温度对NMOSFET单粒子瞬态电荷收集影响规律数值模拟

发布时间：2020-08-09 06:31

【摘要】：本文以NMOSFET晶体管为研究对象,基于TCAD仿真模拟软件对单粒子瞬态进行模拟分析,系统地研究了温度、线性能量传递(liner energy transfer,LET)、电场和入射角度等单因素,以及温度与LET值、电场和入射角度协同作用对单粒子瞬态效应和电荷收集的影响。具体研究内容和创新主要体现在以下几个方面:基于模拟仿真分析了温度对单粒子电荷收集的影响。温度和电荷收集量存在抛物线关系。随温度升高载流子的迁移率升高,在运动过程中获得较高的动能并发生二次电离,诱导更多电荷产生,随温度的升高二次电离减弱,但器件内部电场升高,使得电荷收集量随温度增加先减小后增加。此外,基于温度的研究结果对温度和其它因素的协同作用进行研究,温度升高促进LET值对收集电荷的作用;在低温下电场对电荷收集影响较大;入射角度越大有效LET值越大,故温度升高促进入射角度对收集电荷的作用。基于模拟仿真分析温度对单粒子瞬态的影响。瞬态电流的峰值随温度升高而降低,随温度降低载流子迁移率高导致初始电流增加;瞬态持续时间随温度升高而升高,随温度升高载流子的扩散系数减小。此外研究了温度和LET值、电场和入射角度的协同作用,发现LET值对瞬态电流峰值低温度下影响大;在高温下LET值对电流持续时间变化影响大;温度显著的影响了电场对单粒子瞬态的作用;对温度和入射角度而言,入射角度越大有效LET值越大,故入射角度对单粒子瞬态的影响规律具有温度依赖性。本文进行了NMOSFET单粒子瞬态及电荷收集温度依赖性的仿真模拟研究,并取得了一定的结果,揭示了载流子迁移率与温度和单粒子瞬态及电荷收集的相关性,为今后的MOSFET单粒子瞬态效应数值模拟评价技术奠定了基础。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN386
【图文】：

过程图,入射粒子,耗尽区,晶体管

是由于空间辐射环境中高能带电粒子击中微电子器件敏感部位，产生电离作用而导致额外电荷产生，致使器件逻辑状态改变、功能受到干扰或失效等故障。当带电粒子通过半导体器件时，会在有源区域和衬底而产生电子-空穴对如图1-1所示。产生电子-空穴对多少可用线性能量传递(LET 值)其单位表示为 MeV·cm2/mg。单粒子瞬态可能造成电路中断，逻辑翻转，甚至是不可修复的器件损坏等。基于电子器件的损伤状态将单粒子效应可以分为以下几种类型，包括：单粒子瞬态(SingleEvent Transient, SET)、单粒子翻转(Single Event Upset， SEU)、单粒子锁定(SingleEvent Latchup，SEL)、单粒子烧毁(Single Event Burnout，SEB)、单粒子栅穿(SingleEvent Gate Rupture， SEGR)等。大量研究表明，SET 效应尤为重要

栅极电压,跨导,沟道,器件

图 1-5 栅极电压与沟道跨导：温度对 NMOS (左)和 PMOS (右)器件的沟道电导的影响[15]国外很早就对单粒子效应对温度依赖性进行研究。1986 年，W. J. Stapor[16]等人研究 63MeV 质子和 65MeV α 束流辐照条件下温度对 NMOS/电阻负载 SRAM，测量了温度对 SEU 截面的影响。研究结果表明，这些器件的 SEU 截面随着温度的升高而增加。图 1-6 (a) 质子的横截面与温度的关系 (b) α 粒子的截面与温度的关系[16](a)(b)

α粒子,截面,横截面,单粒子效应

1-5 栅极电压与沟道跨导：温度对 NMOS (左)和 PMOS (右)器件的沟道电导的影响[国外很早就对单粒子效应对温度依赖性进行研究。1986 年，W. J. Stapor[究 63MeV 质子和 65MeV α 束流辐照条件下温度对 NMOS/电阻负载 SRA了温度对 SEU 截面的影响。研究结果表明，这些器件的 SEU 截面随着温而增加。

【参考文献】