變溫輻照對(duì)雙極電壓比較器LM2903在不同偏置狀態(tài)下的單粒子瞬態(tài)影響

姚 帥，陸 嫵，于 新，李小龍，王 信，劉默寒，孫 靜，常耀東，席善學(xué)，何承發(fā)，郭 旗

(1.中國(guó)科學(xué)院 特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國(guó)科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所，新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011； 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

雙極模擬電路在空間應(yīng)用時(shí)，受到太空中高能帶電粒子，如質(zhì)子、重離子等轟擊，輸出電壓會(huì)發(fā)生瞬態(tài)變化，即產(chǎn)生單粒子瞬態(tài)(SET)。SET可能會(huì)被與雙極模擬電路相聯(lián)的次級(jí)數(shù)字電路捕獲，導(dǎo)致邏輯狀態(tài)發(fā)生改變，使衛(wèi)星出現(xiàn)功能故障。1992年，NASA的TOPEX衛(wèi)星因雙極運(yùn)算放大器OP-15發(fā)生SET，導(dǎo)致相關(guān)傳感器出現(xiàn)故障[1]；2001年，NASA的MAP衛(wèi)星因?yàn)殡p極電壓比較器LM139出現(xiàn)SET，致使衛(wèi)星功能中斷[2]；2016年，日本的ASTRO-H衛(wèi)星因?yàn)樾敲羝骷霈F(xiàn)單粒子效應(yīng)，最終導(dǎo)致衛(wèi)星失控[3]。

除了單粒子效應(yīng)，雙極模擬電路在空間中累積電離總劑量(TID)，會(huì)產(chǎn)生低劑量率損傷增強(qiáng)效應(yīng)(ELDRS)[4-5]。對(duì)于雙極器件而言，地面評(píng)估需采用低劑量率進(jìn)行輻照試驗(yàn)，大幅增加了評(píng)估的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本。變溫輻照加速評(píng)估方法通過(guò)在不同累積劑量范圍設(shè)置不同溫度來(lái)模擬低劑量率輻照，可大幅減少評(píng)估時(shí)間、降低評(píng)估成本，且已在雙極運(yùn)算放大器、雙極分立器件、雙極電壓比較器和雙極線性穩(wěn)壓器等多種不同類型器件中得到驗(yàn)證[6-11]。以累積電離總劑量為1 000 Gy(Si)為例，低劑量率0.1 mGy(Si)/s輻照需約4個(gè)月的時(shí)間，而變溫0.03 Gy(Si)/s輻照則僅需9 h左右。

雙極模擬電路在累積TID后，電學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，會(huì)影響其SET[12-14]，但目前地面評(píng)估僅單一針對(duì)器件總劑量效應(yīng)或單粒子效應(yīng)進(jìn)行評(píng)估，不能正確反應(yīng)雙極器件在空間應(yīng)用的真實(shí)工作狀態(tài)。由于低劑量率輻照的時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高，不利于開(kāi)展雙極器件的TID-SET協(xié)同效應(yīng)研究。本文利用變溫輻照模擬空間低劑量率環(huán)境，對(duì)雙極電壓比較器LM2903在不同偏置狀態(tài)下的TID-SET協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行研究，進(jìn)一步擴(kuò)展變溫輻照方法的應(yīng)用范圍。

1 試驗(yàn)器件與方法

圖1 變溫輻照梯度簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic of temperature switching irradiation

試驗(yàn)器件是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的商用雙極電壓比較器LM2903。試驗(yàn)分為總劑量試驗(yàn)與單粒子試驗(yàn)兩部分，具體試驗(yàn)條件為：1) 總劑量試驗(yàn)，在中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所進(jìn)行，輻照源為60Co γ源，采用變溫0.03 Gy(Si)/s進(jìn)行輻照，變溫梯度如圖1所示(4條不同顏色的直線分別代表不同溫度，在每條線包含的劑量范圍內(nèi)溫度保持恒定，共有3個(gè)溫度轉(zhuǎn)變折點(diǎn)[15])，試驗(yàn)時(shí)器件偏置為零偏，累積總劑量為1 000 Gy(Si)；2) 單粒子試驗(yàn)，在中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所重離子單粒子試驗(yàn)裝置進(jìn)行，重離子種類為Ta離子，LET=82 MeV·cm2/mg，試驗(yàn)時(shí)器件分為高電平偏置和低電平偏置兩種工作狀態(tài)，輸出上拉電阻均為5 kΩ。高電平偏置和低電平偏置試驗(yàn)時(shí)樣品各有兩只：未輻照樣品1只，變溫輻照樣品1只。樣品均是同一廠家、同一批次，且經(jīng)過(guò)篩選，確保兩個(gè)樣品初始值基本一致。

2 試驗(yàn)結(jié)果

在進(jìn)行單粒子試驗(yàn)時(shí)，SET被數(shù)字示波器監(jiān)測(cè)并存儲(chǔ)，由于SET數(shù)量較多，因此需對(duì)采集到的SET波形進(jìn)行幅值、寬度參數(shù)提取，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。圖2為高電平偏置和低電平偏置時(shí)LM2903的SET幅值-寬度變化情況。高電平偏置時(shí)，LM2903的SET幅值在累積TID后變小，輻照前SET最大幅值可達(dá)-5 V左右，累積TID到1 000 Gy(Si)后，SET最大幅值減小為-3 V。與之相反，低電平偏置時(shí)，LM2903的SET幅值在累積TID后變大，最大幅值由輻照前的約3.5 V變大到4.5 V左右；同時(shí)SET寬度在輻照后明顯展寬，寬度從輻照前的0.2 μs左右展寬到1.5 μs左右。

圖2 高電平偏置(a)和低電平偏置(b)時(shí)LM2903的SET幅值-寬度變化Fig.2 SET amplitude-width variation of LM2903 at high-level bias (a) and low-level bias (b)

3 分析和討論

當(dāng)重離子轟擊到敏感晶體管(通常為關(guān)閉晶體管)時(shí)[13]，會(huì)產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，通過(guò)漂移擴(kuò)散方式被集電極、發(fā)射極收集，同時(shí)載流子在輸運(yùn)過(guò)程中的復(fù)合導(dǎo)致部分電流被基極收集。此時(shí)晶體管從關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通狀態(tài)，進(jìn)而影響電壓比較器的輸出狀態(tài)。高電平輸出偏置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生負(fù)向SET；低電平偏置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生正向SET。當(dāng)器件沒(méi)有累積TID，重離子激發(fā)的電子和空穴在被集電極、發(fā)射極收集時(shí)，復(fù)合作用較弱，被基極收集的電流較少，晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)強(qiáng)。當(dāng)器件累積TID后，雙極晶體管在收集被激發(fā)的電子空穴時(shí)，由于TID誘發(fā)的界面態(tài)陷阱電荷不但可充當(dāng)復(fù)合中心，而且可改變Si-SiO2界面處能級(jí)位置，使表面處電子和空穴濃度更為相近，從而大幅增加電荷收集過(guò)程中的復(fù)合作用，被基極收集的電流多，晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)變?nèi)?。從宏觀電參數(shù)變化來(lái)看，TID導(dǎo)致晶體管增益退化，致使其瞬態(tài)電流減小。圖3為截止?fàn)顟B(tài)NPN晶體管累積TID后對(duì)單粒子效應(yīng)電荷收集的影響。

圖3 截止?fàn)顟B(tài)NPN晶體管累積TID后對(duì)單粒子效應(yīng)電荷收集的影響Fig.3 Effect of off-state NPN transistor after accumulating TID on single event effect charge collection

圖4為L(zhǎng)M2903電路結(jié)構(gòu)，LM2903的輸出級(jí)集電極開(kāi)路結(jié)構(gòu)決定了偏置狀態(tài)對(duì)其SET的不同影響。當(dāng)電路處于高電平偏置狀態(tài)時(shí)，輸出電壓為高電平，晶體管Q6處于關(guān)閉狀態(tài)。重離子的轟擊可能使Q6導(dǎo)通，從而使輸出電壓下降，即出現(xiàn)負(fù)向SET，累積TID后，Q6導(dǎo)通狀態(tài)變?nèi)?，?fù)向SET被抑制。當(dāng)電路處于低電平偏置狀態(tài)時(shí)，輸出電壓為低電平，晶體管Q6處于導(dǎo)通狀態(tài)。重離子轟擊到晶體管Q5時(shí)，可能會(huì)使Q5導(dǎo)通，吸收電流源Isc2的電流，則流過(guò)Q6基極的電流減少，Q6導(dǎo)通狀態(tài)減弱，從而輸出電壓上升，即出現(xiàn)正向SET。累積TID會(huì)使晶體管Q5和Q6增益下降、電流源Isc2退化，導(dǎo)致Q6導(dǎo)通狀態(tài)更弱，促進(jìn)了正向SET。由于晶體管寄生電容的存在，退化的電流源對(duì)電容的充電時(shí)間變長(zhǎng)[16]，導(dǎo)致SET寬度在輻照后明顯展寬。雖然以上分析主要針對(duì)輸出級(jí)電路，但是前級(jí)晶體管對(duì)電路的影響機(jī)制是一致的，都是在受到重離子轟擊時(shí)改變導(dǎo)通狀態(tài)，最終影響電壓比較器的輸出。在進(jìn)行變溫輻照試驗(yàn)時(shí)，LM2903的電參數(shù)變化通過(guò)STS-2107C半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖5所示，隨總劑量累積，LM2903的輸入偏置電流和電源電流逐漸降低，說(shuō)明晶體管增益發(fā)生退化。

圖4 LM2903電路結(jié)構(gòu)Fig.4 Circuit structure of LM2903

圖5 LM2903的電參數(shù)隨累積總劑量的變化Fig.5 LM2903 electrical parameter change with cumulative total dose

4 結(jié)論

本文將變溫輻照快速評(píng)估方法應(yīng)用到雙極器件的TID-SET協(xié)同效應(yīng)研究，既滿足空間真實(shí)低劑量率輻照環(huán)境模擬，又大幅節(jié)約了試驗(yàn)時(shí)間與成本。對(duì)LM2903的研究表明，偏置狀態(tài)對(duì)SET影響顯著，高電平偏置狀態(tài)下，SET在累積TID后受到抑制；而低電平偏置狀態(tài)下，累積TID會(huì)使SET變得更加惡劣。TID誘發(fā)的界面態(tài)陷阱電荷是TID-SET協(xié)同效應(yīng)出現(xiàn)的根本原因，而LM2903的集電極開(kāi)路輸出結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了不同偏置狀態(tài)產(chǎn)生相反的TID-SET協(xié)同作用。本文研究結(jié)果對(duì)相關(guān)模擬電路在空間綜合輻射環(huán)境的地面模擬評(píng)估和加固具有指導(dǎo)意義，低電平偏置時(shí)的TID-SET協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)必須在航天應(yīng)用前予以考慮。