導語：輻射環境下的半導體失效問題在航天、核能、影像醫療、高海拔戶外設備等領域尤為突出。NASA統計顯示，衛星電子系統故障中約40%與輻射效應相關。本文將淺析輻射導致半導體失效的物理機制，并提供防范方法。

一、輻射的來源和影響

1.1  輻射的來源

一般電子產品遇到的輻射失效問題來自于天然輻射，包括由太陽和宇宙的影響造成的因素造成。星系宇宙射線（GCR）含有高能粒子，如來自于太空的α粒子、重離子和質子，而太陽主要發射電子、質子和重離子。中子的體積非常小，能夠輕易穿過大氣層，甚至能穿透整個地球，而且由于其不帶電荷，能逃過地球的輻射帶陷阱，因此到達地面和半導體產生作用的高能粒子以中子為主。

不同的環境對輻射的產生影響也是不同的，輻射通量隨著海拔高度的上升成指數增加，在海拔330km時，是太空電子應用的所在地，海拔50km是軍用飛機所能達到的高度，這里中子和其他粒子的強度都比較高，隨著高度繼續降低，輻射的通量隨著降低，是商業飛機的應用高度。

圖1 某外資電力企業6.5kV IGBT模塊5SNA0600G650100T =25℃時的宇宙射線失效率

地球上的中子來源分為天然來源和人造來源。天然來源是來自宇宙射線與大氣中的氧和氮的相互作用，中子是太陽耀斑的副產品。人造來源包括核武器、核反應堆、醫療設備等。

1.2  宇宙射線的影響

一個高能的初級宇宙射線粒子通常不直接到達地球表面，而是和大氣層中的粒子碰撞，產生各種各樣的二級高能粒子。這些高能粒子就是導致器件輻射失效的”隱形殺手“。一小部分高能粒子穿過半導體器件和硅原子核發生碰撞，產生背散射離子，這些離子會再次產生一個局部電荷濃度很高的等離子體。在阻斷模式下的半導體器件空間電荷區中，這些載流子分離產生電流脈沖。如果電場超過一定的閾值（這取決于初級等離子體的產生），碰撞電離產生的載流子就會高于因擴散機制流出等離子體區的載流子。這種放電以所謂“流光”（streamer）的方式高速穿過器件，類似于氣體放電。在數百皮秒內，器件局部被自由載流子淹沒。這樣就產生了一個局部電流通道。最終，這個半導體器件就被非常高密度的局部電流破壞了。

圖2　直徑小于50μm 的4. 5kV 二極管經過宇宙射線破壞后的失效圖片，照片從陰極側拍攝

左側： 小針孔； 右側： 金屬泡中的熔化區

上圖2就是宇宙射線引起的器件失效。在失效器件的一個非常狹窄區域出現了一個針眼大小的從陰極到陽極的熔化通孔。左側，能看到一個針孔。右側能夠看到金屬氣泡，并且在金屬下面隱藏了一個針孔。

二、輻射敏感半導體器件的分類與特性

半導體器件對輻射的敏感性主要由其結構特性和材料特性決定。根據失效機理的不同，主要可分為以下幾類：

2.1 半導體有源器件

這類器件是輻射失效的“重災區”，核心是晶體管（含分立器件和集成電路中的單元），具體類型及敏感原因如下：

MOS器件

MOS器件（金屬- 氧化物 - 半導體）對總電離劑量效應（TID）最為敏感，特別是柵氧化層厚度小于10nm的現代CMOS器件。輻射產生的電子-空穴對在SiO?中遷移時，空穴被陷阱捕獲形成固定正電荷，導致閾值電壓（Vth）漂移（N 溝道 MOS 閾值升高，P 溝道降低），漏電流增大；極端情況下柵氧化層擊穿，器件永久損壞。

雙極型晶體管

雙極晶體管（BJT）對位移損傷(DD)和（尤其是）總電離效應（TID）都敏感。基區、集電區的耗盡層會因輻射積累電離電荷，導致電流增益（β）下降、反向漏電流增大，最終器件無法放大信號或完全截止。

雙化合物半導體器件

化合物半導體器件（如GaAs、GaN）通常用于高頻、大功率場景（如雷達、衛星通信），對位移損傷（DD） 敏感。輻射粒子（如質子、重離子）會破壞Ga-As 晶格，產生空位、間隙原子等缺陷，導致載流子遷移率下降、飽和電流降低，器件功率密度和效率衰減。

2.2  光電器件

光電器件依賴“光電轉換” 或 “電光轉換”，輻射會直接干擾電荷生成與傳輸，主要包括：

光電二極管/ 光電探測器

輻射產生的“暗電流” 顯著增加（晶格缺陷導致載流子非輻射復合減少，漏電流增大），導致探測靈敏度下降、信噪比惡化，甚至出現 “死區”（完全無法響應光信號）。

電荷耦合器件（CCD）/ CMOS圖像傳感器（CIS）

輻射會在像素單元中產生“陷阱電荷”，導致圖像出現壞點、亮線（電荷無法正常轉移），或整體噪聲升高（暗電流疊加）；高劑量下像素單元永久失效，圖像出現“黑洞”。

發光二極管（LED）/ 激光二極管（LD）

位移損傷會破壞發光層的量子阱結構，導致非輻射復合中心增加，發光效率（光通量/ 電流）下降、波長漂移，極端情況下完全停止發光。

2.3  存儲器器件

存儲器對單粒子效應（SEE）極為敏感。因需長期穩定存儲電荷或邏輯狀態，輻射對其“數據完整性” 影響最直接，也是用戶重點關注的類型（將另文單獨詳述），主要包括 SRAM、DRAM、Flash 等。

三、輻射失效的物理機制與表征

輻射的失效效應由輻射類型決定，核心可分為三類：總電離劑量效應（TID）、位移損傷效應（DD）、單粒子效應（SEE），三者作用機制不同，影響也存在差異。其特性對比如下：

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四、 輻射失效的防范措施

防范需圍繞“減少輻射作用”“增強器件抗輻射能力”“降低失效影響” 三個核心目標，從材料、器件設計、電路、系統四個層面展開：

4.1  材料與工藝層面

采用抗輻射材料

- 半導體襯底：使用絕緣體上硅（SOI）工藝，減少體硅中的載流子產生（SEU 敏感區縮小），同時隔絕襯底漏電（TID 影響降低），是宇航級器件的主流選擇；

- 氧化層：MOS 柵氧化層采用高純度SiO?或氮氧化硅（SiON），減少陷阱電荷密度，降低TID 導致的閾值電壓漂移；

- 屏蔽材料：器件封裝內添加薄鉛/ 鋁層，阻擋低能粒子（如β 射線、低能質子），減少外部輻射入射。

優化制造工藝

- 減少器件尺寸偏差（如Flash 浮柵厚度均勻性），避免局部電場集中（降低 SEB 風險）；

- 對半導體晶格進行“退火處理”，提前消除部分缺陷，降低位移損傷的疊加效應。

4.2  器件設計層面

存儲單元加固

- SRAM：采用三晶體管（3T）或四晶體管（4T）單元（替代傳統6T 單元），增加雙穩態的穩定性，提升 SEU 閾值；

- DRAM：增大存儲電容容量（如從 25fF 增至 50fF），延長電荷保持時間，降低 TID 導致的刷新頻率依賴；

- Flash：增厚浮柵周圍的氧化層（如隧道氧化層從 5nm 增至 8nm），減少輻射電荷隧穿。

晶體管結構優化

- MOSFET：采用 “環形柵” 或 “雙柵” 結構，分散柵氧化層的電荷積累，避免局部擊穿；

- BJT：在基區添加 “場限環”，抑制輻射導致的漏電流擴展，維持電流增益穩定。

4.3  電路應用層面

- 糾錯碼（ECC）：SRAM/NAND Flash 中集成 ECC 電路，可檢測并糾正 1-2 比特錯誤（如漢明碼、BCH 碼），避免 SEU 導致的數據錯誤；

- 刷新優化：DRAM 中增加 “動態刷新頻率” 模塊，根據輻射劑量（通過傳感器監測）自動提高刷新頻率，補償電容漏電；

- 單粒子鎖定（SEL）防護：CMOS 電路中串聯 “電流限制器” 或 “快速熔斷管”，當 SEL 發生時（電流驟增）迅速切斷電源，避免器件燒毀。

4.4 系統與選型層面

器件選型

根據輻射環境選擇對應等級的器件，常見等級如下：

系統冗余設計

- 數據冗余：關鍵數據多副本存儲（如3 份副本，多數表決），避免單副本 SEU 失效；

- 電路冗余：采用“三模冗余（TMR）”，三個相同電路并行工作，輸出多數結果，抵消單個電路的 SEE 錯誤；

- 屏蔽設計：系統外殼采用多層屏蔽結構（如內層鉛+ 外層鋁），阻擋高能粒子（如 γ 射線、重離子），降低內部器件的輻射劑量；例如宇航設備的屏蔽層可將輻射劑量降低 1-2 個數量級。

總結：輻射對電子元器件的失效影響，以半導體器件（尤其是存儲器、晶體管） 最為顯著，核心機理是“電離電荷積累”“晶格缺陷” 和 “單粒子瞬時電流”；存儲器的失效以 “數據翻轉 / 丟失” 為主（SRAM 的 SEU、DRAM 的 TID+SEU、Flash 的 TID + 位移損傷）。防范需從 “材料 - 器件 - 電路 - 系統” 全鏈條入手，結合應用場景的輻射強度，選擇抗輻射加固器件并搭配主動防護策略，才能最大程度降低失效風險。