[论文解读] 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 1

一句话总结

本研究在不同伽马射线剂量、剂量率和温度条件下，展示了商用双极器件（MC4741、LM324N、LM2901）在辐照前后输入偏置电流之间的线性相关性。该相关性源于辐射诱导的势垒区（SCR）电流与发射极中辐照前的扩散电流线性耦合，从而实现损伤的精确预测和无损器件筛选。

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.

研究动机与目标

• 研究在伽马辐照条件下，双极器件辐照前与辐照后输入偏置电流之间的关系。
• 识别导致观测到的输入偏置电流行为线性相关性的潜在物理机制。
• 确定辐射诱导的电流分量（SCR 和 NBS）在不同器件类型中的不同贡献方式。
• 利用观测到的相关性实现无损器件筛选和精确的辐射损伤预测。
• 量化不同双极器件型号中 SCR 类与 NBS 类电流分量的相对主导程度。

提出的方法

• 在伽马射线辐照前后，对三种商用现成（COTS）双极器件（MC4741、LM324N、LM2901）的输入偏置电流进行实验测量。
• 在辐照过程中系统性地改变总剂量、剂量率和温度，以评估相关性的一致性。
• 分析输入级中的电流分量：辐射诱导的势垒区（SCR）电流和中性基区表面（NBS）电流。
• 根据其空间起源（发射极与基区）以及对辐照前扩散电流的依赖性，分离 SCR 类与 NBS 类电流贡献。
• 使用线性回归量化多个样品中辐照前与辐照后输入偏置电流之间的相关性。
• 基于电流行为比较不同器件类型中 SCR 与 NBS 分量的相对贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 在同一批次的双极器件中，辐照前与辐照后输入偏置电流之间是否存在一致的线性关系？
• RQ2 在辐照样品中，导致观测到的输入偏置电流线性相关性的物理机制是什么？
• RQ3 辐射诱导的势垒区（SCR）电流与中性基区表面（NBS）电流如何在总输入偏置电流中产生不同的贡献？
• RQ4 SCR 类与 NBS 类电流分量在不同双极器件型号中分别占据多大程度的主导地位？
• RQ5 观测到的线性相关性是否可用于无损器件筛选和精确预测辐射引起的损伤？

主要发现

• 在不同辐照条件下，对三种 COTS 双极器件的实验结果均显示出辐照前与辐照后输入偏置电流之间存在强烈的线性相关性。
• 该相关性源于发射极区域辐射诱导的 SCR 电流与同一区域辐照前扩散电流的线性依赖关系。
• 在基区产生的辐射诱导 NBS 电流与辐照前扩散电流无关。
• 在 MC4741 中，SCR 类分量主导了总输入偏置电流；而在 LM324N 中，NBS 类分量占主导地位。
• 在 LM2901 中，SCR 类与 NBS 类分量的大小相近，表明二者对总剂量效应的贡献基本平衡。
• 观测到的线性相关性可实现对辐照后行为的精确预测，并支持在辐射环境中进行无损器件筛选。