3DG111F等四種雙極晶體管空間總劑量效應(yīng)研究

代佳龍，馮偉泉，趙春晴，沈自才，鄭慧奇，丁義剛，劉宇明，牟永強

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

空間粒子輻射環(huán)境是誘發(fā)航天器異常和故障的主要原因之一。這些帶電粒子與航天器及其所應(yīng)用的電子元器件、材料等相互作用，產(chǎn)生多種空間輻射效應(yīng)，從而影響航天器的正常、穩(wěn)定工作，甚至飛行安全。

隨著我國航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，用于衛(wèi)星、飛船的電子元器件不但要求高性能，而且更要求高可靠性。雙極晶體管（BJT）具有良好的電流驅(qū)動能力、線性度、低噪聲以及優(yōu)良的匹配特性，以其高速、耐久性以及功率控制能力一直備受關(guān)注，常用于空間系統(tǒng)，包括運算放大器、比較器以及電壓調(diào)整器等?？臻g輻射環(huán)境對 BJT會造成累積電離損傷總劑量效應(yīng)（TID）?？倓┝颗c航天器的運行軌道、姿態(tài)（傾角）、軌道的高度及太陽活動峰年密切相關(guān)。此外，不同廠家、不同工藝、甚至同一工藝不同批次生產(chǎn)的元器件對電離輻射損傷都具有不同的敏感性。

空間總劑量效應(yīng)可以用鈷源γ射線來模擬。鈷源產(chǎn)生的γ射線與物質(zhì)作用時，主要是產(chǎn)生康普頓效應(yīng)。該效應(yīng)產(chǎn)生的電子引起物質(zhì)電離，同時發(fā)生能量沉積；這些沉積在元器件中的能量會使元器件性能參數(shù)發(fā)生退化。該效應(yīng)與空間帶電粒子輻射環(huán)境產(chǎn)生的總劑量效應(yīng)是等效的，因此可以在地面用鈷源γ射線來模擬空間總劑量效應(yīng)。

本文對3DG111F等4種雙極晶體管進行總劑量輻照試驗、測量、并對試驗結(jié)果分析。研究旨在為單機總劑量效應(yīng)引起的故障原因分析提供試驗依據(jù)。

1 空間粒子輻射環(huán)境

空間粒子輻射環(huán)境由地球輻射帶、太陽耀斑、銀河宇宙線的高能粒子組成。地球輻射帶（亦稱范·艾倫帶）主要由地球磁場俘獲電子（能量低于7 MeV）和質(zhì)子（能量低于500 MeV）構(gòu)成，分為內(nèi)輻射帶和外輻射帶。內(nèi)輻射帶為赤道平面約 600～10 000 km高度的區(qū)域，主要成分是高能質(zhì)子，最大通量密度位置在2Re（Re為地球半徑）處，電子的能量低于5 MeV，最大通量密度位置在1.5 Re。外輻射帶為赤道平面約10 000～60 000 km高度的區(qū)域，主要是由電子組成（比內(nèi)輻射帶電子通量密度高10倍）。

NASA開發(fā)的AE/AP系列模型[1]是地球輻射帶的基本模型，也是目前最常用的模型。按照LEO和GEO的空間B-L坐標，AP8和AE8模型給出了 100 keV～500 MeV范圍內(nèi)的質(zhì)子、40 keV～7 MeV范圍內(nèi)的電子的全方向的通量的估計值。模型區(qū)分了太陽活動最大和最小的條件：對于質(zhì)子，太陽活動最小時的通量大于太陽活動最大時通量；電子的情況則正好相反。AP8和AE8模型不包括地磁亞暴或短期太陽變化導(dǎo)致的輻射通量的瞬時變化?？臻g質(zhì)子通量密度隨質(zhì)子能量降低而升高，直到最低能量100 keV。AP8模型是根據(jù)探測數(shù)據(jù)建立的，由于探測低能質(zhì)子的傳感器技術(shù)難度較大，AP8模型沒有低于100 keV的數(shù)據(jù)，實際上是存在的[2]。銀河宇宙線（galaxy cosmic rays）由來自銀河系各個方向的高能帶電粒子流組成，其成分為：85%的質(zhì)子（氫核），14%粒子或氦核，1%重離子（Z＞4），Z＞26的重離子很少，能量范圍在10 GeV以下。銀河宇宙線在太陽活動周期谷年時最大。銀河宇宙線粒子相比地球輻射帶而言通量很小，但由于其能量非常高，屏蔽一般不起作用。太陽耀斑（solar flares）往往伴隨著大量高能粒子的噴發(fā)，主要為高能質(zhì)子（90%），能量為10～1 000 MeV，也包括少量的α粒子和重離子。噴發(fā)時會造成粒子通量的增加，通常會持續(xù)幾個小時到一周以上，但典型情況下持續(xù)2～3 d。

輻射環(huán)境模型取AE8(min)、AP8(min)和JPL1991年太陽耀斑質(zhì)子，計算低地球軌道(500 km/28°)電離總劑量為 1.2 krad(Si)/a，對于地球同步軌道（35 780 km/0°）電離總劑量為52 krad(Si)/a[3]。星上器件在空間接收的輻射劑量率范圍一般為10-4～10-2rad(Si)/s，地面試驗如果使用此劑量率進行模擬，將耗費大量的時間，所以在工程應(yīng)用上需采取加速試驗方法。

2 總劑量輻照試驗

2.1 輻照器件與測試參數(shù)

輻照器件：高頻小功率三極管 3DG111F，高頻三極管3DG162J，高頻三極管3DG180C，小功率三極管3DK9H共4種。其中，每種4只，共16只，放置在一塊電路板上，使用“零插力插座”固定器件，避免了大量測試造成管腳損壞。

測試參數(shù)是電流增益HFE和飽和管壓降VCES。

1）HFE是共發(fā)射極正向電流傳輸比靜態(tài)值，即晶體管集電極電流IC與基極電流IB的比值，它表征晶體管的放大能力。根據(jù)各型號試驗樣品生產(chǎn)廠家提供的器件手冊，試樣的參數(shù)合格判據(jù)標準取值范圍見表1。

表1 各器件電流增益HFE取值范圍Table 1 Range of current gain(HFE) for various devices

2）VCES為晶體管的集電極—發(fā)射極飽和管壓降，指晶體管進入飽和區(qū)工作狀態(tài)，集電極電流不隨基極電流增加而增加時的集電極—發(fā)射極壓降。VCES的大小跟晶體管的制造工藝關(guān)系密切。根據(jù)各型號試驗樣品生產(chǎn)廠家提供的器件手冊，試樣合格判據(jù)標準取值范圍見表2。

表2 各器件飽和管壓降VCES取值范圍Table 2 Range of VCES for various devices

參數(shù)測量分別在試驗前、試驗過程中和試驗后進行，共測量10～12次。為保證試驗精確性，按照美軍標MIL-STD-883要求，每次測試時間在輻照后2 h內(nèi)完成。

2.2 偏置電路

輻照期間晶體管加15 V直流電壓，發(fā)射結(jié)正偏，單一晶體管偏置電路示意圖見圖1。

晶體管正常工作狀態(tài)為IB=0.1 mA，IC=1 mA，VCES=70 mV。經(jīng)電路模擬測得的結(jié)果為：IB=0.1 mA，IC=0.988 mA，VCES=68.193 mV，符合正常工作狀態(tài)要求。

圖1 輻照偏置電路示意圖Fig. 1 Schematic diagram of radiation bias circuit

2.3 輻射源及輻照均勻性分析

輻射源選取北京輻射中心（位于北京師范大學(xué)內(nèi)）60Co γ放射源，源結(jié)構(gòu)為豎直棒源結(jié)構(gòu)，直徑為12 mm, 棒高度為48 cm, 活度為3 000 Ci，輻照電路板在源棒高度中心位置，距源棒740 mm。輻照裝置的結(jié)構(gòu)布局如圖2所示。

圖2 輻照裝置結(jié)構(gòu)布局圖Fig. 2 Layout of the structure for radiation device

根據(jù)GJB 5422—2005總劑量輻照試驗標準建議，選擇輻照劑量率為 1 rad(Si)/s，均勻性小于10%，輻照總劑量為器件全部失效時的劑量。

γ放射源在空氣中的吸收劑量率的計算公式[4]為

式中：A表示放射源的活度；τ表示照射率常數(shù)；R表示測量點中心到放射源中心的距離；Kd表示考慮到放射源本身衰變的校正系數(shù)。由于鈷源的半衰期為 5.27 a，在短時間的試驗中，其由于半衰問題引起的誤差可以不予考慮，我們可以得到簡化公式：

由于該放射源為豎直放置的柱狀源，其在線路板垂直方向上的分布是均勻的，故只需要考慮水平方向上的不均勻性。設(shè)試件板寬為200 mm，輻照空間內(nèi)的輻照劑量率分布關(guān)系如圖3所示。

圖3 劑量率計算示意圖Fig. 3 Sketch map of calculation for dose rate

圖3中R表示放射源中心與試件板中心的距離，Dmax和Dmin分別表示輻照區(qū)域最大和最小的劑量率，放射源中心到輻照區(qū)域最遠的距離為

由不均勻度定義

取最大值，則為

將公式(2)和公式(3)代入公式(5)有

求解得：R≈212 mm。

試驗過程中，線路板位置 R=740 mm，達到1 rad(Si)/s的輻照劑量，滿足均勻性要求。

2.4 輻照試驗流程

詳細的試驗流程見圖4所示。

圖4 輻照試驗流程圖Fig. 4 Flow chart of irradiation testing

3 試驗結(jié)果

3.1 晶體管3DG111F

通過試驗發(fā)現(xiàn)晶體管增益HFE出現(xiàn)明顯降低，達到120 krad(Si)劑量后，#1、#2器件HFE從155下降到120，相比初始值降低了30%；#3器件從135下降到117，#4器件從137下降到105。以上數(shù)據(jù)說明該參數(shù)對輻照非常敏感（如圖5）。

圖5 3DG111F參數(shù)HFE變化曲線Fig. 5 Curve of 3DG111F parameter HFE ’s variation

參數(shù) VCES則出現(xiàn)不同程度的增大的情況（如圖6）：#1器件由67 mV升到77 mV，#2器件本身飽和管壓降VCES為128 mV，明顯大于其他3個器件的VCES，說明存在個體差異，輻照后由128 mV升到129 mV；#3器件由62 mV上升到73 mV；#4器件由65 mV上升到69 mV。

圖6 3DG111F參數(shù)VCES變化曲線Fig. 6 Curve of 3DG111F parameter VCES ’s variation

3.2 晶體管3DG162J

對于晶體管3DG162J，參數(shù)HFE下降非常明顯，劑量達到5 krad(Si)后，4個器件的HFE參數(shù)均低于55，說明器件已經(jīng)失效，其抗總劑量水平非常差（見圖7）。

圖7 3DG162J參數(shù)HFE變化曲線Fig. 7 Curve of 3DG162J parameter HFE ’s variation

參數(shù)VCES出現(xiàn)不同程度的升高，該參數(shù)的失效判據(jù)是大于0.5 V，而器件在達到120 krad(Si)輻照后未失效，但其對總劑量的敏感性很大，隨劑量增大VCES增大明顯： #1器件由130 mV上升到149 mV，#2器件由150 mV上升到185 mV，#3器件由209 mV上升到263 mV，#4器件由111 mV上升到175 mV（見圖8）。

圖8 3DG162J參數(shù)VCES變化曲線Fig. 8 Curve of 3DG162J parameter VCES ’s variation

3.3 晶體管3DG180C

試驗發(fā)現(xiàn)達到 120 krad(Si)劑量后，晶體管3DG180C增益HFE出現(xiàn)明顯降低：#1器件從86下降到82，#2器件從92下降到79，#3器件從84下降到78，#4器件從84下降到78。HFE參數(shù)對輻照非常敏感。圖9中除2#外，其他曲線出現(xiàn)先上升后下降的原因是某些器件在試驗初始階段出現(xiàn)了輕微的退火，參數(shù)性能有一定的恢復(fù)。

圖9 3DG180C參數(shù)HFE變化曲線Fig. 9 Curve of 3DG180C parameter HFE ’s variation

該器件的VCES隨輻照劑量增大而變化較?。ㄈ鐖D10所示），但變化具有波動性，說明該參數(shù)的變化不完全取決于劑量的變化，跟器件本身特性和工藝也有關(guān)。

圖10 3DG180C參數(shù)VCES變化曲線Fig. 10 Curve of 3DG180C parameter VCES ’s variation

3.4 晶體管3DK9H

對于器件3DK9H，試驗發(fā)現(xiàn)其增益HFE略有降低，達到120 krad(Si)劑量后，#1器件從33.4下降到31，#2器件從35.8下降到31.4，#3器件從33.6下降到31，#4器件從34.3下降到31.2。但HFE參數(shù)變化幅度較小，說明該器件對輻照不敏感（圖11）。

圖11 3DK9H參數(shù)HFE變化曲線Fig. 11 Curve of 3DK9H parameter HFE ’s variation

參數(shù)VCES出現(xiàn)不同程度的增大的情況：#1器件由257 mV變化到260 mV，#2器件由255 mV升到261 mV，#3器件由264 mV上升到269 mV，#4器件由267 mV上升到269 mV。該器件的VCES隨輻照劑量增大而增大，在40～80 krad(Si)劑量區(qū)間增大幅度明顯；在達到110 krad(Si)輻照劑量后，出現(xiàn)一定的恢復(fù)（如圖12）。該器件的VCES變化較其他型號的器件出現(xiàn)多次反復(fù)，這說明在輻照過程中該參數(shù)變化不完全取決于劑量的增加，而跟器件的本身特性和工藝有關(guān)。

圖12 3DK9H參數(shù)VCES變化曲線Fig. 12 Curve of 3DK9H parameter VCES ’s variation

4 分析與討論

從4種器件的γ射線輻照效應(yīng)結(jié)果，我們可以看到4種器件的HFE參數(shù)隨輻照劑量的增加而有不同程度的退化：3DG111F、3DG162J與3DG180C這3種三極管在120 krad(Si)劑量輻照后，參數(shù)指標下降達到30%，退化非常明顯； 3DK9H的HFE參數(shù)退化較小，在 120 krad(Si)輻照劑量時僅下降11%，可見其抗總劑量能力較高。

對于4種器件的參數(shù)VCES，同樣隨著輻照劑量的增加而出現(xiàn)退化：3DG111F、3DK9H和3DG180C均隨劑量增加而增加，增加幅度比較小，但變化具有一定波動性，對輻照不夠敏感；3DG162J則隨輻照劑量增加而增大非常明顯，最高較初始值增大57%，性能退化明顯，表明該型號器件參數(shù) VCES對輻照較敏感。

γ射線與物質(zhì)相互作用的主要效應(yīng)是康普頓散射效應(yīng)、光電效應(yīng)和電子對效應(yīng)。60Co源γ射線的平均能量是 1.25 MeV，其康普頓散射效應(yīng)占優(yōu)。康普頓散射是光子與核外電子發(fā)生非彈性碰撞，光子把部分能量轉(zhuǎn)移給電子使其電離，產(chǎn)生電子-空穴對，而能量降低了的光子沿著與原運動方向不同的角度散射出去，當(dāng)散射光子能量超過電離閾值時，會繼續(xù)產(chǎn)生電離作用。對于雙極器件，均采用SiO2絕緣層，電離輻射直接的結(jié)果使整個SiO2絕緣層內(nèi)引入附加的正俘獲電荷及在 Si/SiO2界面產(chǎn)生界面態(tài)[5]。

電離輻射在SiO2中產(chǎn)生電子-空穴對，無電場時，這些電子-空穴對將重新復(fù)合；存在電場時，電子-空穴逃逸復(fù)合的幾率增加，逃逸復(fù)合的電子-空穴對被氧化物中以及 Si/SiO2界面處的缺陷所俘獲的概率很大，由于電子在氧化物中的遷移率要遠高于空穴，因此這些沒有復(fù)合的大部分電子在氧化物中電場的作用下漂向電極，而大部分移動緩慢的空穴則被氧化物陷阱俘獲形成正氧化物電荷，氧化物俘獲正電荷分布于SiO2靠近Si/SiO2界面處約若干nm厚的薄層內(nèi)，其改變了表面勢位。

界面態(tài)的形成則是電離輻射在Si/SiO2界面的SiO2一側(cè)使部分 SiO2價鍵斷裂，另外電離空穴或H+到達界面引起相互作用，產(chǎn)生隨機分布的3價硅原子，破壞了硅晶格勢場的周期性，將硅導(dǎo)帶、價帶中的部分能態(tài)擾動至禁帶中，在界面處引入了界面態(tài)。表面態(tài)可帶負電，也可帶正電，取決于和本征費米能級的關(guān)系。

雙極晶體管增益HFE倒數(shù)的表達式為

式中：IRB為基區(qū)體復(fù)合電流，即注入電子通過基區(qū)時復(fù)合的電流；ID為由基區(qū)擴散入發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子電流；IRG為發(fā)射極—基極耗盡層的復(fù)合電流；IS為表面復(fù)合電流；ICBO為集電極—基極反向電流。

Si/SiO2界面性能退化而使器件失效的γ射線總劑量約為體內(nèi)位移損傷引起失效的總劑量的1/50[5]。對于雙極器件的電離輻射效應(yīng)而言，以表面損傷為主，即不考慮IRB隨輻射的變化；而ID受輻射的影響可忽略不計。電離輻射在界面產(chǎn)生的正電荷俘獲和界面態(tài)，引起輕摻雜的基區(qū)表面耗盡，降低了少數(shù)載流子壽命，也使載流子表面復(fù)合速度增加，所以IRG和IS隨著劑量的增加而增加，導(dǎo)致雙極晶體管增益HFE隨劑量增加而退化，最終導(dǎo)致器件失效。

5 結(jié)論

空間粒子輻射會引起雙極晶體管氧化物俘獲電荷和表面態(tài)密度增加，使表面勢位增加，引起輕摻雜的基區(qū)表面耗盡，使載流子表面復(fù)合速度增加。復(fù)合速度的大量增加使晶體管增益HFE隨劑量增加而明顯下降，當(dāng)試驗輻照劑量達到120 krad(Si)時，除晶體管3DK9H外，其他3種雙極晶體管全部失效，表明雙極晶體管的HFE對總劑量輻照非常敏感。而它們的飽和管壓降 VCES隨輻射劑量增大也發(fā)生一定退化，在劑量達到 120 krad(Si)時，飽和管壓降VCES增大5%左右，沒有像增益HFE那樣嚴重。通過上述試驗研究，了解了這些器件的總劑量退化特性，為下一步進行含有這些器件的單機總劑量試驗結(jié)果分析提供了依據(jù)。

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