蔡 嬌姚 帥陸 嫵于 新王 信李小龍劉默寒孫 靜郭 旗

1（新疆大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院烏魯木齊830046）

2（中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所中國科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室烏魯木齊830011）

3（新疆電子信息材料與器件重點實驗室烏魯木齊830011）

4（中國科學(xué)院大學(xué)北京100049）

太空中存在的高能粒子和宇宙射線會在半導(dǎo)體器件中沉積能量，使電子器件產(chǎn)生輻射效應(yīng)，影響電子系統(tǒng)正常工作，是星用電路可靠性面臨的最主要問題。研究表明［1?2］，太空輻射環(huán)境屬于低劑量率輻射環(huán)境，劑量率為10?7～10?4Gy·s?1（Si），絕大部分雙極器件在低劑量率輻射環(huán)境下累積電離總劑量會產(chǎn)生低劑量率輻射損傷增強效應(yīng)［3?5］，導(dǎo)致器件電參數(shù)劇烈退化。同時太空中存在的高能粒子入射電路內(nèi)部敏感晶體管時，會導(dǎo)致電路輸出發(fā)生瞬態(tài)變化，即單粒子瞬態(tài)［6?10］。因此衛(wèi)星在軌運行時，雙極器件將同時受到電離總劑量和單粒子效應(yīng)的影響，電離總劑量在電路內(nèi)部晶體管累積的陷阱電荷可能會影響單粒子瞬態(tài)發(fā)生時的電荷收集，對單粒子瞬態(tài)產(chǎn)生影響。國外針對運算放大器的電離總劑量與單粒子瞬態(tài)的協(xié)同效應(yīng)進行了相關(guān)的報道［11?14］：激光單粒子試驗結(jié)果表明電離總劑量效應(yīng)會扭曲單粒子瞬態(tài)的波形，對于單粒子瞬態(tài)的影響強烈的依賴于單粒子入射內(nèi)部晶體管的位置以及運算放大器工作偏置條件，且運算放大器LM124存在低劑量率輻射損傷增強效應(yīng)與單粒子瞬態(tài)的協(xié)同效應(yīng)；重離子試驗結(jié)果表明電離總劑量效應(yīng)會使單粒子瞬態(tài)翻轉(zhuǎn)截面變大；不同制造工藝的運算放大器的電離總劑量與單粒子瞬態(tài)協(xié)同效應(yīng)差異明顯。國內(nèi)對于雙極運算放大器的電離總劑量與單粒子瞬態(tài)的協(xié)同效應(yīng)可見報道較少。綜合來看，運算放大器的電離總劑量與單粒子瞬態(tài)協(xié)同效應(yīng)依賴于不同的工作偏置條件、不同的劑量率以及不同的制造工藝，但國內(nèi)外對于運算放大器的電離總劑量與單粒子瞬態(tài)協(xié)同效應(yīng)的研究局限于較少類型的運算放大器，因此還需要針對其他不同類型的運算放大器進行進一步系統(tǒng)研究，獲得更加完善的雙極運算放大器的電離總劑量與單粒子瞬態(tài)協(xié)同效應(yīng)影響規(guī)律，這對于正確評估雙極模擬電路在復(fù)雜太空輻射環(huán)境中的在軌工作狀態(tài)具有重要意義。

本文針對雙極運算放大器LM158進行了電離總劑量與重離子的協(xié)同輻射效應(yīng)研究，分別在高劑量率和低劑量率輻照下累積相同總劑量之后再進行重離子輻照試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：電離總劑量效應(yīng)顯著展寬了雙極運算放大器LM158的單粒子瞬態(tài)寬度并減小了單粒子瞬態(tài)幅值，同時低劑量率輻射損傷增強效應(yīng)的存在進一步增強了電離總劑量與單粒子瞬態(tài)的協(xié)同效應(yīng)，對單粒子瞬態(tài)產(chǎn)生更大影響，形成低劑量率輻射損傷增強效應(yīng)與單粒子瞬態(tài)的協(xié)同效應(yīng)，增加了單粒子瞬態(tài)的傳播風險。針對這個試驗結(jié)果，本文提供了相關(guān)的分析。

1 試驗樣品與方法

試驗樣品為相同批次的雙極運算放大器LM158。試驗分為總劑量輻照試驗與重離子輻照試驗兩部分：1）總劑量輻照試驗在中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所進行，輻照源為60Coγ放射源，高劑量率選擇0.1 Gy·s?1（Si），低劑量率選擇1×10?4Gy·s?1（Si），高劑量率輻照和低劑量率輻照累積的總劑量都是1 000 Gy（Si），且輻照過程中的所有樣品引腳接地；2）重離子輻照試驗在中國科學(xué)院近代物理研究所重離子國家實驗室單粒子試驗終端進行，重離子類型為鉭（Ta）離子，傳能線密度（Linear Energy Transfer，LET）為80.29 MeV·cm2·mg?1，能 量 為1 500.5 MeV，射程為88.7μm，試驗樣品的偏置選擇正相放大11倍，輸入信號為0 V，電源電壓設(shè)置為+15 V和?15 V，如圖1所示。重離子輻照試驗中的測試系統(tǒng)由計算機、示波器、直流電源、測試板構(gòu)成，如圖2所示。直流電源為樣品提供直流偏置，受輻照樣品輸出的單粒子瞬態(tài)通過示波器進行在線觀測并將采集到的所有單粒子瞬態(tài)信息保存于計算機終端中，最后利用MATLAB軟件對所有單粒子瞬態(tài)波形的關(guān)鍵信息（脈沖幅值和脈沖寬度）進行統(tǒng)計處理，以便全面了解電離總劑量效應(yīng)對單粒子瞬態(tài)的影響，其中脈沖寬度為半波全寬（Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM）。

圖1 重離子輻照試驗時運算放大器正相放大+11倍偏置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the operational amplifier with NIWG+11 configuration during heavy ion irradiation test

圖2 重離子輻照試驗測試系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of test system during heavy ion irradiation test

2 試驗結(jié)果

重離子輻照過程中，示波器采集到的單粒子瞬態(tài)數(shù)量眾多，為觀察和分析單粒子瞬態(tài)的波形特征以及電離總劑量效應(yīng)對單粒子瞬態(tài)的影響，選取其中的典型單粒子瞬態(tài)波形如圖3所示。結(jié)果表明：工作于正相放大+11倍偏置的運算放大器LM158受重離子輻照后產(chǎn)生正向?qū)捤矐B(tài)脈沖、正向窄瞬態(tài)脈沖和負向瞬態(tài)脈沖，累積電離總劑量之后的雙極運算放大器LM158受到重離子輻照時，正向?qū)捤矐B(tài)脈沖和正向窄瞬態(tài)脈沖的幅值都減小且負向瞬態(tài)脈沖寬度展寬，同時，在低劑量率1×10?4Gy·s?1（Si）輻照條件下的負向瞬態(tài)脈沖寬度相對于高劑量率0.1 Gy·s?1（Si）輻照條件下的負向瞬態(tài)脈沖展寬現(xiàn)象更加顯著，表現(xiàn)出明顯的低劑量率輻射損傷增強效應(yīng)與單粒子瞬態(tài)的協(xié)同效應(yīng)。

圖3 運算放大器LM158在正相放大+11倍偏置時典型單粒子瞬態(tài)波形(a)未累積總劑量，(b)高劑量率0.1 Gy·s?1（Si）累積總劑量至1 000 Gy(Si)，(c)低劑量率1×10?4 Gy·s?1（Si）累積總劑量至1 000 Gy(Si)Fig.3 Transient waveforms of the SET in LM158 with NIWG+11 configuration(a)LM158 without irradiation,(b)LM158 irradiated with HDR of 0.1 Gy·s?1（Si）to 1 000 Gy(Si),(c)LM158 irradiated with LDR of 1×10?4 Gy·s?1(Si)to 1 000 Gy(Si)

通過MATLAB軟件以統(tǒng)計方式處理得到的運算放大器LM158在正相放大+11倍時受Ta離子轟擊后的單粒子瞬態(tài)幅值-寬度特性如圖4所示。圖4（a）為未累積總劑量時的單粒子瞬態(tài)分布，圖4（b）和圖4（c）分別為高劑量率0.1 Gy·s?1（Si）條件下和低劑量率1×10?4Gy·s?1（Si）條件下累積總劑量至1000 Gy（Si）后的單粒子瞬態(tài)分布。

圖4 （a）和圖4（b）的對比結(jié)果顯示，運算放大器LM158在高劑量率0.1 Gy·s?1（Si）條件下累積總劑量至1 000 Gy（Si）后，負向瞬態(tài)脈沖寬度由28μs展寬至60μs，變大了114%，正向窄瞬態(tài)脈沖幅值由14 V減小到8 V，正向?qū)捤矐B(tài)脈沖的幅值也有所減弱；圖4（a）和圖4（c）的對比結(jié)果顯示，在低劑量率1×10?4Gy·s?1（Si）條件下累積總劑量至1 000 Gy（Si）后，負向瞬態(tài)脈沖寬度由28μs展寬到90μs，增加了221%，正向窄瞬態(tài)脈沖的幅值由14 V減小到8 V，正向?qū)捤矐B(tài)脈沖幾乎消失；圖4（b）和圖4（c）的對比結(jié)果顯示，低劑量率輻照下累積總劑量后的單粒子瞬態(tài)比高劑量率輻照后的單粒子瞬態(tài)發(fā)生了更顯著的變化，主要表現(xiàn)為脈沖繼續(xù)展寬，由60μs展寬至90μs，變大了50%。

圖4 正相放大+11倍時LM158的脈沖幅值-寬度統(tǒng)計分布圖（重離子種類為Ta離子，LET=80.29 MeV·cm2·mg?1）(a)未累積總劑量，(b)高劑量率0.1 Gy·s?1（Si）累積至1 000 Gy(Si)，(c)低劑量率1×10?4 Gy·s?1（Si）累積至1 000 Gy(Si)Fig.4 Statistical distribution of pulse amplitude-width of the SET in LM158 with NIWG+11 configuration(heavy ion is Ta,LET=80.29 MeV·cm2·mg?1)(a)LM158 without irradiation,(b)LM158 irradiated with HDR of 0.1 Gy·s?1(Si)to 1 000 Gy(Si),(c)LM158 irradiated with LDR of 1×10?4 Gy·s?1(Si)to 1 000 Gy(Si)

3 分析與討論

圖5 為運算放大器LM158的電路結(jié)構(gòu)簡圖，Q1、Q2、Q3、Q4組成的共集-共射復(fù)合差分電路構(gòu)成此運算放大器的輸入端，Q5和Q6構(gòu)成的電流源不但作為有源負載，而且將Q2和Q3的電流變化傳遞給中間級電路，使得與輸入級的輸出端相連的電容C和Q7晶體管的基極電壓發(fā)生變化。Q7、Q8和Q9采用共集-共射的形式構(gòu)成該運算放大器的中間放大級電路，對信號進行放大的同時使其反相。Q11、Q12和Q13組成了運算放大器的推挽輸出電路，Q11以射級輸出形式輸出負半周信號，而Q13以射極輸出形式輸出正半周信號。

當運算放大器未累積總劑量時，重離子Ta入射運算放大器中的敏感晶體管（通常為關(guān)閉晶體管）［15］，在其內(nèi)部產(chǎn)生大量的電子空穴對，如圖6所示。由于關(guān)閉晶體管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)，此時晶體管內(nèi)部的電場方向由基極指向發(fā)射極和集電極。在電場的作用下，空穴被集電極和發(fā)射極所收集，電子則被基極所收集，電子與空穴的輸運使得晶體管由截止狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。雙極運算放大器中所有關(guān)閉晶體管受到重離子輻照后導(dǎo)通的機制都是相同的，差別在于處于前級的晶體管導(dǎo)通后會通過影響次級晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)來影響運算放大器最終的輸出。

因此，重離子Ta入射運算放大器LM158中不同位置的晶體管會導(dǎo)致最終輸出如圖4所示不同類型的單粒子瞬態(tài)。當重離子Ta入射到運算放大器LM158的反相輸入端晶體管Q2時，會向其注入能量，激發(fā)電荷，使Q2晶體管導(dǎo)通，導(dǎo)通機制如上所述，其瞬態(tài)電流擾動會通過Q6的集電極傳遞給下一級電路，從而給運算放大器內(nèi)部輸入級與中間放大級之間的耦合電容C充電。Q2的瞬態(tài)電流給電容充電時，會抑制Q7的導(dǎo)通而使Q8和Q9導(dǎo)通。因為中間級電路對信號是反相放大作用，所以Q2的瞬態(tài)脈沖傳遞到中間級電路的輸出端時會轉(zhuǎn)變?yōu)樨撍矐B(tài)脈沖。Q9導(dǎo)通之后，吸收與之相連的Q11、Q12的基極電流使其基極電壓降低，導(dǎo)致Q11暫時導(dǎo)通而Q13截止，在輸出端產(chǎn)生負向瞬態(tài)脈沖。當重離子Ta入射到LM158的Q6晶體管時，使其被注入電荷并導(dǎo)通，進而使Q7導(dǎo)通。由于Q7的發(fā)射極與Q8的基極相連，Q7導(dǎo)通后對電流的收集作用導(dǎo)致Q8的基極無法注入電流而處于關(guān)閉狀態(tài)，進而Q9也處于關(guān)閉狀態(tài)。此時Q11因基極電壓升高而截止，而Q13處于開啟狀態(tài)，在運算放大器輸出端輸出正向瞬態(tài)脈沖。重離子Ta在雙極晶體管中激發(fā)的電子空穴被集電極和發(fā)射極收集的過程中復(fù)合作用較弱，被基極所吸收的電流較少，晶體管的導(dǎo)通作用較強。

雙極晶體管中的復(fù)合過程以Shockley-Read-Hall（SRH）復(fù)合為主，根據(jù)SRH復(fù)合模型［16?17］，復(fù)合速度R可以表示為：

圖5 運算放大器LM158內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Schematic diagram of the internal circuit structure of operational amplifier LM158

圖6 未累積電離總劑量時處于截止狀態(tài)PNP晶體管單粒子瞬態(tài)分析示意圖Fig.6 Schematic diagram of SET analysis in bipolar transistor without TID

式中：τn0表示電子的壽命；τp0表示空穴的壽命。且非平衡載流子的壽命值還受到缺陷電荷密度的影響，可表示為：

式中：σn、σp分別表示電子和空穴的俘獲截面；NT表示界面陷阱電荷密度；vt表示電子（空穴）的運動速率。

如圖7所示，當雙極晶體管累積電離總劑量后，會在Si-SiO2界面處引入界面陷阱電荷，導(dǎo)致界面處能帶彎曲，界面處費米能級靠近禁帶中央，此時半導(dǎo)體表面電子和空穴的濃度趨于相近，使得電子和空穴的俘獲截面σn和σp變大，進而導(dǎo)致界面處電子和空穴的壽命τn0與τp0減小，表面復(fù)合速率R增大［18］。同時，界面陷阱電荷可以充當電子和空穴的復(fù)合中心，累積電離總劑量后，界面陷阱電荷密度NT增大使表面復(fù)合速率進一步增大。此時受重離子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對大部分在基區(qū)被復(fù)合吸收，被集電極和發(fā)射極所收集的電子空穴數(shù)目減少，導(dǎo)致瞬態(tài)電流減小，進而引起內(nèi)部電源電流減小，造成運算放大器輸出脈沖幅值減小，同時內(nèi)部瞬態(tài)電流的減小會延長對電路內(nèi)部電容充電時間，使運算放大器的輸出脈沖展寬。

圖7 累積電離總劑量后處于截止狀態(tài)PNP晶體管對單粒子效應(yīng)電荷收集的影響示意圖Fig.7 Schematic diagram of the influence of the PNP transistor in off state after accumulating TID on the collection of single particle effect charges

研究表明［3，19?20］，在低劑量率條件下輻照時，會產(chǎn)生更多的界面陷阱電荷，所以會復(fù)合吸收更多的電子空穴，造成晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)變?nèi)酰娫措娏鞅雀邉┝柯瘦椪蘸蟾?。圖8顯示了分別在0.1 Gy·s?1（Si）和1×10?4Gy·s?1（Si）劑量率輻照下累積電離總劑量至1 000 Gy（Si）后運算放大器LM158電源電流隨著累積劑量的增加而產(chǎn)生明顯的退化，且1×10?4Gy·s?1（Si）劑量率輻照條件下退化更加顯著，從而增強了對單粒子瞬態(tài)的影響。

圖8 運算放大器LM158的電源電流隨累積總劑量的變化示意圖Fig.8 Schematic diagram of the power supply current variation of LM158 with the increase of total dose

4 結(jié)語

本文通過對雙極運算放大器LM158的電離總劑量與單粒子瞬態(tài)協(xié)同效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)電離總劑量效應(yīng)會引起運算放大器LM158的單粒子瞬態(tài)幅值減小和脈沖展寬，其根本原因是電離總劑量效應(yīng)在雙極晶體管中Si-SiO2界面處產(chǎn)生的界面陷阱電荷影響了單粒子效應(yīng)在雙極晶體管中激發(fā)的電子空穴的收集過程。由于低劑量率輻照條件下，雙極晶體管中累積的界面陷阱電荷相比于高劑量率輻照條件下更多，使雙極晶體管產(chǎn)生更大的損傷，因此對于單粒子瞬態(tài)的影響更顯著。