17、硅技术中的辐射效应与低频噪声

硅技术中的辐射效应与低频噪声

1. 引言

在众多应用场景中，电子元件和电路常暴露于恶劣的辐射环境。辐射粒子的种类、能量及其光谱分布，与应用领域密切相关。比如在核研究中，高能中子和光子是主要的辐射粒子；而在卫星应用里，辐射带中则主要是质子和其他带电粒子（如电子），这些粒子可能由太阳耀斑产生并被地球磁场捕获。此外，部分陶瓷封装会发射α粒子，可能导致存储器出现软错误。

要确定硅电路实际面临的辐射光谱并非易事，因为需要考虑卫星铝外壳等可能的屏蔽效应，而且量化电子设备所处的真实空间环境也颇具挑战。

当高能粒子（光子）穿过设备的不同层时，会通过多种机制损失能量，这会导致设备性能下降。主要的辐射损伤类型包括电离损伤、位移损伤和单粒子（或事件）效应，这些效应可能是瞬态的，也可能是永久性的。其造成的退化效应有电荷俘获、Si - SiO₂界面陷阱的产生、迁移率下降，以及互补金属氧化物半导体（CMOS）电路中的单事件翻转（SEU）和闩锁（SEL）等。

在氧化物的电离损伤中，室温下通常会观察到长期瞬态行为，需要区分即时效应和永久性退化。而低温操作会加剧辐射效应，这也解释了为何在一些应用中要着重进行加固处理。为确保电子元件在辐射环境中能按预期时间成功运行，往往需要采取特殊措施，如对基于MOS的技术进行加固，同时也可调整设计，但这通常会降低封装密度。

1.1 辐射剂量相关概念

• 剂量 ：单位质量材料吸收的能量，用rad或Gray表示，1 rad = 100 erg / g = 6.24 x 10¹³ eV / g，1 Gray = 1 J / kg = 100 rads。一般会区分rad(Si)