基于晶體三極管的不同中子能譜等效性實驗研究

魯 藝 邱 東 鄒德惠 榮 茹

（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900）

基于晶體三極管的不同中子能譜等效性實驗研究

魯 藝 邱 東 鄒德惠 榮 茹

（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900）

輻射損傷等效性系數(shù)是評價不同中子能譜對樣品的實驗損傷差異的關(guān)鍵。利用晶體管直流增益的倒數(shù)與中子注量呈線性關(guān)系這一特點，采用參數(shù)一致性好的硅雙極晶體管3DG121C作為位移損傷探測器，通過在線監(jiān)測晶體管直流增益隨累積中子注量的變化，分別獲得了CFBR-II堆兩個特定位置的損傷常數(shù)，推導(dǎo)出了不同中子能譜間的輻射損傷等效系數(shù)。結(jié)果表明，CFBR-II不同位置的輻射損傷沒有顯著差異。

輻射效應(yīng)，損傷常數(shù)，等效性系數(shù)，硅雙極晶體管，快中子臨界裝置

在中子輻射效應(yīng)試驗研究中，電子元器件受中子輻照后產(chǎn)生的損傷不僅與中子注量有關(guān)，而且與中子能量和中子作用時間有關(guān)。在相同的中子注量下，不同的中子能譜對器件產(chǎn)生的損傷效應(yīng)有所差異。國外的相關(guān)研究反映了通過測量輻射場對材料的位移損傷特性來表征輻射場能譜特征[1-2]，國內(nèi)也對半導(dǎo)體器件在輻射場中的位移損傷特性做過類似研究[3-4]。

快中子臨界裝置CFBR-II堆作為抗輻射加固性能驗證和考核的重要實驗平臺，由于空間位置的不同，中子能譜和中子注量會有所差異，在相同的中子注量下，不同中子能譜對電子元器件和材料造成的損傷不同。為研究其損傷差異，確定不同能譜間的損傷效應(yīng)關(guān)系是十分重要的。對于單個輻射源來說，只能得到泄露中子在試驗樣品中的損傷常數(shù)，而輻射損傷等效性系數(shù)則表征為不同中子能譜對同種典型樣品的輻射損傷常數(shù)之比。

本研究采用硅雙極晶體管作為中子輻射損傷探測器，利用晶體管直流增益的倒數(shù)的變化值與所受中子注量呈線性關(guān)系這一特點，通過在線監(jiān)測晶體管直流增益隨中子注量的變化規(guī)律，直接給出電子元器件的主要電參數(shù)的失效中子注量，通過數(shù)據(jù)分析進而獲得不同能譜間的損傷等效性系數(shù)。

1 實驗原理

中子不帶電，穿透能力極強，它可以充分地靠近被輻照材料晶格原子的原子核，與原子核產(chǎn)生彈性碰撞。晶格原子在碰撞過程中得到能量，從而離開它正常的點陣位置，成為晶格中的間隙原子（原位置則留下一個空穴）。空穴和間隙原子能夠復(fù)合，但如果中子能量足夠大，使得間隙原子和空位超出彈性力場與庫侖場作用范圍，則產(chǎn)生位移形成弗侖克爾缺陷。同時位移的間隙原子在移動過程中又可以使晶格內(nèi)的更多原子產(chǎn)生位移，進而形成缺陷群。

對于以少數(shù)載流子為導(dǎo)電機理的硅晶體三極管來說，缺陷在基區(qū)材料原子的禁帶中引入了附加能級，它作為附加的復(fù)合中心，嚴重降低基區(qū)少數(shù)載流子壽命，使得來自發(fā)射區(qū)的少數(shù)載流子大量的復(fù)合（輻射效應(yīng)），導(dǎo)致基區(qū)復(fù)合電流增加，宏觀上體現(xiàn)為三極管的直流增益（效應(yīng)參數(shù)）下降。對于一個理想的突變結(jié)、均勻基區(qū)的晶體三極管，當(dāng)中子注量在109-1016cm-2，集電極注入電流在1-100 mA時，中子輻照引起的直流增益變化為[5]：

式中，Δ(1/hFE)為輻照前后晶體三極管直流增益倒數(shù)的變化量；hFE(φ)為中子輻照后的直流增益；hFE(0)為中子輻照前的直流增益；K′為硅材料損傷常數(shù)，cm2?s-1；t為電流為無限大時的基極渡越時間，s；K為損傷常數(shù)（對于晶體三極管也可稱作實驗增益損傷常數(shù)[2]），它是基極渡越時間和器件材料的函數(shù)，cm2；φ為輻照中子注量，cm-2。

K是希望通過試驗獲得的量，根據(jù)式(2)，對于某一特定輻射源，只要測得給定注量條件下樣品直流增益倒數(shù)的變化，就可求出該樣品對于特定輻射源的損傷常數(shù)。等效系數(shù)是不同輻射源間多只樣品損傷常數(shù)平均值的比值：

式中，D為等效系數(shù)；為兩種中子能譜的輻射損傷常數(shù)，分別取每組樣品的平均值，每組樣品數(shù)量不少于10只。

2 實驗方法

2.1樣品的篩選

研究在快中子臨界實驗裝置CFBR-II堆上開展，選用雙極晶體管3DG121C作為唯一的實驗樣品，將其直流增益作為實驗監(jiān)測的效應(yīng)表征參數(shù)。根據(jù)前期對CFBR-II堆不同位置中子能譜分布的理論計算，表明了中子能區(qū)在0.05-4.0時，上半球表面45°方向和圓柱側(cè)面0°方向的中子能譜分布存在明顯差異，結(jié)果如表1所示。

表1 各典型位置的中子能譜Table 1 Neutron spectra of each typical irradiation location in CFBR-II reactor.

因此，選定CFBR-II堆上半球表面45°方向和圓柱側(cè)面0°方向作為實驗研究的典型輻照區(qū)域。根據(jù)GJB548B-2005的相關(guān)要求[6]，在進行輻射損傷研究中，每個區(qū)域的樣品數(shù)量不得少于10只。而器件的個體差異可能會直接影響測量結(jié)果，因此實驗前必須對同類同批次的器件進行嚴格篩選，從中取出一致性好的10只樣品作為一組。

實驗選用BC3193半導(dǎo)體參數(shù)測試儀和BJ3021-QG21型高頻小功率晶體三極管fT測試儀，對三極管的基本電參數(shù)和特征頻率進行測試。表2列出了晶體三極管3DG121C基本電參數(shù)測試條件以及篩選條件。3DG121C特征頻率的測試條件為VCE=10 V、IC=30 mA、f=100 MHz，篩選條件為fT≥300 MHz。

根據(jù)輻照樣品直流增益一致性為97%，特征頻率一致性為96%的控制標(biāo)準(zhǔn)，從測試合格的器件中篩選出了20只作為實驗樣品。

表2 3DG121C測試和篩選條件Table 2 Conditions for test and filtrate of 3DG121C.

2.2樣品布放和輻照板設(shè)計

據(jù)式(3)描述，等效性系數(shù)是不同輻射源間多只樣品損傷常數(shù)平均值的比值，因此每組樣品所受注量的均勻性控制至關(guān)重要，樣品布放和輻照板的設(shè)計必須滿足每組樣品的中子注量均勻性要求。根據(jù)理論計算結(jié)果顯示，CFBR-II堆上半球表面和圓柱側(cè)面同一半徑的圓周上注量相等，因此只要將樣品沿圓周布放就能滿足注量一致性要求。由于兩組樣品是同時輻照的，在保證每組樣品注量均勻性的同時有必要適當(dāng)兼顧不同組間的一致性，這樣才能盡可能地將所有樣品輻照響應(yīng)控制在最敏感范圍內(nèi)。

圖1 CFBR-II堆上半球45°方向Fig.1 45° above CFBR-II hemisphere.

圖2 CFBR-II堆圓柱側(cè)面0°方向Fig.2 0° beside CFBR-II column.

根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)、樣品尺寸和布放要求，CFBR-II堆上半球表面45°方向的輻照板設(shè)計成半徑為170mm的圓弧形，圓柱側(cè)面0°方向的輻照板設(shè)計成半徑為175 mm的圓弧形，每個輻照板分別布放10只樣品，共計布放樣品20只。樣品布局如圖1、圖2所示。

2.3效應(yīng)參數(shù)測試方法

通常的效應(yīng)參數(shù)測試方法有原位測試和移位測試兩大類，其中原位測試又分原位在線測試（輻照和測試同步進行）和原位離線測試（測試時停止輻照）。這些方法原則上均可用于3DG121C的效應(yīng)參數(shù)測試。但為了盡可能排除實驗干擾因素（如退火效應(yīng)）的影響，本次實驗選用了原位在線測試方法進行三極管效應(yīng)參數(shù)的測試，測試原理如圖3所示。

圖3 三極管效應(yīng)參數(shù)在線測試方法Fig.3 Method of in-situ testing on-line.

電源為測試板提供工作電壓VCC，信號源為輻照板上的三極管提供輸入信號VBB，三極管的集電極C和基極B通過矩陣開關(guān)控制，依次與電源和信號源接通使3DG121C正常工作。由圖3，只要獲得了VCC、VRC、VBB和VRB，即可得到：

測試時，通過測試系統(tǒng)的矩陣開關(guān)對輻照板上樣品的測試狀態(tài)進行控制，矩陣開關(guān)選通后，任何時刻只有一只樣品處于測試狀態(tài)，其余樣品管腳處于接地狀態(tài)。輻照板通過排線經(jīng)測試間的測試控制板轉(zhuǎn)接至示波器上；示波器將記錄的波形傳至電腦主機。電腦主機一方面通過矩陣開關(guān)控制輻照板的加電情況，另一方面對示波器傳送過來的波形進行處理，作圖顯示并保存。測試系統(tǒng)中引入矩陣開關(guān)實現(xiàn)效應(yīng)曲線擬合，并控制樣品僅在測試期間處于加電狀態(tài)。測試時，每個在線樣品須進行連續(xù)循環(huán)掃描。

3 實驗測量與結(jié)果分析

3.1實驗測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)由計算機、多功能矩陣開關(guān)、任意波形發(fā)生器、示波器、電源、測試控制電路、晶體管輻照測試電路組成，如圖4所示。

系統(tǒng)采用虛擬儀器的設(shè)計思想，以Labview為開發(fā)平臺，由計算機控制將信號源、Tek示波器和矩陣開關(guān)等硬件，通過GPIB控制器及控制電纜有效結(jié)合起來。輻照板通過長電纜連接至測試間，由計算機控制矩陣開關(guān)的切換對輻照板上的晶體管加電以及輪流掃描，并處理采集的數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)后期處理模塊可以計算放大倍數(shù)，并實時顯示測量位置的中子注量變化情況。

圖4 測試系統(tǒng)組成框圖Fig.4 Sketch map of measure system.

3.2實驗結(jié)果與討論

原始數(shù)據(jù)是在線測試樣品受照中子注量以及此注量下的直流增益，測試系統(tǒng)給出第i(i=1、2、3、…、10)只樣品在注量φi,j下的hFEi,j值(j為循環(huán)掃描次數(shù)，j=0、1、2、3、…、N)。

采用式(2)進行線性擬合得到每一位置對應(yīng)三極管的損傷常數(shù)，對10只樣品的損傷常數(shù)取平均，得到在單個輻照板的損傷常數(shù)。

圖5為CFBR-II堆上半球45°方向和圓柱側(cè)面0°方向輻照板對應(yīng)的直流增益倒數(shù)隨中子注量的變化關(guān)系曲線。

圖5 CFBR-II堆上半球45°方向(a)和圓柱側(cè)面0°方向(b)輻照板直流增益倒數(shù)與中子注量的關(guān)系Fig.5 Relationship between reciprocal gain and neutron fluence of 45° layout (a) and 0° layout (b).

由圖5，隨著中子注量的增加，在上半球45°方向和圓柱側(cè)面0°方向輻照板上三極管性能變化的總體趨勢一致。表3列出了CFBR-II堆上半球45°方向和圓柱側(cè)面0°方向輻照板的輻射損傷常數(shù)以及誤差。

從表3可以看出，在CFBR-II堆上半球45°方向和圓柱側(cè)面0°方向，其輻射損傷效應(yīng)非常一致，未出現(xiàn)明顯的個體差異。因此，可以將兩個輻照板分別視為一個樣本，對每個樣本10只三極管的損傷常數(shù)取平均，得到兩個方向的損傷常數(shù)，根據(jù)式(3)得到了CFBR-II堆上半球45°方向和圓柱側(cè)面0°方向的等效系數(shù)。

表3 輻照損傷結(jié)果Table 3 Results of radiate damage.

從結(jié)果看，CFBR-II堆上半球45°方向和圓柱側(cè)面0°方向這兩個位置的輻射損傷效應(yīng)沒有明顯差異。結(jié)合中子能譜分布的計算結(jié)果分析，是由于這兩個位置的平均中子能量很接近，0°方向的平均能量比45°方向的平均能量略高，所以導(dǎo)致0°方向的輻射損傷常數(shù)比45°方向略高也是合理的。

4 結(jié)語

采用硅雙極晶體管作為中子輻射損傷探測器，利用晶體管直流增益倒數(shù)的變化值與所受中子注量呈線性關(guān)系這一特點，通過在線監(jiān)測晶體管直流增益隨中子注量的變化規(guī)律，直接給出電子元器件的主要電參數(shù)的失效中子注量。通過數(shù)據(jù)處理獲得了在CFBR-II堆上半球45°方向和圓柱側(cè)面0°方向的損傷常數(shù)，其等效性系數(shù)為0.95。

實驗結(jié)果表明，硅雙極晶體管在CFBR-II堆上半球45°方向和圓柱側(cè)面0°方向這兩個位置所受的中子輻射損傷沒有顯著差異。而且，實驗前對器件進行嚴格的電參數(shù)和特征頻率篩選，引起測量差異的概率可以大大降低。

1 Luera T F, Kelly J G, Stein H J, et al. Neutron damage equivalence for silicon, silicon dioxide and gallium arsrnide[J]. IEEE Transaction on Nuclear Science, 1987, NS-34(6): 1557-1563

2 ASTM.E1855-05 Standard test method for use of 2N222A silicon bipolar transistors as neutron spectrum sensor and displacement damage monitor[S]. West Conshohocken, United States: Standards Press of ASTM, 2005

3 邱東, 鄒德慧. 基于CFBR-II堆中子輻射場的硅整流二極管輻射效應(yīng)試驗研究[J]. 核動力工程, 2010, 31(1): 127-130

QIU Dong, ZOU Dehui. The experiment study of irradiation effect of silicon commutation diode on CFBR-II neutron field[J]. Nuclear Power Engineering, 2010, 31(1): 127-130

4 鄒德慧, 邱東. 基于三極管的CFBR-II堆輻射損傷常數(shù)測定[J]. 核動力工程, 2010, 31(1): 140-142

ZOU Dehui, QIU Dong. Measurement of radiation damage constant about bipolar transistor of CFBR-II[J]. Nuclear Power Engineering, 2010, 31(1): 140-142

5 陳盤訊. 半導(dǎo)體器件和集成電路的輻射效應(yīng)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 2005: 86-87

CHEN Panxun. Irradiation effect of semiconductor and molectron[M]. Beijing: National Defence Industy Publishing Company, 2005: 86-87

6 中國人民解放軍總裝備部. GJB548B-2005, 微電子器件試驗方法和程序-方法1017中子輻照[S]

Equipment HQ of People’s army of China. GJB548B-2005, Examinations and programs about micro-electronics - means 1017 neutron radiation[S]

CLCTL81

Experiment study on equivalence of different neutron spectra based on transistors

LU Yi QIU Dong ZOU Dehui RONG Ru
(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background:The damage equivalence coefficient is the key factor to appraise the difference of radiation damage between different neutron spectra. Purpose: This research is to obtain the equivalence coefficient of radiation damage between two different neutron spectra. Methods: The silicon bipolar transistors (3DG121C) with good similarity of parameters have been employed as the displacement damage monitors based on the liner relationship between the reciprocal of direct current gain and the neutron flux. Results: The radiation damages of two sets of selected 3DG121C transists placed at the two special sites on CFBR-II have been obtained by the in-situ on-line measuring of the change of gain with the accumulation of neutron flux, and the equivalence coefficient were deduced. Conclusion: The results show that the damage constants at different sites on CFBR-II are of great similarity.

Radiant effect, Damage constant, Equivalence coefficient, Silicon bipolar transistors, Fast neutral critical assembly

TL81

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060403

中國工程物理研究院科技發(fā)展基金項目(No.2012B0103006)資助

魯藝，女，1969年出生，2006年于四川大學(xué)獲碩士學(xué)位，副研究員，主要從事核探測技術(shù)與核儀器儀表研究

2013-10-12，

2013-12-19