總劑量效應產生過程

空間帶電粒子射線與物質的交互作用主要體現在誘發電離效應上。輻射粒子將能量用于激發半導體材料中的中性原子，使其形成電子-空穴對。然而，這種物質狀態是不穩定的，一般情況下會發生電子-空穴的中和。但對于工作的半導體而言，其外加偏置會導致半導體內存在電場。在電場的作用下，電子-空穴對發生分離。在半導體材料或絕緣材料中，電子和空穴的遷移速度是不同的。電子的遷移速度較快，而空穴的遷移速度較慢。這種差異在半導體元器件中普遍存在的鈍化層和柵氧層中更為明顯。

出自：集成電路總劑量加固技術的研究進展，《太赫茲科學與電子信息學報》第15卷，第一期

在電場作用下，運動慢的空穴攜帶者正電荷努力地通過“跳躍”在柵氧中遷移，但是當接近柵氧和半導體界面時，界面附近存在的大量的“陷阱”，絕大多數遷移過來的正電荷（空穴）會落入陷阱形成氧化物內的俘獲電荷（正電荷層，位于SiO2/Si的界面附近）。而還有一部分空穴與界面處的Si-H結合，釋放處H+，H+在電場作用下進一步向界面遷移，與Si-H中的H發生反應，形成H2，同時在原位上留下懸鍵，進而形成具有正電特性的界面態。

對MOS器件和雙極性器件的影響

在SiO2/Si的界面附近的俘獲電荷會形成正電荷層，電荷層產生電場，從而改變器件偏置狀態。這種效應對于MOS結構器件，會造成溝道閾值電壓偏移，會導致P溝道開啟電壓增加，降低N溝道的開啟電壓，同時還會造成漏結雪崩擊穿電壓變化，如P溝道降低，N溝道增加。而界面態具有較強的載流子限制效應，會造成載流子遷移率降低，這種效應尤其對雙極性結構器件強烈依賴載流子遷移工作的器件性能降低，如增益降低，漏電流增加，而對于MOS器件，界面態會造成增益和跨導的降低。

俘獲電荷和界面態之間的耦合

從總劑量效應形成過程可見，俘獲電荷層和界面態是獨立產生，但又相互聯系。俘獲電荷層主要是空穴的遷移，而界面態主要與釋放的H+遷移有關，而在Si材料中空穴遷移率是H+遷移的4倍。所以一旦俘獲電荷很快形成，則會產生一個明顯的電勢壘，會阻擋H+遷移，從而影響界面態的形成。反之如果俘獲電荷層沒有及時形成，H+遷移不會收到明顯的阻擋，這將造成界面態的大量形成。

出自：P型金屬氧化物半導體場效應晶體管低劑量率輻射損傷增強效應模型研究，《物理學報》 60卷第6期 2011年

高劑量率輻照下，H+受到俘獲電荷層電場的阻擋，無法有效參與界面態的形成：

低劑量率輻照下，H+無電荷層阻擋，會產生更多的界面態

出自：P型金屬氧化物半導體場效應晶體管低劑量率輻射損傷增強效應模型研究，《物理學報》 60卷第6期 2011年

上述的這些耦合機理會造成我們選用不同的劑量率（單位時間內高能粒子或射線傳遞給半導體材料內的能量，單位rad(Si)/s）進行實驗室，會得到截然不同的退化現象，其中 MOS 器件表現為時間相關效應（Time Dependence Effects，TDE，也稱時變效應），雙極器件表現為低劑量率損傷增強效應（Enhanced Low Dose Rate Sensitity，ELDRS）。

在高劑量率下，單位時間內產生的空穴更多，會很快形成俘獲電荷層，從而導致界面態形成受阻，而在低劑量率下，界面態更容易形成，這造成性能對界面態敏感的器件會在低劑量率輻照下性能退化要更大，稱這種效應為低劑量率增強效應（ELDRS- Enhanced Low-Dose-Rate Sensitivity）。

而低劑量增強效應在MOS中主要表現為時間效果效應，即TDE，主要表現為MOS器件在進行高劑量輻射后，通過退火（在偏置狀態下自然放置或高溫放置），其性能會隨時間發生繼續退化，效果可退化至低劑量率輻照的退化程度，產生這種時間相關效應的主要取決于結構與工藝，這會造成輻照感生的氧化物電荷、界面態的生長和退火間的競爭機制不同。

對元器件空間輻射總劑量效應的考核

綜上所示，空間帶電粒子輻射對元器件產生的累積電離損傷主要源于俘獲電荷和界面態。因此在考核元器件對耐總劑量效應的能力時要充分考核這兩方面的影響。

1）輻照源的選擇

在具體實驗中，需要采用一種簡單易得的主要產生電離效應的輻射束來對電離效應進行考核。天然放射性物質會以γ射線（光子），而光子對物質主要產生電離效應，且γ射線穿透能力極強，Si材料對其幾乎透明，因此不需擔心射程問題。所以工程實踐中，采用60Co產生的γ射線進行元器件的輻射總劑量效應的考核。

衡量輻照射線的總劑量能力統一采用輻照粒子或射線在硅中的能量沉積能力，即等效拉德硅- rad(Si)，其含義為單位質量Si吸收射線或粒子的電離能量，1 rad(Si)=0.01 J/kg（焦耳每千克）。這是總劑量的單位，除了rad(Si)以外還可用Gy（戈瑞）單位，1 Gy=100 rad。同時將單位時間內的電離吸收采用劑量率，一般為rad(Si)/s。

2）輻射劑量和劑量率的選擇

總劑量效應本身是一種累積效應，所以一般按照元器件在實際服役時間內所能接收到并吸收的累積電離能力來確定考核的指標。基于空間環境輻照環境的觀測，并通過粒子與物質交互作用仿真，如Monte-Carlo仿真，可獲得不同服役時間和服役環境下元器件所接受的電離能量。如航天型號在軌運行時間一般可分為長期、中期、短期三類，考慮太陽活動和安全裕度，一般采用如下要求。所以一般采用100krad(Si)對中期服役航天元器件進行考核。

而在GJB548里，給出了抗輻射保證等級（RHA）來定義器件對電離輻射的耐受能力。

由于存在低劑量率增強效應(ELDRS)，所以在選擇劑量率時盡量貼近真實服役環境的劑量率。如下圖所示，真實空間電離環境劑量率一般在10-3 rad(Si)/s以下，而地面采用的輻照源一般都高于這個劑量率。因此對于那些存在低劑量率增強效應的元器件，抗輻射總劑量效應的考核難點主要就是如何充分評價低劑量率的惡劣影響，防止保守評價。

引用：向宏文.航天器空間輻射環境及效應地面模擬試驗. 中國宇航學會飛行器總體專業委員會2004年學術研討會 中國宇航學會, 2005

同時在低劑量率下，器件內產生的俘獲電荷也會同時發生恢復（退火效應），這導致高劑量率輻照時，有可能產生過量的俘獲電荷，而造成過評價。