Combined Effects of Transient Ionizing and Electromagnetic Pulse on Vertical NPN Bipolar Transistor

📄 arXiv: 2512.01573v1 📥 PDF

作者: Meiqing Zhong, Cui Meng, Yinong Liu, Lanfeng Yuan, Chicheng Liu, Bolun Feng, Maoxing Zhang

分类: physics.ins-det, eess.SY

发布日期: 2025-12-01

备注: 11 pages, 16 figures

💡 一句话要点

研究瞬态电离辐射和电磁脉冲联合作用对NPN双极型晶体管的影响

🎯 匹配领域: 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 瞬态电离辐射 电磁脉冲 NPN双极型晶体管 TCAD仿真 联合效应 抗辐射加固 脉冲X射线 光电流

📋 核心要点

  1. 现有技术在评估辐射环境对双极型晶体管的影响时，通常独立考虑电离辐射和电磁脉冲，忽略了二者的联合作用。
  2. 该研究通过实验和TCAD仿真，分析了集电极和基极注入正脉冲与X射线辐照联合作用下，NPN双极型晶体管的响应特性。
  3. 实验结果表明，集电极注入脉冲与X射线联合作用的影响大于线性叠加，而基极注入脉冲与X射线联合作用与单独基极注入脉冲的结果相似。

📝 摘要（中文）

本文通过脉冲X射线辐照实验，研究了瞬态电离辐射和电磁脉冲联合作用对垂直NPN双极型晶体管的影响。同时，采用工艺计算机辅助设计（TCAD）仿真方法，探索了其潜在的物理机制。结果表明，注入集电极的正脉冲（CEMP）与脉冲X射线辐照的联合效应超过了它们各自效应的线性叠加。相反，注入基极的正脉冲（BEMP）与脉冲X射线辐照的联合效应与单独作用下BEMP的结果非常吻合。机理分析表明，当CEMP和脉冲X射线辐照同时作用时，集电极结处的漂移光电流和集电极结附近的扩散光电流均显著增加。然而，当BEMP和脉冲X射线辐照同时作用时，这些光电流分量仍然很小，导致联合效应类似于单独作用下BEMP的结果。这些发现为严酷辐射环境中双极型电路的抗辐射加固设计提供了关键见解。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在研究瞬态电离辐射（如脉冲X射线）和电磁脉冲（EMP）联合作用下，垂直NPN双极型晶体管的性能变化。现有方法通常分别考虑这两种效应，忽略了它们之间的相互影响，这可能导致对器件在实际辐射环境下的性能评估不准确。

核心思路：论文的核心思路是通过实验和TCAD仿真相结合的方法，研究不同类型的电磁脉冲（分别注入集电极和基极）与脉冲X射线辐照联合作用下，NPN双极型晶体管的响应。通过对比联合作用与单独作用的结果，分析联合效应的物理机制。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个部分： 1. 实验：使用脉冲X射线源对NPN双极型晶体管进行辐照，同时分别在集电极和基极注入正脉冲（CEMP和BEMP）。 2. TCAD仿真：利用TCAD软件建立NPN双极型晶体管的模型，模拟在不同辐射和电磁脉冲条件下的器件响应。 3. 数据分析：对比实验和仿真结果，分析不同条件下器件的电流、电压等参数变化，揭示联合效应的物理机制。

关键创新：该研究的关键创新在于首次系统地研究了瞬态电离辐射和电磁脉冲联合作用对NPN双极型晶体管的影响。通过实验和仿真相结合的方法，揭示了CEMP和BEMP与X射线辐照联合作用的不同机制，为抗辐射加固设计提供了新的思路。与现有方法相比，该研究更贴近实际辐射环境，能够更准确地评估器件的性能。

关键设计：论文的关键设计包括： 1. 精确控制脉冲X射线的剂量率和脉冲宽度。 2. 设计合适的CEMP和BEMP的幅度和脉冲宽度。 3. 使用经过校准的TCAD模型，确保仿真结果的准确性。 4. 对比不同条件下的电流-电压特性曲线，分析器件的响应。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，集电极注入正脉冲（CEMP）与脉冲X射线辐照的联合效应超过了它们各自效应的线性叠加，表明存在非线性相互作用。相反，基极注入正脉冲（BEMP）与脉冲X射线辐照的联合效应与单独作用下BEMP的结果非常吻合。这些发现揭示了不同电磁脉冲类型与电离辐射联合作用的差异性，为抗辐射设计提供了更精细化的依据。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于航空航天、核工业等领域，为这些领域中使用的双极型电路的抗辐射加固设计提供指导。通过了解电离辐射和电磁脉冲的联合作用机制，可以更有效地设计抗辐射电路，提高电子设备在恶劣辐射环境下的可靠性和稳定性，从而保障相关系统的安全运行。

📄 摘要（原文）

Combined effects of transient ionizing and electromagnetic pulse on vertical NPN bipolar transistor were experimentally investigated under pulsed X-ray irradiation. Technology computer-aided design (TCAD) simulation method was also employed to explore the underlying physical mechanisms. The results demonstrate that the combined effect of a positive pulse injected into the collector (CEMP) and pulsed X-ray irradiation exceeds the linear superposition of their individual effects. Conversely, the combined effect of a positive pulse injected into the base (BEMP) and pulsed X-ray irradiation aligns closely with the results observed under BEMP acting alone. Mechanism analysis reveals that when CEMP and pulsed X-ray irradiation act simultaneously, there is a significant increase in both the drift photocurrent at the collector junction and the diffusion photocurrent near the collector junction. However, when BEMP and pulsed X-ray irradiation act simultaneously, these photocurrent components remain small, leading to a combined effect similar to the results observed when BEMP acts alone. These findings provide critical insights for the radiation-hardening design of bipolar circuits in harsh radiation environments.