[논문 리뷰] Linear Correlation between Pre-radiation and Post-radiation Input Bias Currents in Bipolar Devices

Jie Zhao, Yu Song외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 29.

Radiation Effects in Electronics인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 다양한 감마선 선량, 선량률 및 온도 조건에서 상용 이종간 소자(MC4741, LM324N, LM2901)의 선다운 이전 및 이후 입력 바이어스 전류 사이에 선형 상관관계를 입증한다. 이 상관관계는 방사선 유도 공간 전하 영역(SCR) 전류가 선다운 이전의 확산 전류와 선형으로 결합되면서 발생하며, 이는 손상 예측의 정확성과 비파괴적 소자 선별을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 감마선 조사 조건에서 이종간 소자에서 선다운 이전 및 이후 입력 바이어스 전류 간의 관계를 조사하기.
• 관측된 입력 바이어스 전류 행동의 선형 상관관계를 이끌어내는 기본 물리 메커니즘을 규명하기.
• 방사선 유도 전류 성분(SCR 및 NBS)이 소자 유형에 따라 어떻게 다르게 기여하는지 규명하기.
• 관측된 상관관계를 활용하여 비파괴적 소자 선별 및 정확한 방사선 손상 예측을 가능하게 하기.
• 다양한 이종간 소자 모델에서 SCR 유사 및 NBS 유사 전류 성분의 상대적 지배 정도를 정량화하기.

제안 방법

• 감마선 조사 이전 및 이후에 세 가지 COTS 이종간 소자(MC4741, LM324N, LM2901)의 입력 바이어스 전류를 실험적으로 측정하기.
• 선량, 선량률 및 온도를 체계적으로 변화시켜 상관관계의 일관성을 평가하기.
• 입력 단계의 전류 성분 분석: 방사선 유도 공간 전하 영역(SCR) 전류 및 중성 기저 표면(NBS) 전류.
• 발생 위치(에미터 대 기저 영역)와 선다운 이전의 확산 전류에 대한 의존도를 기반으로 SCR 유사 및 NBS 유사 전류 기여를 분리하기.
• 여러 샘플에 걸쳐 선다운 이전 및 이후 입력 바이어스 전류 간의 상관관계를 정량화하기 위해 선형 회귀를 사용하기.
• 각 소자 유형의 전류 행동을 기반으로 SCR 및 NBS 성분의 상대 기여를 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 배치의 이종간 소자에서 선다운 이전 및 이후 입력 바이어스 전류 사이에 일관된 선형 관계가 존재하는가?
• RQ2 조사된 샘플에서 관측된 입력 바이어스 전류의 선형 상관관계를 이끌어내는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 방사선 유도 공간 전하 영역(SCR) 및 중성 기저 표면(NBS) 전류가 총 입력 바이어스 전류에 어떻게 다르게 기여하는가?
• RQ4 SCR 유사 및 NBS 유사 전류 성분이 각기 다른 이종간 소자 모델에서 어느 정도 지배적인가?
• RQ5 관측된 선형 상관관계를 비파괴적 소자 선별 및 방사선 유도 손상의 정확한 예측에 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 다양한 조사 조건에서 세 종류의 COTS 이종간 소자에서 선다운 이전 및 이후 입력 바이어스 전류 사이에 강한 선형 상관관계가 실험적으로 관측되었다.
• 상관관계는 방사선 유도 SCR 전류가 같은 영역의 선다운 이전 확산 전류에 선형적으로 의존하기 때문에 발생한다.
• 기저 영역에서 생성된 방사선 유도 NBS 전류는 선다운 이전의 확산 전류와 독립적이다.
• MC4741에서는 SCR 유사 성분이 총 입력 바이어스 전류를 지배하는 반면, LM324N에서는 NBS 유사 성분이 지배적이다.
• LM2901에서는 SCR 유사 및 NBS 유사 성분의 크기가 유사하여 총 선량 효과에 균형 잡힌 기여를 한다.
• 관측된 선형 상관관계는 선다운 이후 행동의 정밀한 예측을 가능하게 하며, 방사선 환경에서 비파괴적 소자 선별을 지원한다.