一种异质结双极晶体管非电离能量损失的计算方法

摘要

本发明公开了一种异质结双极晶体管非电离能量损失的计算方法，涉及环境工程技术领域，利用SRIM软件来模拟空间辐射粒子入射InP/InGaAs HBT器件过程，精确计算器件中非电离能量损失与入射粒子能量的关系，来预测空间辐照环境中器件性能退化情况，而且只需要很少的试验就可以确定出该特征曲线，节约了试验经费和成本。

权利要求

1.一种异质结双极晶体管非电离能量损失的计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：利用SRIM软件模拟InP/InGaAs HBT器件在空间辐射环境下粒子入射器件的过程，并利用仿真结果计算器件中的非电离能量损失与入射粒子能量的关系；

非电离能量损失包括产生空位所消耗的能量以及产生声子所消耗的能量，产生一个空位所需的能量M1见公式(1)：式(1)中，Td是指被辐照器件中原子位移阈能；

产生一个声子所需要的能量M2见公式(2)：

式(2)中，h是普朗克常数，c是光速，λ是拉曼光谱长度，A是系数；

利用仿真结果计算非电离能量损失NIEL与入射深度D的关系曲线，见公式(3)：式(3)中，IONV(D)和RECV(D)分别是指一个入射原子以及一个反冲原子单位距离内产生的空位数目，IONP(D)和RECP(D)分别是指一个入射原子以及一个反冲原子单位距离内产生的声子数目，ρ为材料的原子密度；

求解入射粒子能量E随入射深度D的变化关系曲线，见公式(4)-(7)：F(D)＝10000{M1[IONV(D)+RECV(D)]+M2[IONP(D)+RECP(D)]}+10[IONI(D)+RECI(D)]                                             (4)式(4)中，F(D)是指单位长度上产生空位、声子以及使得原子电离所需要的能量，IONI(D)和RECI(D)分别表示一个入射原子以及一个反冲原子单位距离内的电离能量损失；

Ec(D)＝B×F(D)   (5)

式(5)中，Ec(D)是指在长度间隔B上累积消耗的原子能量；

式(6)中，Et(D)是指在入射粒子到达某一深度时，需要消耗的总能量；

E(D)＝E0-Et(D)   (7)

式(7)中，E0为入射粒子的初始能量，E(D)是指粒子在入射路径上所具有的能量；

结合式(3)中得到的非电离能量损失NIEL与入射深度D的关系曲线，以及式(7)中得到的入射粒子能量E与入射深度D的变化关系曲线，最终得出非电离能量损失NIEL与入射粒子能量E的关系曲线。

说明书

一种异质结双极晶体管非电离能量损失的计算方法

技术领域

[0001] 本发明涉及环境工程技术领域，特别是涉及一种异质结双极晶体管非电离能量损失的计算方法。

背景技术

[0002] 磷化铟异质结双极晶体管InP HBT具有超高的频率特性，较大的功率密度和良好的线性度等优点。在通信系统中，射频前端电路起着对无线信号和数字信号相互转换的作用，从而构成收发系统，包括低噪放大器，功率放大器，压控振荡器、混频器等电路，而在这些电路的实现上，InP基器件和电路具有其他器件所不具备的优势。因此，InP基器件和电路未来必将广泛地应用于卫星，雷达等军事领域。

[0003] 广泛应用于航天航空领域的InP器件和电路，在严重的空间辐射环境下会被高能质子、中子、α粒子、重离子等粒子轰击，产生各种辐射效应，比如说，总剂量效应、位移效应和单粒子效应，这些辐照效应使得器件或电路性能发生瞬时或永久的改变，进而使得整个航天器电学系统发生功能失效。因此，在器件损伤之前，我们需要对器件特性有一定的预估能力。

[0004] 非电离能量损失(NIEL)是描述空间辐射粒子入射器件后，器件位移损伤情况。对NIEL的研究可以让人们对辐照损伤过程有更深入的认识，也可以用其来预期器件或者电路在辐射环境中的性能，因此得到更为广泛的应用。

[0005] 然而，仅考虑位移损伤对NIEL的贡献是具有局限性的。通过研究发现，非电离能量损失NIEL不仅使得原子发生位移，也产生了大量声子，即晶格振动，其会促进原子发生位移，使得NIEL增大。我们知道，器件损伤因子与NIEL之间存在线性关系，可以通过NIEL值来预测器件性能。因此，求解准确的NIEL值是至关重要的。

发明内容

[0006] 本发明实施例提供了一种异质结双极晶体管非电离能量损失的计算方法，可以解决现有技术中存在的问题。

[0007] 一种异质结双极晶体管非电离能量损失的计算方法，该方法包括以下步骤：

[0008] 利用SRIM软件模拟InP/InGaAs HBT器件在空间辐射环境下粒子入射器件的过程，并利用仿真结果计算器件中的非电离能量损失与入射粒子能量的关系；

[0009] 非电离能量损失包括产生空位所消耗的能量以及产生声子所消耗的能量，产生一个空位所需的能量M1见公式(1)：

[0010]

[0011] 式(1)中，Td是指被辐照器件中原子位移阈能；

[0012] 产生一个声子所需要的能量M2见公式(2)：

[0013]

[0014] 式(2)中，h是普朗克常数，c是光速，λ是拉曼光谱长度，A是系数；

[0015] 利用仿真结果计算非电离能量损失NIEL与入射深度D的关系曲线，见公式(3)：

[0016]

[0017] 式(3)中，IONV(D)和RECV(D)分别是指一个入射原子以及一个反冲原子单位距离内产生的空位数目，IONP(D)和RECP(D)分别是指一个入射原子以及一个反冲原子单位距离内产生的声子数目，ρ为材料的原子密度；

[0018] 求解入射粒子能量E随入射深度D的变化关系曲线，见公式(4)-(7)：

[0019] F(D)＝10000{M1[IONV(D)+RECV(D)]+M2[IONP(D)+RECP(D)]}+10[IONI(D)+RECI(D)]

[0020] (4)[0021] 式(4)中，F(D)是指单位长度上产生空位、声子以及使得原子电离所需要的能量，IONI(D)和RECI(D)分别表示一个入射原子以及一个反冲原子单位距离内的电离能量损失；

[0022] Ec(D)＝B×F(D)   (5)

[0023] 式(5)中，Ec(D)是指在长度间隔B上累积消耗的原子能量；

[0024]

[0025] 式(6)中，Et(D)是指在入射粒子到达某一深度时，需要消耗的总能量；

[0026] E(D)＝E0-Et(D)   (7)

[0027] 式(7)中，E0为入射粒子的初始能量，E(D)是指粒子在入射路径上所具有的能量；

[0028] 结合式(3)中得到的非电离能量损失NIEL与入射深度D的关系曲线，以及式(7)中得到的入射粒子能量E与入射深度D的变化关系曲线，最终得出非电离能量损失NIEL与入射粒子能量E的关系曲线。

[0029] 本发明利用SRIM软件来模拟空间辐射粒子入射InP/InGaAs HBT器件过程，精确计算器件中非电离能量损失与入射粒子能量的关系，来预测空间辐照环境中器件性能退化情况，而且只需要很少的试验就可以确定出该特征曲线，节约了试验经费和成本。

附图说明

[0030] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0031] 图1是SRIM仿真结果：(a)入射质子引入的电离、声子和空位产生率与入射深度D的关系图，(b)反冲原子引入的电离、声子和空位产生率与入射深度D的关系图；

[0032] 图2是非电离能量损失NIEL与入射深度D关系图；

[0033] 图3是单位间隔内累计消耗能量Ec与入射深度D关系图；

[0034] 图4是总累计消耗能量Et与入射深度D关系图；

[0035] 图5是入射质子能量E与入射深度D关系图；

[0036] 图6是非电离能量损失NIEL与入射质子能量E关系图；

[0037] 图7是考虑与不考虑声子影响的NIEL与入射质子能量E关系图；

[0038] 图8是对比不同粒子入射的NIEL与入射粒子能量E关系图。

具体实施方式

[0039] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0040] 本发明实施例中提供的一种异质结双极晶体管非电离能量损失的计算方法，该方法包括以下步骤：

[0041] 第一步骤，利用SRIM软件模拟InP/InGaAs HBT器件在空间辐射环境下粒子入射器件的过程，并利用仿真结果计算器件中的非电离能量损失与入射粒子能量的关系；

[0042] 第二步骤，非电离能量损失主要包括产生空位所消耗的能量以及产生声子所消耗的能量。产生一个空位所需的能量M1见公式(1)：

[0043]

[0044] 式(1)中，M1的单位为keV/vacancy，Td是指被辐照器件中原子位移阈能，单位为eV；

[0045] 产生一个声子所需要的能量M2见公式(2)：

[0046]

[0047] 式(2)中，M2的单位为keV/phonon，h是普朗克常数，c是光速，λ是拉曼光谱长度，A是系数；

[0048] 第三步骤，利用仿真结果计算非电离能量损失NIEL与入射深度D的关系曲线，见公式(3)：

[0049]

[0050] 式(3)中，NIEL的单位为MeV·cm2/g，IONV(D)和RECV(D)分别是指一个入射原子以及一个反冲原子单位距离内产生的空位数目，IONP(D)和RECP(D)分别是指一个入射原子以及一个反冲原子单位距离内产生的声子数目，以上均为SRIM仿真结果；ρ为材料的原子密度；

[0051] 第四步骤，求解入射粒子能量E随入射深度D的变化关系曲线，见公式(4)-(7)：

[0052] F(D)＝10000{M1[IONV(D)+RECV(D)]+M2[IONP(D)+RECP(D)]}+10[IONI(D)+RECI(D)]

[0053] (4)[0054] 式(4)中，F(D)是指单位长度上产生空位、声子以及使得原子电离所需要的能量，单位为keV/μm，IONI(D)和RECI(D)分别表示一个入射原子以及一个反冲原子单位距离内的电离能量损失；

[0055] Ec(D)＝B×F(D)   (5)

[0056] 式(5)中，Ec(D)是指在长度间隔B上累积消耗的原子能量，其中，B的单位为μm；

[0057]

[0058] 式(6)中，Et(D)是指在入射粒子到达某一深度时，需要消耗的总能量；

[0059] E(D)＝E0-Et(D)   (7)

[0060] 式(7)中，E0为入射粒子的初始能量，E(D)是指粒子在入射路径上所具有的能量；

[0061] 第五步骤，结合式(3)中得到的非电离能量损失NIEL与入射深度D的关系曲线，以及式(7)中得到的入射粒子能量E与入射深度D的变化关系曲线，最终可以得出非电离能量损失NIEL与入射粒子能量E的关系曲线。器件的损伤系数与NIEL成线性关系，因此，可以通过求解NIEL来预测器件的性能。

[0062] 下面结合一个具体实例对本发明作进一步说明。

[0063] 1.以质子为例，设置初始能量E0＝10MeV，利用SRIM软件模拟InP/InGaAs HBT器件在空间辐射环境下质子入射器件的过程，得到入射质子引入的电离、声子和空位产生率与入射深度的关系，如图1(a)所示，以及反冲原子引入的电离、声子和空位产生率与入射深度的关系，如图1(b)所示；

[0064] 2.结合仿真结果计算器件中的非电离能量损失与入射深度关系；

[0065] 1)首先由公式(1)和公式(2)可得产生一个空位所需要的能量以及产生一个声子所需要的能量；

[0066] 2)结合仿真结果以及公式(3)，可以得到器件中的非电离能量损失与入射深度关系，如图2所示。发现入射深度越深，非电离能量损失值越大。也就是说粒子入射停止的位置，将是损伤最大的区域。

[0067] 3.求解入射粒子能量E与入射深度D的变化关系曲线；

[0068] 1)求解单位长度上产生空位、声子以及使得原子电离所需要的能量F(D)，单位为keV/μm，见公式(4)；

[0069] 2)已知F(D)，求在长度间隔B上累积消耗的原子能量Ec(D)，B的单位为μm，见公式(5)，如图3所示；

[0070] 3)在入射质子到达某一深度时，需要消耗的总能量Et(D)，见公式(6)，如图4所示；

[0071] 4)入射质子到达某一深度时，所具有的能量E(D)，见公式(7)，如图5所示，发现，随着入射深度的不断增加，质子能量逐渐降低，直至为零，最后停止在器件内部；

[0072] 4.结合前面得到的非电离能量损失NIEL与入射深度D的关系曲线，以及入射粒子能量E与入射深度D的关系，最终可以得出非电离能量损失NIEL与入射质子能量E的关系曲线，如图6所示，发现，质子能量越低，对器件造成的损伤越大，主要是由于低能量的质子入射进入器件中，速度较慢，与器件相互作用时间较长，作用面积大，淀积的能量更多，因此，产生的损伤大。同时给出了解析法计算NIEL的结果，对比可以看出，本专利所讲述的利用SRIM软件仿真考虑声子作用的NIEL计算方法是正确的。器件的损伤系数与NIEL成线性关系，因此，可以通过求解NIEL来预测器件的性能；

[0073] 5.基于以上方法，对比考虑与不考虑声子作用的NIEL与入射质子能量关系曲线，如图7所示。发现考虑声子的NIEL值均增大了，说明声子促进原子发生位移，使得非电离能量损伤值增大；

[0074] 6.以上方法对于其他空间辐射粒子，如碳、氦等粒子均适用，如图8所示，发现原子质量越大，非电离能量损失NIEL越大。主要是由于原子质量越大，就会与靶材原子产生更大的碰撞，淀积更多的能量，因此，造成更大的损伤。

[0075] 本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

[0076] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0077] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

[0078] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0079] 尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

[0080] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。