雙極運(yùn)算放大器LM158電離總劑量與重離子協(xié)同輻射效應(yīng)研究

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(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所中國(guó)科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室烏魯木齊830011）

3（新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室烏魯木齊830011）

4（中國(guó)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(huì)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(wèn)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(huì)產(chǎn)生低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)［3?5］，導(dǎo)致器件電參數(shù)劇烈退化。同時(shí)太空中存在的高能粒子入射電路內(nèi)部敏感晶體管時(shí)，會(huì)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(yùn)行時(shí)，雙極器件將同時(shí)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(huì)影響單粒子瞬態(tài)發(fā)生時(shí)的電荷收集，對(duì)單粒子瞬態(tài)產(chǎn)生影響。國(guó)外針對(duì)運(yùn)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(jìn)行了相關(guān)的報(bào)道［11?14］：激光單粒子試驗(yàn)結(jié)果表明電離總劑量效應(yīng)會(huì)扭曲單粒子瞬態(tài)的波形，對(duì)于單粒子瞬態(tài)的影響強(qiáng)烈的依賴于單粒子入射內(nèi)部晶體管的位置以及運(yùn)算放大器工作偏置條件，且運(yùn)算放大器LM124存在低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)與單粒子瞬態(tài)的協(xié)同效應(yīng)；重離子試驗(yàn)結(jié)果表明電離總劑量效應(yīng)會(huì)使單粒子瞬態(tài)翻轉(zhuǎn)截面變大；不同制造工藝的運(yùn)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(guó)內(nèi)對(duì)于雙極運(yùn)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(jiàn)報(bào)道較少。綜合來(lái)看，運(yùn)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(guó)內(nèi)外對(duì)于運(yùn)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(yùn)算放大器，因此還需要針對(duì)其他不同類型的運(yùn)算放大器進(jìn)行進(jìn)一步系統(tǒng)研究，獲得更加完善的雙極運(yùn)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(duì)于正確評(píng)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(duì)雙極運(yùn)算放大器LM158進(jìn)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(jìn)行重離子輻照試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：電離總劑量效應(yīng)顯著展寬了雙極運(yùn)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(shí)低劑量率輻射損傷增強(qiáng)效應(yīng)的存在進(jìn)一步增強(qiáng)了電離總劑量與單粒子瞬態(tài)的協(xié)同效應(yīng)，對(duì)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(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，本文提供了相關(guān)的分析。

1 試驗(yàn)樣品與方法

試驗(yàn)樣品為相同批次的雙極運(yùn)算放大器LM158。試驗(yàn)分為總劑量輻照試驗(yàn)與重離子輻照試驗(yàn)兩部分：1）總劑量輻照試驗(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(guò)程中的所有樣品引腳接地；2）重離子輻照試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所重離子國(guó)家實(shí)驗(yàn)室單粒子試驗(yàn)終端進(jìn)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(yàn)樣品的偏置選擇正相放大11倍，輸入信號(hào)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(yàn)中的測(cè)試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、示波器、直流電源、測(cè)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(guò)示波器進(jìn)行在線觀測(cè)并將采集到的所有單粒子瞬態(tài)信息保存于計(jì)算機(jī)終端中，最后利用MATLAB軟件對(duì)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，以便全面了解電離總劑量效應(yīng)對(duì)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(yàn)時(shí)運(yùn)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(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of test system during heavy ion irradiation test

2 試驗(yàn)結(jié)果

重離子輻照過(guò)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(duì)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(yùn)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(fù)向瞬態(tài)脈沖，累積電離總劑量之后的雙極運(yùn)算放大器LM158受到重離子輻照時(shí)，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(fù)向瞬態(tài)脈沖寬度展寬，同時(shí)，在低劑量率1×10?4Gy·s?1（Si）輻照條件下的負(fù)向瞬態(tài)脈沖寬度相對(duì)于高劑量率0.1 Gy·s?1（Si）輻照條件下的負(fù)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(qiáng)效應(yīng)與單粒子瞬態(tài)的協(xié)同效應(yīng)。

圖3 運(yùn)算放大器LM158在正相放大+11倍偏置時(shí)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(guò)MATLAB軟件以統(tǒng)計(jì)方式處理得到的運(yùn)算放大器LM158在正相放大+11倍時(shí)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(shí)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(duì)比結(jié)果顯示，運(yùn)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(fù)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(duì)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(fù)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(duì)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(shí)LM158的脈沖幅值-寬度統(tǒng)計(jì)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(yùn)算放大器LM158的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，Q1、Q2、Q3、Q4組成的共集-共射復(fù)合差分電路構(gòu)成此運(yùn)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(fù)載，而且將Q2和Q3的電流變化傳遞給中間級(jí)電路，使得與輸入級(jí)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(yùn)算放大器的中間放大級(jí)電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)使其反相。Q11、Q12和Q13組成了運(yùn)算放大器的推挽輸出電路，Q11以射級(jí)輸出形式輸出負(fù)半周信號(hào)，而Q13以射極輸出形式輸出正半周信號(hào)。

當(dāng)運(yùn)算放大器未累積總劑量時(shí)，重離子Ta入射運(yùn)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(duì)，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(shí)晶體管內(nèi)部的電場(chǎng)方向由基極指向發(fā)射極和集電極。在電場(chǎng)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(yùn)使得晶體管由截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。雙極運(yùn)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(jī)制都是相同的，差別在于處于前級(jí)的晶體管導(dǎo)通后會(huì)通過(guò)影響次級(jí)晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)來(lái)影響運(yùn)算放大器最終的輸出。

因此，重離子Ta入射運(yùn)算放大器LM158中不同位置的晶體管會(huì)導(dǎo)致最終輸出如圖4所示不同類型的單粒子瞬態(tài)。當(dāng)重離子Ta入射到運(yùn)算放大器LM158的反相輸入端晶體管Q2時(shí)，會(huì)向其注入能量，激發(fā)電荷，使Q2晶體管導(dǎo)通，導(dǎo)通機(jī)制如上所述，其瞬態(tài)電流擾動(dòng)會(huì)通過(guò)Q6的集電極傳遞給下一級(jí)電路，從而給運(yùn)算放大器內(nèi)部輸入級(jí)與中間放大級(jí)之間的耦合電容C充電。Q2的瞬態(tài)電流給電容充電時(shí)，會(huì)抑制Q7的導(dǎo)通而使Q8和Q9導(dǎo)通。因?yàn)橹虚g級(jí)電路對(duì)信號(hào)是反相放大作用，所以Q2的瞬態(tài)脈沖傳遞到中間級(jí)電路的輸出端時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)瞬態(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(shí)導(dǎo)通而Q13截止，在輸出端產(chǎn)生負(fù)向瞬態(tài)脈沖。當(dāng)重離子Ta入射到LM158的Q6晶體管時(shí)，使其被注入電荷并導(dǎo)通，進(jìn)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(duì)電流的收集作用導(dǎo)致Q8的基極無(wú)法注入電流而處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)而Q9也處于關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)Q11因基極電壓升高而截止，而Q13處于開(kāi)啟狀態(tài)，在運(yùn)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(guò)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(qiáng)。

雙極晶體管中的復(fù)合過(guò)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(yùn)算放大器LM158內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)處于截止?fàn)顟B(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(yùn)動(dòng)速率。

如圖7所示，當(dāng)雙極晶體管累積電離總劑量后，會(huì)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(fèi)米能級(jí)靠近禁帶中央，此時(shí)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(jìn)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(shí)，界面陷阱電荷可以充當(dāng)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(jìn)一步增大。此時(shí)受重離子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)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(jìn)而引起內(nèi)部電源電流減小，造成運(yùn)算放大器輸出脈沖幅值減小，同時(shí)內(nèi)部瞬態(tài)電流的減小會(huì)延長(zhǎng)對(duì)電路內(nèi)部電容充電時(shí)間，使運(yùn)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?fàn)顟B(tài)PNP晶體管對(duì)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(shí)，會(huì)產(chǎn)生更多的界面陷阱電荷，所以會(huì)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)?，電源電流比高劑量率輻照后更小。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(yùn)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(qiáng)了對(duì)單粒子瞬態(tài)的影響。

圖8 運(yùn)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(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)雙極運(yùn)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(huì)引起運(yùn)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(guò)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(duì)于單粒子瞬態(tài)的影響更顯著。