雙極線性穩(wěn)壓器中子輻射位移效應(yīng)研究

李 彩 王義元 高見頭 崔 帥 陳 斌 王春林

1（中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院 上海 201203）

2（上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海 201109）

3（中國科學(xué)院微電子研究所 北京 100029）

雙極線性穩(wěn)壓器以其極低的噪聲和快速的負載響應(yīng)而被廣泛應(yīng)用于航天飛行器等空間領(lǐng)域，不可避免地遭受空間粒子輻射，引起器件性能退化，甚至失效。依據(jù)輻射損傷機理，空間粒子輻照對雙極器件產(chǎn)生的影響主要有電離總劑量效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)。隨著雙極器件低劑量率損傷增強效應(yīng)的報道，國內(nèi)外對雙極器件的研究多集中在電離總劑量效應(yīng)方面［1-4］，較少見到位移損傷的研究。文獻［5-6］開展了線性穩(wěn)壓器的中子輻照研究，給出了線性穩(wěn)壓器在位移損傷下的變化趨勢，但缺少輻照偏置影響的深入分析。而且，隨著元器件國產(chǎn)化的需求，需對國產(chǎn)器件開展針對性研究，探索位移損傷對在軌應(yīng)用的影響，保障航天器的在軌運行安全。為此，本文對國產(chǎn)雙極線性穩(wěn)壓器開展了中子輻照位移損傷效應(yīng)的研究，通過對輸出電壓在不同偏置下的在線監(jiān)測及試驗后不同負載條件下的測試，確立了影響雙極線性穩(wěn)壓器輸出電壓變化的主要因素，探討了形成的機理，可用于指導(dǎo)雙極線性穩(wěn)壓器的位移損傷評估。

1 雙極線性穩(wěn)壓器中子輻照試驗

1.1 中子輻射源

按照GJB762.1-83《半導(dǎo)體器件輻射加固試驗方法中子輻照試驗》要求，中子輻射源采用快中子反應(yīng)堆和TG1GA式反應(yīng)堆，滿足試驗要求的穩(wěn)態(tài)反應(yīng)堆以及14 MeV中子發(fā)生器也可以采用。本試驗選用西安脈沖反應(yīng)堆做中子輻照試驗。西安脈沖堆為游泳池式反應(yīng)堆，有穩(wěn)態(tài)和脈沖兩種運行方式，穩(wěn)態(tài)運行最高功率為2 MW。本次試驗的反應(yīng)堆運行功率選為400 kW，在該功率下中子注量率為2.67×1010n?cm-2?s-1。

1.2 試驗樣品及偏置條件

雙極線性穩(wěn)壓器的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。誤差放大器、帶隙基準、取樣電路、保護電路、開啟電路等集成在一個芯片內(nèi)，使其在一定的輸入電壓Vi和負載條件RL下，可以保持輸出電壓Vo不變。在取樣電路（R1，R2）和穩(wěn)壓二極管（DZ）的穩(wěn)定電壓確定后，輸出電壓就是定值。由于調(diào)整管與負載串聯(lián)，調(diào)整管的發(fā)射極電流等于負載電流，因此稱為串聯(lián)型線性穩(wěn)壓器。調(diào)整管需工作在線性區(qū)，因此穩(wěn)壓器的輸入電壓必須大于設(shè)定輸出電壓與調(diào)整管飽和壓降之和，雙極線性穩(wěn)壓器才能提供穩(wěn)定的輸出電壓［3］。

本試驗選用某國產(chǎn)雙極線性穩(wěn)壓器開展中子輻照試驗。輻照時，對器件施加不同負載，圖1中，輸入電壓Vi=7 V固定；負載電阻RL根據(jù)器件的帶載能力，分別施加1/2負載電阻（電流約為0.5 A）、1/4負載電阻（電流約為0.25 A）、1/8負載電阻（電流約為0.125 A）及不帶載（無RL）。同時一組器件不施加任何偏置，直接放置在輻照環(huán)境中。

圖1 線性穩(wěn)壓器原理圖Fig.1 Schematic diagram of linear regulator

1.3 關(guān)鍵參數(shù)測試

線性穩(wěn)壓器是指輸入電壓Vi或負載RL發(fā)生變化時，能使輸出電壓Vo保持不變的集成電路。主要提供穩(wěn)定、低噪聲的穩(wěn)定電源。所以輸出電壓、線性調(diào)整率和負載調(diào)整率是其最主要參數(shù)。但是根據(jù)測試說明發(fā)現(xiàn)，線性調(diào)整率和負載調(diào)整率是通過測量不同輸入電壓、不同負載下的輸出電壓計算獲得。所以，實驗過程中，在線監(jiān)測線性穩(wěn)壓器在不同負載下的輸出電壓。并在實驗結(jié)束后，對器件不同載荷條件下的性能進行測試，以此檢驗器件在不同負載、不同輸入電壓下的輸出性能。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 輸出電壓在線測試退化趨勢

圖2為雙極線性穩(wěn)壓器分別在空載、1/8載、1/4載、1/2載負載偏置條件下在線測得的輸出電壓隨中子注量的變化曲線。可以看到，隨著中子注量的增加，各種偏置的雙極線性穩(wěn)壓器在線測得的輸出電壓先緩慢下降，在積累到某一中子注量后開始迅速下降。在線測試過程中發(fā)現(xiàn)，隨著輻射偏置電阻的增加，雙極線性穩(wěn)壓器的中子輻照敏感性增大。1/2負載偏置下的雙極線性穩(wěn)壓器，在中子注量約為6×1013n?cm-2時，在線測得的輸出電壓開始明顯下降，當中子注量達到8.5×1013n?cm-2時，在線測得的輸出電壓僅為原來的33%。1/4負載偏置下的雙極線性穩(wěn)壓器在線測得的輸出電壓，在中子注量約為7×1013n?cm-2時開始明顯下降；1/8負載偏置下的穩(wěn)壓器在中子注量達到8×1013n?cm-2時才發(fā)生明顯下降。當中子注量達到8.5×1013n?cm-2時，1/4負載和1/8負載偏置下的雙極線性穩(wěn)壓器在線測得的輸出電壓損傷分別約為50%和40%。而空載偏置下的雙極線性穩(wěn)壓器，當中子注量達到8.5×1013n?cm-2時，在線測得的輸出電壓基本保持不變。

圖2 雙極線性穩(wěn)壓器不同負載下輸出電壓隨中子注量的變化曲線Fig.2 The output voltage curve of bipolar linear regulator under different loads bias with neutron flux

2.2 輻照后，線性穩(wěn)壓器輸出電壓隨負載的變化

為了進一步分析負載對輸出電壓的影響，在雙極線性穩(wěn)壓器中子注量達到8.5×1013n?cm-2輻照后并在器件活化消退后，對在不同偏置條件下輻照后的器件分別在1/2負載（負載電流為0.5 A）、1/4負載（負載電流為0.25 A）、1/8負載（負載電流為0.125 A）、無負載（負載電流為0）的條件下進行輸出電壓的測試，以獲得不同輻照偏置條件下的器件分別在相同測試負載電流下的輸出電壓變化趨勢。圖3為輻照后各器件輸出電壓隨負載電流的變化曲線。圖3中的誤差條反應(yīng)了同組器件多個測試數(shù)據(jù)變化的一致性。從圖3可以看出，不帶載測試時，所有器件的輸出電壓正常；帶有1/8負載測試時，各器件的輸出電壓均降至2.2～2.9 V；帶有1/4負載測試時，各器件的輸出電壓均降至1.7～2.4 V；帶有1/2負載測試時，各器件的輸出電壓均降至1～1.7 V。由此可見，不同輻照偏置條件下的器件在相同測試負載電流下的輸出電壓變化趨勢一致。但測試負載越大，輸出電壓損傷越明顯，說明器件的帶載能力降低，無法驅(qū)動較大的電流。

圖3 輻照后雙極線性穩(wěn)壓器輸出電壓隨負載電流的變化Fig.3 The output voltage curve of bipolar linear regulator under different load current after irradiation

對比圖2和圖3，雖然在實驗過程中實時監(jiān)測結(jié)果顯示不同負載偏置的影響不同，但經(jīng)過對比測試條件和輻照后不同負載電流下的輸出，可以發(fā)現(xiàn)，在線測試時，不同偏置條件下輸出電壓的差異是由中子輻照引起器件帶載能力的降低引起的。不同偏置條件下輻照時，在線測試也處于不同帶載狀態(tài)，使其表現(xiàn)出了不同的輸出電壓變化。

3 中子位移損傷分析

中子不帶電，穿透能力很強，可以充分靠近被輻射材料晶格原子的原子核，與原子核發(fā)生彈性碰撞。晶格原子在碰撞過程中獲取能量，離開原來的點陣位置成為晶格中的間隙原子，而在它原來的位置則留下空位形成弗倫克爾缺陷。如若入射中子的能量足夠高，初始位移原子在碰撞過程中可獲得非常大的能量。在本次試驗中，入射中子的平均能量為1 MeV，初始位移原子得到的平均能量約72.5 keV，而硅原子位移的閾能約15 eV，所以相當多的晶格原子離開它們的點陣位置產(chǎn)生位移，形成缺陷群。中子與晶體管中的Si晶格原子發(fā)生彈性碰撞，使晶格原子離開平衡晶格點，產(chǎn)生空位-間隙原子對，形成缺陷能級。這些缺陷能級位于Si禁帶中，使導(dǎo)帶的空穴更容易躍遷至價帶，價帶的電子更容易躍遷至導(dǎo)帶，增大了由于熱運動激發(fā)的載流子密度，嚴重減小了少數(shù)載流子的壽命。少數(shù)載流子壽命（τ）、純摻雜雜質(zhì)濃度（n）和遷移率（μ）是半導(dǎo)體材料的三個微觀物理參數(shù)，少數(shù)載流子壽命是對中子輻射最敏感的微觀參數(shù)，它的退化是以少數(shù)載流子為導(dǎo)電機理的半導(dǎo)體器件和雙極集成電路發(fā)生中子輻射效應(yīng)的主要因素［7］。

由于中子不帶電，不受電場的影響。而中子與原子作用形成弗倫克爾缺陷時，一方面形成缺陷相對穩(wěn)定，二則原子質(zhì)量較大，受電場影響也較小。所以，輻照過程中，無論是否加電、或帶載多少，其輻照損傷差異不大。

雙極線性穩(wěn)壓器的工作原理可知，其輸出電壓受基準電壓、誤差放大器的性能、以及調(diào)整管的輸出能力影響。而研究發(fā)現(xiàn)，無論是基準電壓的減小，誤差放大器性能的蛻變還是調(diào)整管輸出的變化，都與其對應(yīng)工作的雙極晶體管的增益減小有直接關(guān)系［3］。如圖3所示，輻照后，在無負載條件下測試時，各器件的輸出電壓基本未發(fā)生變化，說明其基準電壓和誤差放大器的性能未發(fā)生大的變化。而隨著中子輻照注量的增大，輸出電流發(fā)生變化，則可能主要是由于其調(diào)整管的輸出能力減弱引起的。如圖1所示，在取樣電路（R1，R2）和穩(wěn)壓二極管（DZ）的穩(wěn)定電壓確定后，輸出電壓就是定值，和輸入電壓及晶體管的增益無關(guān)。電路中的電流是輸入電壓及雙極晶體管增益的函數(shù)［8］。

在中子輻射下，τ、n和μ三個微觀物理參數(shù)都會發(fā)生變化，其中少數(shù)載流子壽命是對中子輻射最敏感的微觀參數(shù)。穩(wěn)壓二極管是基于多數(shù)載流子工作的器件，穩(wěn)定電壓是其最重要的參數(shù)，有實驗表明穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓在中子注量大于1×1015n?cm-2以后變化才比較明顯［9］。而雙極晶體管是基于少數(shù)載流子工作的器件，中子輻照時，形成的缺陷能級使少數(shù)載流子與多數(shù)載流子的復(fù)合率增加，嚴重減小了少數(shù)載流子的壽命，導(dǎo)致基極電流增大，器件的增益降低［10］。因調(diào)整管直接與負載相連，所以調(diào)整管的增益直接決定了器件的負載電流。中子輻照時，調(diào)整管的增益減小，導(dǎo)致其輸出電流降低，引起穩(wěn)壓器的帶載能力減弱，形成帶載條件下輸出電壓的變化。

因此，在開展中子輻照時，一方面可不考慮輻照偏置的影響，另一方面應(yīng)加強在軌應(yīng)用狀態(tài)的控制，合理設(shè)置器件的負載狀態(tài)，以提高其在中子位移損傷環(huán)境下的適應(yīng)能力。雙極線性穩(wěn)壓器可以通過降額設(shè)計，減少器件的電流負載，從而提高器件的空間生存抗位移損傷的能力。

4 結(jié)語

本文研究了不同輻照偏置條件下，雙極線性穩(wěn)壓器的輸出電壓隨中子注量的變化。經(jīng)過輻照過程的實時監(jiān)測和輻照后測試表明，實時監(jiān)測過程中不同偏置條件下輸出電壓的差異主要是由測試負載不同引起的。中子輻照導(dǎo)致雙極線性穩(wěn)壓器的帶載能力嚴重降低，使其失去負載調(diào)整能力。在工程應(yīng)用及考核過程中，應(yīng)根據(jù)器件的在軌應(yīng)用需求，合理選擇負載進行抗輻射評估。電流降額設(shè)計是提高器件抗中子輻照的一種有效方法。