4.1. CREATION DE CHARGES DANS LE VOLUME DE L OXYDE
Les électrons de haute énergie (les électrons secondaires générés par les interactions des photons avec la matière ou les électrons présents dans l'environnement) et les protons peuvent ioniser les atomes et générer des paires électrons-trous. Tant que les énergies respectives des électrons et des trous générés sont supérieures à l'énergie minimale requise pour créer une paire électrons-trous, ils peuvent à leur tour générer des paires additionnelles.
De cette manière, un photon de haute énergie peut générer indirectement une grande quantité de paires électrons-trous. Le tableau 2 résume les énergies minimales (Ep) requises pour la création d'une paire. Nous avons aussi indiqué la masse volumique de la silice et du silicium et la densité (g0) de paires créées par rad dans le matériau. Cette dernière quantité est obtenue
par le produit de la masse volumique du matériau et de la dose (1 rad = 10"2 Gy = 6,24xlO13
eV/g), divisée par Ep.
Matériau
lxlO"8 (trous)
Ep(eV)
Nombre de paires générées par rad, go (cm'3.rad )
4xlO13
8,lxl012
Tableau 2. Différentes propriétés intrinsèques du Silicium et de la Silice à température ambiante [SZE-81].
L'énergie de création EP d'une paire électron-trou dans la silice a été déterminée par Ausman et McLean [AUS-75] comme étant égale à 18 ± 3 eV. Par la suite, d'autres études ont confirmé ce résultat [BOE-76] jusqu'à la plus récente réalisée par Benedetto et Boesch [BEN-86] qui fixe plus précisément la valeur de EP à 17 ± leV.
Les données du Tableau 2 nous permettent d'estimer la densité de porteurs créées dans les différentes parties d'un composant électronique; ceci nous permettra d'évaluer rapidement la sensibilité de ces matériaux à l'effet de dose. Un rad (1 cGy) représente une énergie cédée de 6.24xl013 eV/g, ce qui correspond à la création d'environ 2xlO13 paires électrons-trous par cm"3 dans le silicium et cinq à dix fois moins dans un oxyde. La dose totale déposée lors d'une mission pour un satellite (milieu Spatial) ou pour un robot mobile dans une centrale (milieu Nucléaire Civil) s'étend entre 100 krad et 10 Mrad. Ces niveaux de dose correspondent à la création de 1018 à 1020 paires électrons-trous par centimètre cube. Ces densités sont à comparer avec celles naturellement présentes dans les matériaux cibles. La densité de charges dans un métal, de l'ordre de 1022 cm"3, est trop importante pour que ce dernier soit perturbé.
Pour les semi-conducteurs, compte tenu des débits de dose et des densités de porteurs libres (1014 - 1019 cm"3), toute charge créée reviendra à l'équilibre par recombinaison. De ce fait, nous pouvons considérer que l'équilibre est toujours réalisé dans les semi-conducteurs sur une période relativement courte (inférieure à la picoseconde). Nous venons d'expliquer l'insensibilité des métaux et des semi-conducteurs à l'effet de dose ionisante cumulée. Il n'en est pas de même pour les isolants qui, à l'équilibre, n'ont pas de porteurs libres qui permettraient, comme pour les semi-conducteurs, le retour à l'équilibre par recombinaison des charges.
4.2. FRACTION RESULTANTE NON-RECOMBINEE
Nous venons de voir qu'une dose ionisante de 1 rad correspondait à la création de 8,lxlO12 paires électrons-trous par cm3 dans la silice. Cependant, une fraction de ces porteurs, générés par l'irradiation, vont se recombiner quelques picosecondes après leur création. La fraction des trous fY\Ç0X) ^ échappe à la recombinaison initiale est principalement déterminée par deux facteurs : (1) l'amplitude du champ électrique dans l'oxyde Çox, qui provoque une séparation des charges et (2) la densité linéique initiale des paires électrons-trous créées par la particule incidente. La densité linéique des paires créées est déterminée par le TEL ( Transfert d'Energie Linéique). Elle dépend de la nature et de l'énergie de la particule incidente et est inversement proportionnelle à la distance moyenne de séparation entre les paires électrons-trous. Ainsi, plus les paires créées seront proches les unes des autres et plus la probabilité de recombinaison augmentera pour une valeur donnée du champ électrique.
Deux modèles mathématiques ont été proposés pour calculer fy (J;ox ) :
^C> Le premier est le modèle de la recombinaison colonnaire[AUS-75], qui suppose que les paires sont créées sous forme de colonnes denses, telles que la séparation entre l'électron et le trou est inférieure à la distance de thermalisation (distance que parcourt le porteur avant d'atteindre son énergie minimale). La recombinaison directe est alors très probable, du fait de la proximité des porteurs et des paires entre-elles [OLD-85].
^> Le deuxième modèle est celui de la recombinaison préférentielle (recombinaison géminée). Dans ce cas, les paires sont supposées suffisamment éloignées pour appliquer le modèle d'Onsager [ONS-38], [DOZ-87].
Ces deux modèles sont en fait deux cas limites, et la situation réelle (surtout pour les rayons X de faible énergie) correspond généralement à un phénomène intermédiaire. Une formulation empirique de la fonction fy{Çox) dans le SiÛ2 et pour une irradiation photonique, a été proposée par Dozier et al [DOZ-87], puis revue par Shaneyfelt [SHA-91]. Cette formulation est basée sur des résultats expérimentaux obtenus dans le cas du SiC>2 thermique. L'expression peut être utilisée pour des irradiations à faible dose (typiquement jusqu'au Mrad) à la température ambiante :
S* (D
où ^ox est le champ électrique interne qui règne dans l'oxyde (en MV.cm"1) et ^c un facteur de forme qui dépend de l'énergie des photons incidents. Pour des rayons y du Co60, ^c = 0,65 MV.cm"1 et m # 0,9. La Figure 5 résume la valeur de la fraction non - recombinée dans le SiC>2 en fonction de la nature du rayonnement et du champ électrique.