Radiation effect on silicon transistors in mixed neutrons–gamma environment

Radiation effect on silicon transistors in mixed neutrons–gamma environment

Author's Accepted Manuscript Radiation effect on Silicon transistors in mixed neutrons-gamma environment J. Assaf, R. Shweikani, N. Ghazi www.elsevi...

511KB Sizes 1 Downloads 78 Views

Author's Accepted Manuscript

Radiation effect on Silicon transistors in mixed neutrons-gamma environment J. Assaf, R. Shweikani, N. Ghazi

www.elsevier.com/locate/rad-

PII: DOI: Reference:

S0969-806X(14)00233-3 http://dx.doi.org/10.1016/j.radphyschem.2014.05.050 RPC6496

To appear in:

Radiation Physics and Chemistry

physchem

Received date: 23 December 2013 Revised date: 8 May 2014 Accepted date: 25 May 2014 Cite this article as: J. Assaf, R. Shweikani, N. Ghazi, Radiation effect on Silicon transistors in mixed neutrons-gamma environment, Radiation Physics and Chemistry, http://dx.doi.org/10.1016/j.radphyschem.2014.05.050 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting galley proof before it is published in its final citable form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Radiation effect on Silicon transistors in mixed neutrons‐gamma environment  J. Assaf1, R. Shweikani and N. Ghazi Atomic Energy Commission of Syria, Damascus, P. O. Box 6091, Syria

Abstract  

The  effects  of  gamma  and  neutron  irradiation  on  two  different  types  of  transistors,  Junction  Field Effect Transistor (JFET) and Bipolar Junction Transistor (BJT), were investigated. Irradiation  was  performed  using  a  Syrian  research  reactor  (RR)  (Miniature  Neutron  Source  Reactor  (MNSR)) and a gamma source (Co‐60 cell). For RR irradiation, MCNP code was used to calculate  the absorbed dose received by the transistors.   The experimental results showed an overall decrease in the gain factors of the transistors after  irradiation, and the JFETs were more resistant to the effects of radiation than BJTs. The effect of  RR irradiation was also greater than that of gamma source for the same dose, which could be  because neutrons can cause more damage than gamma irradiation.   Keywords:   Absorbed Dose, Radiation Effect, BJT, JFET.  1. Introduction  Electronic  components  are  widely  used  in  control  and  measurement  of  military,  aerospace,  nuclear and high‐energy physics systems and could be exposed to nuclear radiation (Candelori,  2001; Colder et al., 2002; Schrimpf, 2004; Dalla Betta et al., 2007). Studies of radiation effects  on semiconductor devices are useful for industrial companies to produce devices that are more  resistant to radiation.  In general, the structure of electronic components consists of different junctions and contacts  of Si, SiO2 and metal. The most radiation‐sensitive areas of these components are the Si, SiO2  and  the  Si/SiO2  interface.  Radiation  creates  defects  in  these  areas  that  cause  damage  to  the  component functions, such as decreasing gain and increasing noise, etc.                                                               1

Fax.: +963 11 6112289

E‐mail address: [email protected] 

1

The amount of radiation delivered to the components and the effects of that radiation depend  on  the  radiation  energy,  types  of  radiation  and  the  structure  and  composition  of  the  devices  (Messenger, 1992)

 

In  general,  gamma  rays  and  neutrons  react  with  semiconductors  via  ionization  and  atomic  displacement  to  different  degrees  (Akkerman  et  al.,  2001;  Pien,  2010).  The  contribution  of  ionization is high for gamma rays, while the contribution of displacements is high for neutrons.  Moreover,  the  radiation  effects  depend  on  the  dose  that  is  absorbed  by  the  component  materials. For neutrons, the flux is measured directly, and the dose is then calculated, whereas,  for  a  gamma  source,  the  dose  is  directly  measured.  To  compare  the  effects  of  different  radiation types on component behavior, similar doses must be used. In this work, the radiation  effect of neutron irradiation in RR is compared with that resulting from a gamma source.   2.  Irradiation facilities and irradiated component materiel  The tested components were irradiated by gamma radiation from a gamma irradiation cell and  by neutrons from Syrian RR. The average radiation energy of the gamma source was 1.25 MeV.  The MNSR reactor is classified as a thermal neutron reactor. A thermal neutron flux achieved,  at  the  nominal  power  of  30  kW,  a  maximum  of  about  1×1012 neutrons/sec∙cm2.  In  addition,  neutrons with higher energy and associated fission gamma rays were also present. The neutron  beams produced by the reactor were thermal, resonance absorption, epithermal and fast.   The studied components were JFET and BJT discrete commercial transistors (N‐JFET (2N5434)  and  NPN‐BJT  (2N2222),  respectively)  with  metallic  and  Teflon  cover  cases  (packages),  respectively.  The  transistors  were  irradiated  to  different  gamma  source  dose  levels,  as  measured by a chemical dosimeter, or were irradiated inside one of the RR internal channels  for different irradiation times. The ranges of gamma doses and irradiation times are shown in  Table 1       

2

  Table 1  Measurement irradiation ranges and an example of transistors gain factors reduction ratio after  irradiation.  

Transistor  type 

Measurement irradiation ranges 

Gamma dose and irradiation time  producing a gain factors reduction of   65% 

Gamma source 

Reactor 

Gamma source 

Reactor 

JFET 

0.1‐10000 kGy 

5‐2000 sec 

10000 kGy 

1000 sec 

BJT 

0.1‐1  kGy 

5‐50 sec 

0.35 kGy 

10 sec 

3. Experimental results  The  resistance  to  radiation  of  the  irradiated  components  was  characterized  by  the  behavior  of  their gain factors, such as the transconductance (gm) for JFETs and current gain (hFE) for BJTs.   The  variations  of  gm  and  hFE  were  characterized  and  reported.  The  results  showed  that,  in  general,  the  gain  factors  decrease  with  increasing  dose/irradiation  time  for  both  types  of  transistors. This decrease is much lower in JFETs than in BJTs, i.e., hFE reduction is much higher  than  that  of  gm  for  the  same  dose/irradiation  time.  For  example,  the  dose/irradiation  time  required to produce a reduction of 65% for both gain factors was measured and is reported in  Table 1.   4. Dose calculation using MCNP code  The total absorbed dose, contribution of fission gammas and neutrons from irradiation inside  the  RR  is  proportional  to  the  exposure  time.  It  is  difficult  to  experimentally  measure  the  radiation dose inside the RR. Therefore, the dose must be calculated using adequate code. In  this study, the dose was calculated using the MCNP through the following steps:   

3

  •

Modeling of MNSR reactor. 



Testing the accuracy of the model and verifying the validity of the modeling. 



Modeling of the studied electronic components. 



Calculating the absorbed doses by the electronic items according to the established  models. 

4.1 Modelling of the reactor  The details of modeling the reactor were similar to those described by other work (Hainoun and  Alissa, 2005). The goal of this modeling is to better understand the full energy spectrum (energy  vs.  flux)  of  different  neutron  beams  and  fission  gamma  rays  to  calculate  the  doses.  The  calculated fission gamma energy ranges from 0.05 MeV up to 10 MeV.    4.2 Modelling the structure of the transistors   The  studied  electronic  components  were  modeled  according  to  the  axis  of  the  core.  The  geometric  design  was  set  to  resemble  the  real  shape  and  dimensions  of  the  transistors  as  closely  as  possible.  The  functional  parts  of  transistors  are  mainly  composed  of  Si,  SiO2  and  doping elements. Because the gamma and neutron interaction coefficients are similar for Si and  SiO2, the model can be simplified by considering only Si in the calculated model. The materials  that cover the bodies of the transistors have also been considered. Therefore, from a modelling  point of view, the calculated dose is then the dose absorbed by the Si shielded by stainless steel  or by Teflon. The two configurations are designated in the text as M‐Si and I‐Si corresponding to  metal and isolator packages, respectively.   4.3 The Basic of dose calculation  The dose rate was calculated using the following equation (Li et al., 2009):  ⎛ 1 dE ⎞ • =⎜ DCal ⎟ ×φ ⎝ ρ dx ⎠

(1)  

4

where  1/ ρ (dE / dx)   is  the  ratio  of  the  change  of  particles  energy  dE  to  path  length  dx  normalized to the density of matter  ρ, which is known as the stopping power. Finally,  ϕ  is the  radiation flux.   If the following units are used for the terms of equation (1) as  1/ ρ (dE / dx) in MeV∙cm2∙g‐1 and  • ϕ   in  cm‐2∙sec‐1,  then  the  unit  of  DCal   will  be  MeV∙g‐1∙sec‐1  and  the  calculated  dose  DCal   in 

MeV∙g‐1.  To calculate the absorbed radiation dose through MCNP, the amount of deposited energy in the  unit weight per second has been calculated within the cell representing the silicon core of the  electronic item estimated by MeV∙g‐1∙sec‐1. This value was multiplied in the next step by three  other values: the flux of specific neutron beam ϕ , the irradiation time, and conversion factor to  Gy which is equal to 1.602×10‐10 Gy.g.MeV‐1 (Li et al., 2009).  4.4 Results of the calculated doses   According to the spectra of neutrons and gamma fission, the doses received by the transistors  models were calculated using MCNP. These calculations include the different contributions of  neutron doses corresponding to different neutron beams and the total dose of fission gamma  rays. The calculation was performed for several irradiation times. Silicon film thicknesses of 10,  100  and  1000  μm  in  both  structures  were  also  considered.  The  results  showed  that  the  absorbed dose is independent of the Si volume at this scale. Because the Si thickness of the real  structure is close to 10 μm, the doses corresponding to this thickness value were chosen for all  • subsequent  analyses.  Table  2  illustrates  the  obtained  values  of  DCal .   for  both  modeled 

structures.  The  two  structures  receive  similar  gamma  doses,  while  the  dose  of  neutrons  25%  lower with the metallic shielding.           5

Table 2  • The values of the total calculated dose rate  DCal .  of fission gamma and neutrons resulted from 

reactor irradiation for both models considered.  ‐1 • DCal .  [Gy.sec ] 

Structure  model 

Total fission gamma 

Total neutrons 

Total fission gamma plus  neutrons 

M‐Si 

19.30 

0.325

19.625 

I‐Si 

20.40 

0.424

20.824 

4.4.1 Details of the dose contributions  As Table 2 shows, the fission gamma contribution was much higher than that of the neutrons in  both structures. The ratios of these contributions are shown in Table 3, where the neutrons and  gamma rays constitute approximately 2% and 98% of the total, respectively.  Table 3:   Neutrons and fission gamma contributions for the model structures of M‐Si and I‐Si.  Contributions ratio%

Structure  model 

neutron/Gamma

neutrons/total

M‐Si 

1.69%

1.66% 

I‐Si 

2.08%

2.04% 

     The total neutrons and fission gamma doses versus irradiation time are shown in Fig.1 A similar  • result was obtained for the Si‐M model. The details of  DCal . values and its percentage of total 

neutrons for different beams are shown in Table 4.  

6

Table 4  • The details of the  DCal . values and the percentage of total neutrons for different beams. • DCal .  [Gy/sec] 

Structure  model 

Thermal 

Epithermal

Resonance

Fast 

Total

3.29 ×10−4  

2.58 ×10−4  

8.46 × 10−2  

2.4 ×10−1  

3.25 ×10−1  

(0.101%) 

(0.079%.) 

(26.01%) 

(73.80%) 

(100%) 

3.44 ×10−4  

1.79 ×10−4  

1.03 ×10−1  

3.21×10−1  

4.24 ×10−1  

(0.081%) 

(0.0424%) 

(24.26%) 

(75.61%) 

(100%) 

M‐Si 

I‐Si 

The  results  presented  in  Tables  2,  3  and  4  indicate  that  the  package  material  has  a  relatively  small effect on the dose absorbed by Si, and the dose can be considered to be similar in the two  models. Therefore, the effect of radiation on transistors depends mainly on their real structures  and functions.   5. Gamma and neutrons effects in dose scale    After calculating the dose rate of the neutron beams of RR in Gy/sec, the experimental values  of gm and hFE reported in section 3 were calculated as a function of the dose in Gy instead of the  irradiation time. These results are shown in Fig.2 and Fig. 3 for JFET and BJT, respectively.  The  effects of irradiation by the gamma source are also illustrated in these figures. The curves show  that gm and hFE begin to decrease for the doses where the effect of the "Gamma source" (only  gamma)  is  an  almost  negligible.  Therefore,  the  decrease  in  gm  and  hFE  in  the  "Reactor"  curve  (neutrons  plus  fission  gamma)  were  attributed  to  neutrons;  even  they  have  small  dose  compared with that of fission gamma. Fig.2 and Fig. 3 also confirm the higher radiation effect  on BJT relative to JFET; additionally, the neutron effect was higher than the gamma effect, even  though the neutron dose contributions were small (approximately 2%).   It is useful to examine the ratio between the dose resulting from irradiation by reactor DR and  that  resulting  from  gamma  source  DS,  which gives  the  same  degradation.  Table  5  presents 

7

details about the experimental example presented in the Table 1 for calculation this ratio (DR /  DS) for JFET and BJT.  Table 5  Comparison  between  gamma  source  dose  and  calculated  doses  resulting  from  reactor  irradiation, which give the same effect on the gain factors.   Doses producing a gain factor reduction of 65%  Transistor 

gamma 

type 

source 

Reactor  DR/DS 

(DS) 

Irradiation  time 

neutron  dose 

fission  gamma  dose 

JFET 

10000 kGy 

1000 sec 

325.19 Gy 

19300 Gy 

BJT 

0.35 kGy 

10 sec 

4.25 Gy 

204 Gy 

Total dose  (DR)  19625.19 Gy  1.965 ×10−3 208.25 Gy 

5.95 ×10−1  

  In the above discussion, the effect of gamma source and fission gamma on silicon is considered  to  be  the  same  because  there  is  an  insignificant  difference  in  the  mass  energy  absorption  coefficient  μ for both types of gamma rays in silicon. In fact, the average value of  μ of fission  gamma  equals  to  3.15 ×10−2   cm2/g,  while  for  gamma  source  it  equals  to  2.652 ×10−2   cm2/g  (Hubbell, and Seltzer, 2004).    6. Conclusion  The irradiation of JFET and BJT transistors by gamma and neutrons shows a degradation in the  gain factors. This degradation was higher in BJT than in JFET.   In cases of mixed gamma –neutrons fields, such as the irradiation inside a fission reactor, the  dose  was  estimated  using  MCNP  code  but  was  measured experimentally  only  for  the  gamma  source. The dose calculation was achieved by modeling the reactor and silicon structures and  two  shielding  materials  (metallic  and  isolator),  which  represent  simplified  transistor  models. 

8

The  output  of  MCNP  provided  the  values  of  dose  rate.  Therefore,  the  doses  for  different  irradiation times for neutron beams and associated fission gamma have been obtained.   Calculated result shows that the two structures receive an almost similar fission gamma dose,  while the neutrons dose was less by 25% in the metallic shield. In both structure, the neutrons  and  gamma  contribution  were  approximately  2%  and  98%,  respectively.  The  highest  neutron  contributions  come  mainly  from  the  fast  and  resonance  absorption  neutrons.  Comparison  between radiation effect by only gamma source and that by reactor shows that the decrease in  gain factors is attributed mainly to neutrons even though neutrons deliver a smaller dose than  the gamma source does. The ratios between the neutron dose and the gamma dose that give  the same decrease in gain factors were found to be  1.963 ×10−3  and  5.950 ×10−1  for JFET and  BJT structure, respectively.  Acknowledgements  The authors would like to express their thanks to the Director General of AECS Prof. I. Othman for his  continuous encouragement and support. 

References  Akkerman A. et al.,2001,  Update NIEL calculation for estimating the damage induced by  particles and g‐rays in Si and GaAs,  Radiation Physics and Chemistry 62, 301‐310 .  Candelori A.,2001,  Low and high energy proton irradiations of standard and Oxygenated Silicon 

diodes, IEEE Transactions on Nuclear Science Vol. 48, No. 6, 2270 ‐2277  .  Colder A. et al.2002, Effects of ionizing radiation on BiCMOS components for space applications,    Proceedings of the European Space Components Conference, ESCCON 2002, Toulouse,  France 377‐382.  Dalla Betta G. F.  et al.2077, Radiation damage studies of detector‐compatible Si‐JFETs, Nucl. Instr. Meth. A 572, 287-289.  Li Xingji et al.,2009, Radiation effects on BJTs and ICs produced by different energy Br ions,  Nucl. Instr. And Meth in Nucl.Physc Resea. A612,171‐175. 

9

Hainoun A., and Alissa S., 2005, Full‐scale modeling of the MNSR reactor to simulate normal  operation, transients and reactivity insertion accidents under natural circulation conditions  using the thermal hydraulic code ATHLET, Nuclear Engineering and Design  235, 33‐52.  Hubbell J. H., and Seltzer S. M., 2004,  Tables of X‐Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass  Energy‐ Absorption Coefficients (version 1.4), National Institute of Standards and  Technology, Gaithersburg, MD, 2004.  Messenger G. C.,1992,   A summery review of displacement damage from high energy radiation 

in Silicon Semiconductors and Semiconductors devices, IEEE Transactions on Nuclear  Science Vol. 39, No.3, 468‐473 .  Pien F., et al.,2010, Effect of total ionizing dose on Bipolar junction transistor, American Journal  of Applied Sciences Vol. 7, No. 6, 807  ‐810 .  Schrimpf R. 2004, Gain degradation and enhanced low dose rate sensitivity in BJT transistors,  International Journal of High Speed Electronics and Systems Vol. 14, 503‐517.                Item

Comment' reviewer

Authors reply

1

A change in the last line of the Abstract . A correction in the introduction. A correction in the page 5, lines 4445.

It is now changed as the reviewer suggested

2 3

It is now corrected as the reviewer suggested It is now corrected. Instead of " a little " , it becomes now " much higher", as it is shown on the table 2.

10

      Figure Captions  Figure  1:  The    total  calculated  doses  of    gamma  and  neutrons  e  as  function  of  irradiation  time  inside  reactor for the structure.   Figure 2: Variation  of the gm versus irradiation dose. The dose is experimentally measured  for 

gamma source in kGy, and calculated as equivalent dose for irradiation inside the reactor  during the range from 0 to 2000 sec.  Figure  3:  Variation    of  the  hFE  versus  irradiation  dose.  The  dose  is  experimentally  measured  directly in kGy for the gamma source, and calculated as equivalent dose for irradiation inside  the reactor during the range from  0 to 50 sec.               

 

11

1.E+05

fission gamma neutrons

Calculated dose (Gy)

1.E+04

1.E+03

1.E+02

1.E+01

1.E+00 1

10

100

1000

Irradiation time (sec) ‐b‐  Figure 1 

JFET

gm (mA/V)

100

10 Gamma source Reactor

1 0.001

0.01

0.1

1

10

Dose [kGy]

  12

100

1000

10000

Figure 2 

  BJT

1000

100

hFE

10 Gamma source 1

0.1 0.01

Reactor

0.1

1

10

Dose [kGy]

  Figure 3   

             

13

 

Highlights  • • • • •

We measure the gain degradation after irradiation of BJT and JFET transistors.  We model  the reactor and  transistors in order to calculate irradiation dose.  The gain degradation was higher in BJT than in JFET. 

Neutrons and gamma dose contributions of reactor were 2% and 98%, respectively.   The  highest  neutron  contribution  comes  from  the  fast  and  resonance  absorption  neutrons 

 

   

14