UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID

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Efectos de la radiación sobre componentes electrónicos básicos
3.8.3 Efectos de la radiación ionizante en transistores MOSFET. Variación de la
tensión umbral.
La radiación ionizante es muy dañina para los transistores MOSFET. La causa es la
acumulación de cargas positivas en la puerta del transistor. Ya se describió en el capítulo anterior
lo que ocurría a un óxido que es sometido a radiación ionizante (Ap. 2.4). En primer lugar, se
genera una gran cantidad de pares electrón-hueco y los electrones son eliminados rápidamente.
Los huecos tienden a desplazarse hacia zonas con potencial electrostático menor y algunos de
ellos quedan atrapados en los defectos del óxido cristalino. Al mismo tiempo, algunos huecos
arrebatan un electrón a los átomos de hidrógeno atrapado en la red cristalina y el protón
resultante inicia una migración mucho más lenta hacia las mismas zonas que los huecos. Si
llegan a la superficie óxido-semiconductor, se genera una gran cantidad de estados superficiales
que pueden atrapar electrones.
En el caso de que un transistor NMOS, las cargas positivas atrapadas en el óxido crean un
campo eléctrico desde la puerta hacia el canal que se superpone al que produce la tensión de
puerta. Es un fenómeno semejante al que se describió en los condensadores discretos. Fijémonos
además que en la definición de tensión umbral (3.51) existe una dependencia de la carga
atrapada en el óxido. En cualquier caso, el efecto inmediato es que la tensión umbral de un
transistor NMOS disminuye puesto que existe un campo eléctrico no nulo que facilita la
formación del canal. Este campo puede ser tan intenso que puede hacer incluso que la tensión
umbral sea menor que 0 V.
Por otra parte, en el caso de que la puerta del transistor se encuentre polarizada
positivamente, las cargas positivas se mueven hacia el semiconductor. Aplicando el teorema de
Gauss, se puede deducir que el decremento de la tensión umbral que los transistores padecen es
función de la distribución de carga ρ(y) [Mul86, p. 401]:
H H
1 y
1
∆ VTH =− · · ρ( y)· dy =− · y· ρ(
y)· dy
C H ε
∫ ∫ (3.59)
OX 0 OX 0
En estas expresiones, H es la anchura de óxido de puerta, y la distancia vertical desde la
puerta a la zona del óxido estudiada (y=H en la superficie óxido-semiconductor), COX la
capacidad por unidad de superficie y εOX la permitividad dieléctrica del óxido. Un estudio de la
integral anterior nos permite deducir que el cambio de la tensión umbral es mayor cuanto más
próximas estén las cargas a la superficie óxido-semiconductor.
Por tanto, a medida que progresa la irradiación la tensión umbral disminuye tanto por la
continua creación de cargas positivas como por la aproximación de las cargas al canal del
transistor. Sin embargo, si la irradiación no es muy rápida, es muy importante la generación de
iones de hidrógeno que emprenden su camino hacia la interfaz óxido-semiconductor. A medida
que llegan, crean estados de superficie que atrapan electrones por lo que se acumula carga
negativa en una zona muy próxima a la interfaz. Estas cargas pueden compensar la acción de las