿命的影响,结两边必须是无限的均匀掺杂(相对于少子扩散长度而言),且该模型与反向偏置电压无关。因此该模型对微电路已不再适用。有实验数据表明,对高阻衬底器件,Wirth2Rogers模型预估的光电流与实测结果差3倍。增强光电流模型在Wirth2Rogers基础上作了两个重要补充:电场效应及高注入对少子寿命的影响。这两个效应都引起少子收集体积的增加。带外延晶体管外延层少子扩散长度Lp比外延层厚度We大得多,外延晶体管的n+外延衬底限制了少子扩散长度,少子收集体积定义为所有过剩少数载流子被结收集的区域。高注入时,随着过剩少子数量的增加,根据Shockley2Read理论,在半带陷阱的过剩少子寿命将增加,寿命的增加直接引起少子扩散长度的增加,引起光电流增加。衬底电场效应使得少子向结漂移,有效增加了光电流收集体积。
微电路pn结瞬态电离辐射响应二维数值模拟
瞬态Χ射线、X射线脉冲辐照,会使器件的电性能发生瞬间变化。由于电离效应,在器件中会产生光电流。光电流的产生给电子系统引入附加信号使其功能改变,严重者可使器件的引线烧毁造成性破坏。光电流的大小与射线的强度、脉冲持续时间、器件种类、偏置高低和负载大小等因素有关。因此抗瞬态辐射加固是电子系统抗辐射加固研究中的重要组成部分。
光电流由漂移电流和扩散电流两部分构成。漂移电流与偏置场强有关;扩散电流与扩散长度和少子寿命有关。Wirth和Rogers在1964年提出了光电流的一维解析模型。包括耗尽区中产生的光电流瞬时分量漂移电流和PN结两侧一个少数载流子扩散长度内产生的光电流延迟分量。
