星載DC－DC電源轉換器總劑量輻射損傷效應研究

高 博，余學峰，任迪遠，李豫東，李茂順，崔江維，王義元，吾勤之，劉偉鑫

（1.中國科學院 新疆理化技術研究所，新疆 烏魯木齊 830011；2.新疆電子信息材料與器件重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國科學院研究生院，北京 100049；4.上海航天技術研究院 第八○八研究所，上海 201109）

自20世紀80年代以來，隨著分布式供電系統(tǒng)的出現(xiàn)，DC－DC電源轉換器得到了廣泛應用，尤其是功耗低、重量輕、效率高、可靠性高等特點，使得它在航空航天電子控制系統(tǒng)中有著很大的發(fā)展前景。DC－DC電源轉換器應用于航空航天電子系統(tǒng)時，在其供電的系統(tǒng)中，電壓最高、電流最大，是系統(tǒng)中出現(xiàn)問題影響最嚴重的器件［1－2］。同時，由于空間存在大量的帶電粒子及射線，當DC－DC電源轉換器應用于航空航天電子系統(tǒng)時，會受到自然輻射的影響，引起電參數(shù)的變化，嚴重時可能導致器件功能失效，進而影響衛(wèi)星的可靠性，縮短衛(wèi)星的使用壽命。因此，為在航空航天電子系統(tǒng)中更好地運用星載DC－DC電源轉換器，需研究它的輻射損傷效應，了解其抗輻射性能。

本文對國外某公司低功率、雙輸出型DC－DC電源轉換器在不同負載（空載、1／4功率負載、1／2功率負載、滿功率負載）、不同輸入電壓（最小輸入電壓、典型輸入電壓、最大輸入電壓）條件下的輸入電流Iin、正路／負路輸出電壓Vout、正路輸出電流Iout、抑制模式下的輸入電流Iinhibit等參數(shù)進行測試，研究星載DC－DC電源轉換器總劑量輻射損傷效應，對器件抗輻射保障技術提供指導，為該型號DC－DC電源轉換器在航空航天中的應用提供參考。

1 樣品與實驗

DC－DC電源轉換器的工作原理是將一種直流電壓通過由脈沖信號控制的功率開關管轉換為交流，再經(jīng)過輸出整流濾波轉換為另外一種（固定的或可調的）直流電壓，以實現(xiàn)直流功率轉換［2］。

實驗樣品是美國VPT公司生產(chǎn)的H級小功 率 DC－DC 電 源 轉 換 器，15W 的DVHF2812DF 和 30W 的 DVTR2815DF［3］。電離輻照實驗在中國科學院新疆理化技術研究所2.59×1015Bq的60Coγ射線源上進行，輻照總劑量達到4×102Gy（Si）。利用FeSO4熱釋光劑量片對劑量率進行標定，輻照劑量率為0.5Gy（Si）／s。

按照國家軍用標準《半導體器件輻射加固實驗方法γ總劑量輻射實驗》（GJB548B－1019），對器件進行輻照及退火實驗。器件進行總劑量4×102Gy（Si）的輻照實驗，輻照后先對器件進行電參數(shù)測試，然后在室溫下退火24h，再對器件追加總劑量的50%（2×102Gy（Si））輻照，最后進行80℃高溫退火實驗。輻照和退火時器件的偏置條件相同，即受試器件處于1／2功率負載偏置條件下：受試器件的電源電壓輸入端施加28V直流電壓，控制端按規(guī)定施加相應的電平或空置，輸出端接1／2功率負載電阻。測量參數(shù)包括：Iin、Vout、Iout、Iinhibit，測量時間不超過30min。

2 結果與討論

2.1 實驗結果

圖1示出不同負載、不同輸入電壓下器件的輸出電壓Vout隨總劑量、退火時間的變化關系。由圖1可看出，DVTR2815DF型DC－DC電源轉換器的輸出電壓隨總劑量、退火時間無明顯變化，經(jīng)過4×102Gy（Si）總劑量輻照后，DVHF2812DF型DC－DC電源轉換器的輸出電壓無明顯變化，但在隨后的室溫退火中滿功率負載下的輸出電壓出現(xiàn)了不同程度的后損傷效應，下降近15%。追加劑量輻照時，除滿功率負載下的輸出電壓繼續(xù)減小外，1／4功率負載、1／2功率負載下的輸出電壓也發(fā)生了不同程度的變化，但高溫退火24h輸出電壓恢復正常。滿功率負載下輸出電壓衰減得最嚴重。

圖2、3為不同負載、不同輸入電壓下器件的Iin、Iout隨總劑量、退火時間的變化關系。從圖中可看到，DVTR2815DF型DC－DC電源轉換器的Iin、Iout隨總劑量、退火時間無明顯變化。DVHF2812DF型DC－DC電源轉化器在追加50%劑量輻照時，除空載條件下的Iin無明顯變化外，其他負載條件下Iin隨總劑量的增加而

減小，有的下降了70%左右，高溫退火24h后恢復至初始值附近。Iout在追加50%劑量時發(fā)生了不同程度的減小，同樣在高溫退火24h后恢復至初始值附近。

圖3 輸出電流Iout隨總劑量、退火時間的變化關系Fig.3 Output currents versus total dose and annealing time

圖4示出不同負載、不同輸入電壓時器件Iinhibit隨總劑量、退火時間的變化關系。從圖中可看到，Iinhibit隨著追加劑量的增加而增大，高溫退火24h后恢復到初始值附近。

圖4 抑制模式下輸入電流Iinhibit隨總劑量、退火時間的變化關系Fig.4 Input current of inhibition mode versus total dose and annealing time

2.2 討論

電離總劑量輻射效應主要是帶電粒子（如低能電子、質子等）、X、γ射線與 MOS器件中柵介質作用的結果。光子和帶電粒子在電離輻射作用下，通過物體時被吸收或減速將損失的能量傳遞給原子，原子電離產(chǎn)生電子空穴對，這些電子空穴對通過復合、漂移、擴散、積累等，從而在SiO2絕緣層中產(chǎn)生氧化物陷阱電荷并在Si－SiO2界面產(chǎn)生界面態(tài)陷阱電荷，導致 MOS器件構成的集成電路的性能參數(shù)顯著變化，以致功能失效［4－5］。

功率 MOSFET是DC－DC電源轉換器中對電離輻射較為敏感的器件［6－9］。輻照時，由于氧化物陷阱電荷和界面態(tài)陷阱電荷共同作用，使得功率MOSFET的閾值電壓負向漂移，但由于功率MOSFET柵氧化層較厚，同時柵極正偏，導致柵氧化層中俘獲的氧化物陷阱電荷數(shù)量很多，遠大于界面陷阱電荷對閾值電壓漂移產(chǎn)生的影響。由于柵氧化層正的氧化物電荷的累積，功率MOSFET的開啟電壓在輻照時隨著總劑量的增加表現(xiàn)為負向漂移，從而導致功率MOSFET閾值電壓的嚴重退化。DVHF2812DF型DC－DC電源轉化器的電參數(shù)在追加劑量輻照時發(fā)生了明顯的漂移。我們認為，在前期輻照時積累的大量氧化物正電荷在室溫時退火的數(shù)量很少，導致追加輻照時和新產(chǎn)生的氧化物正電荷共同作用使得器件的參數(shù)發(fā)生大的變化。輻射誘導空穴的退火可分為隧道退火和熱激發(fā)退火兩種模型［10］，實驗中忽略了因電場引起勢壘降低而引發(fā)的隧道注入。在熱發(fā)射模型中，氧化物正電荷激發(fā)到價帶的幾率與陷阱相對于SiO2價帶的能量成指數(shù)關系。熱發(fā)射退火以熱發(fā)射前沿Φm（t）為其特征：

式中：T為絕對溫度；K為玻爾茲曼常數(shù)；q為基本電荷；A為與空間俘獲截面有關的參數(shù)。

所有能量小于Φm的空穴被熱發(fā)射退火，而大于Φm的空穴仍被陷阱俘獲。室溫退火時，氧化層中大量靠近界面較淺能級的亞穩(wěn)態(tài)俘獲空穴的能量小于Φm，發(fā)生退火，迅速被激發(fā)到價帶，可能隨機躍遷進入界面和襯底。實驗中只有少量的淺能級俘獲空穴在室溫中退火，大量深能級俘獲空穴由于能量大于Φm繼續(xù)被俘獲，因此，深能級俘獲空穴的數(shù)量遠多于淺能級。功率MOSFET的柵氧層很厚，同樣也說明了被俘獲的空穴位于深能級的較多。在追加輻照時，新俘獲的空穴和未退火的深能級俘獲空穴共同作用，使得器件的電參數(shù)發(fā)生顯著變化。同時，在高溫退火初期，參數(shù)恢復到正常值附近，說明深能級俘獲空穴隨著溫度的升高快速退火，用熱激發(fā)模型可很好地解釋這一現(xiàn)象。

DVTR2815DF型DC－DC電源轉換器的輸入電流、輸出電流和輸出電壓在輻照和退火過程中無明顯變化，只有抑制模式下輸入電流在追加50%總劑量輻照時，出現(xiàn)了明顯的增大。相比其他電參數(shù)，抑制模式下輸入電流在總劑量輻照時更加敏感，在評估輻射性能時應引起足夠的注意。對于DVHF2812DF型DC－DC電源轉換器在追加50%總劑量輻照時，電參數(shù)均出現(xiàn)了不同程度的退化。雖然40W以下的小功率模塊設計上全部采用了反激拓撲結構，但兩個不同型號電源模塊的功率不同。因此，導致了實驗結果的不同，這與文獻［3］敘述的不一致，對其考核抗輻射能力時，應區(qū)別對待。在滿載情況下輸出電壓退化最嚴重，這與文獻［3］中提到的一致。

在不同輸入電壓、相同負載條件下器件參數(shù)隨總劑量、退火時間的變化趨勢是一致的，而在相同輸入電壓、不同負載條件下參數(shù)的變化差異很大。滿功率負載條件下，器件參數(shù)隨總劑量、退火時間的變化最明顯。這主要是由于在滿功率負載條件下，負載電阻最小，輸出的電流最大，而此時DC－DC電源轉換器中對輻射損傷最敏感的功率MOSFET開啟時所需的開啟電壓隨輻照劑量變化最靈敏。輻照引起開啟電壓微小的差異均會在輸出端產(chǎn)生很大的變化，這就是在滿功率負載條件下，器件參數(shù)隨總劑量、退火時間變化的最明顯的原因。同時在空載條件下，功率MOSFET未開啟，因此此時參數(shù)隨總劑量、退火時間的變化不明顯。

3 結論

在不同負載、不同輸入電壓條件下，測試了器件Iin、Vout、Iout、Iinhibit隨總劑量、退火時間的變化關系。抑制模式下輸入電流隨總劑量、退火時間的變化是較敏感的參數(shù)，不同型號的器件在追加輻照時均發(fā)生了顯著變化，考核器件抗輻射能力時，應對其進行測試。由于氧化物正電荷的積累，且在室溫退火時較深能級的俘獲空穴未退火，導致在追加劑量時器件的參數(shù)發(fā)生明顯變化。同時，在高溫退火初期，參數(shù)恢復到正常值附近，也說明深能級俘獲空穴的退火和溫度有很大的關系，用熱激發(fā)模型可很好地解釋這一現(xiàn)象。滿功率負載下器件的參數(shù)隨總劑量的變化最大。

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