2. 半导体辐照效应物理基础

在 Sentaurus 中做辐照仿真，第一步不是打开工具，而是把“入射粒子到底把能量交给了谁、交给了什么位置”这件事想清楚。半导体辐照效应的所有宏观表现——漏电流上升、阈值漂移、单粒子翻转、剂量率瞬态扰动——都可以追溯到两种最基本的能量沉积方式：位移损伤与电离损伤。本节先建立这两条能量通道的物理图像，再由此引出单粒子效应、总剂量效应和剂量率效应三类典型表征。

一、两条能量通道：位移损伤与电离损伤

入射粒子（中子、质子、重离子、γ 光子、电子）进入半导体后，能量主要沿两条路径耗散。

位移损伤（Displacement Damage, DD）：当入射粒子与晶格原子核发生弹性或非弹性碰撞，且传递给原子的反冲能量超过位移阈能 E_d 时，原子被撞离格点，形成弗仑克尔对（间隙原子 + 空位）。硅中 E_d 约为 15～21 eV，常用 21 eV 作为 Sentaurus 默认参考值。反冲原子若能量足够高，还会继续碰撞产生级联，最终形成缺陷团簇。这些缺陷在禁带中引入深能级，充当复合中心与俘获中心，直接改变载流子寿命和掺杂有效浓度。

电离损伤（Ionization Damage）：入射粒子通过库仑作用使原子电子激发或电离，产生电子-空穴对。硅中产生一对电子-空穴平均需 3.6 eV 能量。电离本身在体硅中是可恢复的，但在 SiO₂ 及 Si/SiO₂ 界面处会留下永久性后果：空穴在 SiO₂ 中迁移率极低，被氧空位俘获形成氧化层固定正电荷；同时界面处 Si-H 键断裂产生界面态。这两者正是总剂量效应的物理根源。

表征位移损伤常用非电离能量损失 NIEL（单位 MeV·cm²/g）和位移损伤剂量 DDD；表征电离损伤常用线性能量转移 LET（单位 MeV·cm²/mg）和电离剂量（单位 rad 或 Gy）。在 Sentaurus 中，NIEL 与 LET 是两类完全不同的输入量，不能混用。

二、单粒子效应：单个粒子引发的瞬态扰动

单粒子效应（SEE）是单个高能粒子穿过器件敏感区时，沿径迹瞬间电离出大量电子-空穴对，在电场作用下被收集而形成的瞬态电流脉冲。其强度由 LET 决定：LET 越大，单位路径沉积电荷越多。一个常用估算式是

Q_dep ≈ 10.36 × LET × d / cosθ   (pC)
其中 LET 单位 MeV·cm²/mg，d 为敏感区厚度(μm)，θ 为入射倾角

例如 LET = 40 MeV·cm²/mg、敏感区厚度 2 μm、垂直入射时，沉积电荷约 0.83 pC，即约 5.2×10⁶ 个电子-空穴对。若该电荷超过存储节点临界电荷 Q_crit，就会发生单粒子翻转（SEU）。在 Sentaurus 中，通常用 HeavyIon 物理模型，指定 LET、特征半径 w_t、时间 t_c 来构造径迹电荷密度，再通过混合模式电路仿真观察节点电压是否翻转。

SEE 的常见子类包括：SEU（存储位翻转）、SEL（寄生晶闸管导通导致大电流锁定）、SEB/SEGR（功率器件烧毁）、SET（组合逻辑瞬态脉冲）。判断依据是瞬态电流峰值、脉冲宽度与电路恢复时间的关系。

三、总剂量效应：长期累积的界面损伤

总剂量效应（TID）关注的是长时间累积电离剂量造成的参数漂移，典型量级从 10 krad(SiO₂) 到 1 Mrad(SiO₂)。其物理链条为：辐射在 SiO₂ 中产生电子-空穴对 → 电子快速逸出 → 空穴被氧空位俘获形成固定正电荷 → 界面处产生界面态。宏观表现为 NMOS 阈值电压负漂、PMOS 阈值电压正漂、关态漏电流上升、跨导下降。

在 Sentaurus 中，TID 通常不直接做粒子输运，而是通过等效电荷注入实现：在氧化层中设置固定电荷密度 N_ot（单位 cm⁻²）和界面态密度 D_it（单位 cm⁻²eV⁻¹），扫描不同剂量对应的取值，得到 I_d-V_g 曲线漂移量。例如某 2 nm 栅氧器件，剂量 100 krad(SiO₂) 时 N_ot 约 3×10¹¹ cm⁻²，对应阈值漂移约 0.1～0.2 V，可作为教学示例的合理假设值。

四、剂量率效应：高剂量率下的瞬态光电流

剂量率效应（DRE）与 TID 的区别在于时间尺度。TID 关心累积总量，DRE 关心单位时间内的电离速率，典型场景是核爆或脉冲辐射，剂量率可达 10⁸～10¹⁰ rad(Si)/s。此时器件体内瞬间产生大量非平衡载流子，形成瞬态光电流，导致电源轨塌陷、逻辑误触发甚至闭锁。

Sentaurus 中模拟 DRE 的关键是设置辐射源项：用 Radiation 或 OptGen 模型给出剂量率随时间的变化波形（如方波、指数衰减），并配合瞬态求解。判断依据是光电流峰值 I_pp 与电路负载能力之比，以及轨电压跌落是否超过逻辑阈值。

五、表征量与仿真输入的对应关系