一种双极型晶体管位移效应数值模拟方法与流程

本发明属于辐射效应数值模拟技术领域，涉及一种双极型晶体管位移效应数值模拟方法。

背景技术：

中子辐照会在双极型晶体管中引起位移损伤效应。位移损失效应主要是中子通过弹性散射碰撞，使靶原子核获得足够能量而离开其晶格位置，在组成双极型晶体管的半导体材料中产生位移损伤缺陷，引起晶体管电流增益下降，导致晶体管性能退化甚至失效。

开展双极型晶体管中子位移效应的数值模拟，可以从晶体管器件物理层面分析效应现象规律和微观机制，是双极型晶体管抗中子辐射加固设计的重要技术支撑。现有的双极型晶体管中子位移效应数值模拟方法主要是少数载流子寿命法。半导体材料中的少数载流子寿命和入射中子注量间的关系如下式所示：

式中，τ_r0为中子辐照前的少数载流子寿命；τ_r为中子辐照后的少数载流子寿命；Φ为入射中子注量；K_r为少数载流子寿命损伤系数。少数载流子寿命法是依据(1)式计算得到组成双极型晶体管的半导体材料的少数载流子寿命，通过建立少数载流子寿命模型完成对晶体管中子位移效应的数值模拟。由于中子辐照还会引起半导体材料中除少数载流子寿命之外的其他电学参数(如有效掺杂浓度、载流子迁移率等)的变化，因而该方法不能完全反映中子位移效应的物理实际，具有一定的局限性。

技术实现要素：

为了解决现有的位移效应数值模拟方法不能完全反映中子位移效应物理实际的技术问题，本发明提供一种双极型晶体管位移效应数值模拟方法。该方法从中子辐照后双极型晶体管位移损伤缺陷的实测数据出发，建立位移损伤缺陷模型，完成中子位移效应的数值模拟。

本发明的技术解决方案是：一种双极型晶体管位移效应数值模拟方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)对双极型晶体管进行中子辐照；

2)对中子辐照后双极型晶体管的基极电流、集电极电流、共射极电流增益进行测试；

3)对中子辐照后双极型晶体管进行中子位移损伤缺陷参数的测试；

4)双极型晶体管位移损伤缺陷模型的建立：基于肖克莱-里德-霍尔载流子复合理论，建立双极型晶体管位移损伤缺陷模型，使用步骤3)测得到的中子位移损伤缺陷参数为模型参数赋值；

5)中子辐照后双极型晶体管电学特性的模拟计算：在半导体器件仿真软件中，建立双极型晶体管的器件结构，基于双极型晶体管位移损伤缺陷模型，开展中子辐照后双极型晶体管电学特性的数值模拟，计算晶体管的基极电流、集电极电流、共射极电流增益；

6)测试数据与模拟计算数据的对比：将步骤5)模拟计算得到的数据与步骤2)中测试得到的数据进行对比；若对比结果不一致，则执行步骤7)；若对比结果一致，则执行步骤8)；

7)调整步骤4)中的模型参数赋值并继续执行步骤5)；

8)结束双极型晶体管位移效应数值模拟，获得双极型晶体管的位移损伤缺陷模型及模型参数。

较佳的，步骤1)中的双极型晶体管是经过参数测试后筛选出的共射极电流增益的相对标准偏差在5％以内的多个双极型晶体管。

较佳的，步骤1)中进行中子辐照的过程中，双极型晶体管的管脚全部短接。

较佳的，步骤3)中进行的中子位移损伤缺陷参数的测试是选取双极型晶体管的集电极-基极结作为测试用的PN结，测试获得双极型晶体管的深能级瞬态谱；测试的中子位移损伤缺陷参数包括位移损伤缺陷在禁带中的能级位置E_t、缺陷密度N_t以及缺陷对电子的俘获截面σ_n和缺陷对空穴的俘获截面σ_p；求取多只双极型晶体管的中子位移损伤缺陷参数的平均值及其标准偏差，包括缺陷密度平均值和标准偏差缺陷对电子的俘获截面平均值和标准偏差缺陷对空穴的俘获截面平均值和标准偏差

较佳的，步骤4)中建立的双极型晶体管位移损伤缺陷模型为：

其中，R_t是在禁带中的能级位置为E_t的位移损伤缺陷引起的载流子复合率；n为平衡电子浓度，p为平衡空穴浓度，n_i为本征载流子浓度，n_l为缺陷能级E_t中的电子浓度，p_l为缺陷能级E_t中的空穴浓度，τ_n为电子作为少数载流子时的寿命，τ_p为空穴作为少数载流子时的寿命，v_th为载流子热运动速度，N_c为导带有效状态密度，N_v为价带有效状态密度，k为玻尔兹曼常数，T为温度，N_t为缺陷密度，σ_n为缺陷对电子的俘获截面，σ_p为缺陷对空穴的俘获截面；

使用多只双极型晶体管的缺陷密度平均值缺陷对电子的俘获截面平均值和缺陷对空穴的俘获截面平均值为双极型晶体管位移损伤缺陷模型进行模型参数赋值。

较佳的，步骤6)中对比结果一致性的判断标准是：数值模拟计算得到的共射极电流增益与实测得到的共射极电流增益平均值的相对标准偏差是否在5％以内，数值模拟计算得到的基极电流、集电极电流的曲线形状与实测曲线是否一致。

较佳的，步骤7)中的模型参数赋值的调整范围为

本发明的有益效果在于：

(1)本发明基于中子辐照后双极型晶体管位移损伤缺陷的实测数据，建立位移损伤缺陷模型，完成中子位移效应的数值模拟，突破了现有少数载流子寿命法不能完全反映中子位移效应物理实际的局限性。

(2)本发明能够建立双极型晶体管宏观电学特性与微观位移损伤缺陷间的联系，可以为深入分析位移损伤缺陷对晶体管内部载流子输运过程的影响提供有效手段。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的方法流程图。

图2为本发明较佳实施例的双极型晶体管的深能级瞬态谱。

图3为本发明较佳实施例的双极型晶体管的中子位移损伤缺陷参数测试结果。

图4为本发明较佳实施例的半导体仿真软件中建立的双极型晶体管的器件结构。

图5本发明较佳实施例的双极型晶体管的电学特性数值模拟结果。

具体实施方式

深能级瞬态谱(DLTS)测试技术是半导体材料中深能级缺陷检测的有效手段。采用深能级瞬态谱测试技术对组成双极型晶体管的半导体材料进行测试，可以得到中子辐照后形成的位移损伤缺陷参数，获得反映中子位移效应物理实际的实测数据。

本发明的技术流程图如图1所示。首先对双极型晶体管进行中子辐照，然后基于深能级瞬态谱测试技术，完成中子位移损伤缺陷参数的测试，再建立位移损伤缺陷模型，完成双极型晶体管位移效应的电学特性数值模拟，将模拟结果与测试结果进行对比，对位移损伤缺陷模型进行修正，直到模拟结果与测试结果一致。具体环节介绍如下：

1、选择同一生产工艺的同批次的双极型晶体管，对晶体管进行辐照前的参数测试，测试晶体管的共射极电流增益，筛选出共射极电流增益的相对标准偏差在5％以内的晶体管作为辐照样本。

2、在辐照样本中选择6只双极型晶体管在反应堆开展中子辐照实验，辐照过程中晶体管的管脚全部短接。

3、基于深能级瞬态谱测试技术，选取双极型晶体管的集电极-基极结(BC结)作为测试用的PN结，对辐照后的双极型晶体管进行中子位移损伤缺陷参数的测试，获得晶体管的深能级瞬态谱、位移损伤缺陷在禁带中的能级位置E_t、缺陷密度N_t以及缺陷对电子的俘获截面σ_n和空穴的俘获截面σ_p，求取6只晶体管缺陷参数的平均值和标准偏差，包括缺陷密度平均值和标准偏差缺陷对电子的俘获截面平均值和标准偏差缺陷对空穴的俘获截面平均值和标准偏差典型双极型晶体管的深能级瞬态谱和中子位移损伤缺陷参数测试结果如图2和图3所示。

4、基于肖克莱-里德-霍尔(SRH)载流子复合理论，建立双极型晶体管位移损伤缺陷模型。对于在禁带中的能级位置为E_t的位移损伤缺陷，引起的载流子复合率R_t为：

其中：

式中，n为平衡电子浓度，p为平衡空穴浓度，n_i为本征载流子浓度，n_l为缺陷能级E_t中的电子浓度，p_l为缺陷能级E_t中的空穴浓度，τ_n为电子作为少数载流子时的寿命，τ_p为空穴作为少数载流子时的寿命，v_th为载流子热运动速度，N_c为导带有效状态密度，N_v为价带有效状态密度，k为玻尔兹曼常数，T为温度，N_t为缺陷密度，σ_n为缺陷对电子的俘获截面，σ_p为缺陷对空穴的俘获截面。

使用实测得到的6只双极型晶体管缺陷参数的平均值(对于在禁带中的能级位置为E_t的位移损伤缺陷，缺陷密度平均值缺陷对电子的俘获截面平均值和缺陷对空穴的俘获截面平均值)为位移损伤缺陷模型参数赋值，完成位移损伤缺陷模型的建立。

5、在半导体器件仿真软件中，基于双极型晶体管发射区、基区以及集电区的掺杂浓度和尺寸，建立双极型晶体管的器件结构，对双极型晶体管辐照前的电学特性进行数值模拟，将模拟得到的共射极电流增益与6只双极型晶体管辐照前的共射极电流增益进行比较，完成仿真软件中双极型晶体管器件模型的校准。半导体仿真软件中建立的典型双极型晶体管的器件结构如图4所示。

6、将建立的双极型晶体管位移损伤缺陷模型加载至半导体仿真软件中，对中子辐照后晶体管的电学特性进行数值模拟，计算晶体管的基极电流、集电极电流、共射极电流增益。

7、对6只双极型晶体管中子辐照后的电学特性进行测试，测试晶体管的基极电流、集电极电流、共射极电流增益，求取6只晶体管共射极电流增益的平均值。

8、将中子辐照后双极型晶体管电学特性的测试数据与数值模拟计算得到的数据进行对比，判断数值模拟计算得到的共射极电流增益与实测得到的共射极电流增益平均值的相对标准偏差是否在5％以内，数值模拟计算得到的基极电流、集电极电流的曲线形状与实测曲线是否一致。若满足上述条件，则流程结束，位移效应的数值模拟完成；若不满足上述条件，则在范围内调整位移损伤缺陷模型的模型参数赋值，若数值模拟计算得到的共射极电流增益大于实测得到的共射极电流增益平均值则增大模型参数的赋值，若数值模拟计算得到的共射极电流增益小于实测得到的共射极电流增益平均值则减小模型参数的赋值，对位移损伤缺陷数值模拟模型进行修正，重复步骤6和7，直至数值模拟结果与测试结果一致。典型双极型晶体管的电学特性数值模拟结果如图5所示。