It has been known that semiconductor devices operating in a radiation environment exhibited significant alterations of their electrical responses. Since an electron beam bombardment produces lattice damage in Si and charged defects in $SiO_2$, several electrical parameters of transistors exhibit significant changes. Those parameters are the current gain of BJT (Bipolar Junction Transistor) and the threshold voltage of MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). The degradation of transistors brings about that of circuits.
This paper presents the results of experiments and simulations performed to study the effects of 1MeV electron beam irradiation on selected silicon transistors and circuits. For BJTs, the current gains of npn (2N3904) and pnp (2N3906) linearly decreased as the irradiation dose increased, and from this result, the damage constants, Ks were obtained as 13.65 for 2N3904 and 22.52 for 2N3906 in MGy, indicating a more stable operation in the electron radiation environment for pnp than that for npn. The decrease of current gain was due to that of minority-carrier lifetime in the base region. For MOSFETs (CD4007s), the threshold voltages of NMOS and PMOS shifted to the lower values, which was resulted from the accumulation of charge in $SiO_2$. The charges could be categorized into fixed oxide charge and interfacial trap charge. From experimental results, the amounts of the induced charges could be quantitatively estimated. These degradations of transistors brought about the decrease in the voltage gain of CE (Common Emitter) amplifier and the shifts in the inverting voltage of inverter. Additionally, PSpice simulations of these circuits were carried out by modeling of irradiated transistors. The comparison of simulation with experiment showed the relatively good agreement of simulation for the degradation of circuits after irradiation.
방사선 환경에서 동작하는 반도체 소자들은 방사선에 의한 그들의 전기적 특성 변화에 의해 일반 환경에서와 달리 오동작을 일으킬 수가 있다. 전자빔이 반도체 소자에 조사되면, Si격자에 손상이 가게 되고 $SiO_2$ 내에 전하가 축적되게 되어 트랜지스터의 전기적 특성의 나타내는 변수들에 심각한 변화를 가져오게 된다.
그러한 변수에는 BJT (Bipolar Junction Transistor)의 전류 이득 (current gain)과 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)의 문턱 전압 (threshold voltage) 등이 있다. 또한 이러한 트랜지스터 소자들의 특성 변화는 그들로 구성된 회로의 동작에 이상을 가져오게 된다. 본 논문은 에너지가 1MeV인 전자빔의 조사가 트랜지스터와 그 회로에 미치는 영향을 연구하기 위하여 수행된 일련의 실험과 시뮬레이션의 결과에 관한 내용이다. BJT의 경우 전자빔 조사 후 npn (2N3904) 과 pnp (2N3906) 모두 전류 이득이 감소하였으며 선량의 증가에 따라 전류 이득의 감소는 선형적으로 증가하였다. 이 결과로부터 손상 상수 K를 정의할 수 있었는데 2N3904와 2N3906에 대해서 각각 13.65와 22.52 MGy의 손상 상수를 얻을 수 있었다. 또한 npn이 pnp에 비해 전자빔 환경에서 더 취약함을 확인할 수 있었다. 이 전류 이득의 감소는 베이스 지역에서의 minority-carrier의 수명 감소에 의한 것이다. MOSFET (CD4007)은 전자빔 조사 후 NMOS, PMOS 모두 문턱 전압 값이 감소하였는데 이는 $SiO_2$ 내에서 축적되는 전하 때문이다. 이 전하는 고정 산화층 전하 (fixed oxide charge)와 계면 전하 (interfacial trap charge)의 두 가지로 나눌 수 있는데 실험 결과로부터 이 두 가지 모두에 대해 정량적으로 평가할 수 있었다. 이런 트랜지스터들의 특성 저하는 CE (Common Emitter) 증폭기의 전압 이득 (voltage gain)의 감소와 반전기 (inverter)의 반전 전압 (inverting voltage)에 변화를 불러 일으켰다. 추가적으로 방사선에 조사된 트랜지스터들을 모델링하여 그 회로들에 대한 PSpice 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션과 실험 결과를 비교해 보면 시뮬레이션이 방사선 조사 후 회로의 특성 저하에 대해서 과소평가하는 것으로 나타났다.
