[論文レビュー] Linear Correlation between Pre-radiation and Post-radiation Input Bias Currents in Bipolar Devices

Jie Zhao, Yu Song+6 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2019

Radiation Effects in Electronics被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、ガンマ線線量、線量率、温度を変化させた条件下で、商業用バイポーラデバイス（MC4741、LM324N、LM2901）における放射線照射前後における入力バイアス電流の間に線形相関が存在することを示した。この相関は、放射線によって誘発される空間電荷領域（SCR）電流が、照射前のエミッタにおける拡산電流と線形に結合することに起因し、損傷の正確な予測と破壊的でないデバイス選別が可能となる。

ABSTRACT

Due to variability, the input bias currents in bipolar devices, no matter before or after gamma-ray irradiations, are different for different samples. In this work, we experimentally demonstrate that there is a linear correlation between the pre-radiation and post-radiation input bias currents for samples from the same manufacturer and the same batch. The correlation is found in three typical commercial off-the-shelf (COTS) bipolar devices, including quad-operation amplifiers MC4741, LM324N and quad comparator LM2901, which are irradiated with different gamma ray total doses, dose rates, and temperatures. We indicated that, the possible mechanism of the remarkable effect is that, in the input stage bipolar junction transistor, the radiation-induced space charge region (SCR) current and the pre-radiation carriers diffusion current are generated in the same emitter region thus obey a linear correlation, while the radiation-induced neutral base surface (NBS) current is generated in a different (base) region thus is independent from the diffusion current. Moreover, it is found that, the SCR-like component dominates in MC4741, the NBS-like component dominates in LM324N, while the two components are comparable in LM2901, implying different roles of the two components in the total dose effect of different kind of devices. The found linear correlation can be used in exact damage prediction and nondestructive device selection.

研究の動機と目的

• ガンマ線照射下におけるバイポーラデバイスの放射線照射前後における入力バイアス電流の関係を調査すること。
• 観察された入力バイアス電流の挙動における線形相関の背後にある物理的メカニズムを特定すること。
• 放射線によって誘発される電流成分（SCRおよびNBS）が、異なるデバイスタイプにおいてどのように異なって寄与するかを特定すること。
• 観察された相関を用いて、破壊的でないデバイス選別と正確な放射線損傷予測を可能にすること。
• 異なるバイポーラデバイスモデルにおけるSCRに類似した成分とNBSに類似した成分の相対的支配度を定量化すること。

提案手法

• ガンマ線照射前後における3種類のCOTSバイポーラデバイス（MC4741、LM324N、LM2901）の入力バイアス電流を実験的に測定すること。
• 線形相関の整合性を評価するために、照射中における総線量、線量率、温度を体系的に変化させること。
• 入力段における電流成分の解析：放射線によって誘発される空間電荷領域（SCR）電流と中性ベース表面（NBS）電流。
• エミッタ領域とベース領域からの空間的起源および照射前の拡散電流に依存する度合いに基づき、SCRに類似した成分とNBSに類似した成分の分離を行うこと。
• 複数のサンプルにわたる放射線照射前後における入力バイアス電流の間の相関を定量化するために線形回帰を用いること。
• 各デバイスタイプにおけるSCRおよびNBS成分の相対的寄与度を、その電流挙動に基づいて比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じバッチのバイポーラデバイスにおいて、放射線照射前後における入力バイアス電流の間に一貫した線形関係が存在するか？
• RQ2 放射線照射サンプル全体にわたる入力バイアス電流の線形相関を誘発する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 放射線によって誘発される空間電荷領域（SCR）電流と中性ベース表面（NBS）電流は、合計入力バイアス電流にどのように異なって寄与するか？
• RQ4 SCRに類似した成分とNBSに類似した成分は、それぞれのバイポーラデバイスモデルにおいてどの程度支配的であるか？
• RQ5 観察された線形相関を用いて、破壊的でないデバイス選別と放射線損傷の正確な予測が可能か？

主な発見

• 異なる照射条件下で、3種類のCOTSバイポーラデバイスにおいて、放射線照射前後における入力バイアス電流の間で強い線形相関が実験的に観察された。
• この相関は、エミッタ領域における放射線誘発SCR電流が、同じ領域の照射前の拡散電流に線形に依存することに起因する。
• ベース領域で発生する放射線誘発NBS電流は、照射前の拡散電流とは独立している。
• MC4741では、SCRに類似した成分が合計入力バイアス電流を支配しているのに対し、LM324NではNBSに類似した成分が支配的である。
• LM2901では、SCRに類似した成分とNBSに類似した成分の大きさが同等であり、合計線量効果にバランスの取れた寄与がなされていることが示された。
• 観察された線形相関により、放射線照射後の挙動の正確な予測が可能となり、放射線環境下での破壊的でないデバイス選別が支援される。