星用光電器件位移損傷評(píng)估方法

李 慶，韋錫峰，肖文斌，俞佳江

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

0 引言

近年來(lái)，隨著新型光電器件在衛(wèi)星上的廣泛應(yīng)用，因位移損傷效應(yīng)引起的航天器故障不斷發(fā)生，例如：美國(guó)TOPEX/Poseidon衛(wèi)星的光電耦合器受質(zhì)子輻射產(chǎn)生位移損傷造成性能退化，在軌運(yùn)行2年后失效[1]；Chandra太空望遠(yuǎn)鏡的CCD相機(jī)因位移損傷導(dǎo)致分辨率降低[2]；我國(guó)“遙感八號(hào)”衛(wèi)星反作用飛輪因光電編碼器組件產(chǎn)生位移損傷導(dǎo)致在軌工作異常等?？梢?jiàn)，位移損傷已經(jīng)成為繼電離總劑量、單粒子和充放電效應(yīng)外決定衛(wèi)星抗輻射能力的另一重要因素。

針對(duì)位移損傷效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了諸多研究工作。王祖軍等[3]通過(guò)CCD質(zhì)子輻照損傷實(shí)驗(yàn)，比較了不同能量質(zhì)子輻照下CCD敏感參數(shù)的退化以及功能失效時(shí)的累積輻照注量，分析了CCD位移輻射效應(yīng)的損傷機(jī)理。李錚等[4]選取了一種典型的光電耦合器GH302，在70 MeV以上高能量范圍開(kāi)展了質(zhì)子輻照試驗(yàn)，獲得了器件的電流傳輸比（CTR）隨等效劑量的變化規(guī)律。此外，黃紹艷[5]、吳宜勇等[6]也分別選擇光敏晶體管、GaAs/Ge太陽(yáng)電池等光電器件開(kāi)展了位移損傷輻照實(shí)驗(yàn)，獲得了相應(yīng)器件的退化曲線。鄒德慧等[7]則從試驗(yàn)測(cè)量的角度對(duì)位移損傷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。除了實(shí)驗(yàn)研究外，Insoo Jun[8]、王傳珊[9]等人利用 MCNPX、SHIELD等軟件包，以太陽(yáng)同步軌道的電子和質(zhì)子能譜作為粒子源，對(duì)其在器件硅材料中的電離和非電離能損進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。雖然目前針對(duì)器件位移損傷，已經(jīng)取得較多的試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)，但如何利用這些數(shù)據(jù)對(duì)星用光電器件的在軌性能退化進(jìn)行評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上提出抗輻射加固設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求，是當(dāng)前工程實(shí)踐中亟需解決的問(wèn)題。

為此，本文選取GaAs太陽(yáng)電池、CCD、光電耦合器和光敏晶體管等星用典型光電器件，根據(jù)其在地面模擬輻照環(huán)境下的退化行為，對(duì)位移損傷效應(yīng)進(jìn)行了表征，并結(jié)合空間輻射環(huán)境的仿真分析結(jié)果，提出一種通用的位移損傷效應(yīng)評(píng)估方法，最后通過(guò)應(yīng)用實(shí)例證明了該方法的有效性。

1 典型光電器件位移損傷效應(yīng)表征

位移損傷效應(yīng)是入射粒子轟擊半導(dǎo)體材料原子，通過(guò)彈性及非彈性碰撞，使之從晶格中原有的位置發(fā)生移位，造成晶格缺陷。這些缺陷會(huì)直接影響材料的電導(dǎo)率、載流子遷移率及載流子壽命等，而對(duì)于器件本身，則表現(xiàn)為某些電性能參數(shù)的衰降[10]。

1.1 GaAs太陽(yáng)電池

GaAs太陽(yáng)電池與Si太陽(yáng)電池相比，由于具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率和更強(qiáng)的抗輻射能力，已經(jīng)成為新一代高可靠、長(zhǎng)壽命航天器的主電源。其性能主要通過(guò)開(kāi)路電壓Voc、短路電流Isc和填充因子FF等3個(gè)基本參數(shù)來(lái)描述，由這3個(gè)基本的電學(xué)參數(shù)可以計(jì)算出最大功率Pmax和轉(zhuǎn)換效率η。通過(guò)采用不同能量、注量的質(zhì)子和電子對(duì)GaAs太陽(yáng)電池進(jìn)行輻照試驗(yàn)，可以觀測(cè)到其Voc、Isc和Pmax都隨著太陽(yáng)電池發(fā)射區(qū)、基區(qū)和空間電荷區(qū)不同程度的損傷而出現(xiàn)相應(yīng)的退化。這三者的退化規(guī)律可以通過(guò)動(dòng)力學(xué)方程[6]

來(lái)表征。式中：X0和X分別為太陽(yáng)電池輻照前、后的電性能值，可以是Voc、Isc和Pmax中的一種；C和D0為常數(shù)，一般通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得；Dd為位移損傷劑量，單位為Gy或MeV/g。

雖然Voc、Isc和Pmax都可用來(lái)表征太陽(yáng)電池的電性能，但是Voc和Isc在質(zhì)子輻照和電子輻照下的退化趨勢(shì)明顯不同，而Pmax在質(zhì)子和電子輻照下的退化規(guī)律可以通過(guò)轉(zhuǎn)換因子Rep進(jìn)行等效，因此在進(jìn)行太陽(yáng)電池的在軌行為預(yù)測(cè)時(shí)，常采用Pmax（或η）的退化方程[11]。

1.2 CCD

CCD的電荷轉(zhuǎn)移效率（CTE）、暗信號(hào)是衡量CCD性能好壞的重要參數(shù)。當(dāng)CCD受輻照產(chǎn)生位移損傷效應(yīng)后，這些參數(shù)會(huì)出現(xiàn)退化。通過(guò)大量的輻照實(shí)驗(yàn)，得到CTE的退化公式[3]為

式中：tm為航天器壽命；K為損傷系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，當(dāng)質(zhì)子輻照注量為3×1010cm-2時(shí)，能量為10、5、2 MeV 的質(zhì)子的損傷系數(shù)分別為 0.992×10-13、0.901×10-13、1.06×10-13g/MeV。

體暗電流增大的計(jì)算公式為式中：q為電子電荷量；W為耗盡區(qū)寬度；Kdark為暗電流損傷參數(shù)，其取值在文獻(xiàn)[12]中進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，這里不再贅述。

1.3 光電耦合器

光電耦合器分為輸入（發(fā)光器）和輸出（探測(cè)器）2部分。當(dāng)輸入部分受到電信號(hào)激勵(lì)時(shí)，內(nèi)部發(fā)光器發(fā)出紅外光，使光電探測(cè)器產(chǎn)生光電流，輸出部分導(dǎo)通，輸出規(guī)定的電信號(hào)。其輸出與輸入電流的比值，即電流傳輸比（CTR）是表征光電耦合器性能的主要參數(shù)，該參數(shù)會(huì)隨著粒子輻照注量的增加而降低，相應(yīng)的退化方程[4]為

1.4 光敏晶體管

光敏晶體管是由光電二極管控制的雙極型器件，其電流增益β的倒數(shù)隨粒子注量的增加成線性增大，增大的速率與注入電流的大小有關(guān)，一般而言，注入電流越大，線性關(guān)系的斜率越小，其退化方程[5]為

式中：1/β0為原始電流增益的倒數(shù)；K'd為位移損傷系數(shù)，與入射粒子能量、種類(lèi)及測(cè)試條件有關(guān)。

通過(guò)對(duì)上述4種光電器件退化方程的研究可以看出，器件典型電性能參數(shù)的退化都與位移損傷劑量Dd存在比例關(guān)系。因此，可以類(lèi)比電離總劑量，將衛(wèi)星在軌期間的Dd作為星用光電器件位移損傷評(píng)估的指標(biāo)。

2 位移損傷評(píng)估方法及流程

星用光電器件位移損傷評(píng)估方法的關(guān)鍵就是將仿真分析得到的位移損傷劑量Dd和環(huán)境模擬試驗(yàn)得到的器件退化方程相結(jié)合，評(píng)估流程如圖1所示。由于某些器件可能安裝于衛(wèi)星艙體內(nèi)，需要根據(jù)衛(wèi)星具體的防護(hù)結(jié)構(gòu)，基于軌道根數(shù)和任務(wù)周期計(jì)算出衛(wèi)星在軌期間的高能粒子能譜通量，進(jìn)而根據(jù)不同器件材料的非電離能量損失（NIEL）計(jì)算出位移損傷劑量Dd。在此基礎(chǔ)上，選擇合適的地面模擬輻射源，分別對(duì)各種光電器件進(jìn)行位移損傷輻照試驗(yàn)，繪制出各個(gè)器件的退化曲線，并按照式(1)～式(5)擬合出相應(yīng)器件的關(guān)鍵電參數(shù)隨位移損傷劑量Dd的退化方程。最后將環(huán)境分析得到的Dd代入到退化方程中對(duì)器件在軌期間的位移損傷情況進(jìn)行評(píng)估。

圖1 星用光電器件的位移損傷評(píng)估流程Fig. 1 Flow of evaluating the displacement damage effect for spacecraft photoelectric devices

2.1 空間輻射環(huán)境預(yù)示

地球輻射帶質(zhì)子與電子，太陽(yáng)宇宙射線質(zhì)子以及銀河宇宙射線質(zhì)子都會(huì)造成光電器件的位移損傷。其中銀河宇宙射線質(zhì)子通量極低（在太陽(yáng)活動(dòng)低年，通量為4 cm-2·s-1），較其他兩者可以忽略，因此在計(jì)算總的粒子通量時(shí)通常只考慮地球輻射帶質(zhì)子、電子以及太陽(yáng)質(zhì)子。

常用的地球輻射帶質(zhì)子和電子通量模型為AP-8和AE-8，每個(gè)模型又包括太陽(yáng)活動(dòng)高年和低年2部分?；谠撃Ｐ?，地球輻射帶粒子平均通量的計(jì)算公式為

式中：ΔT為由衛(wèi)星軌道計(jì)算的輻射累計(jì)時(shí)間；Δt為采樣時(shí)間間隔；n為ΔT時(shí)間內(nèi)總的采樣點(diǎn)數(shù)目；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度；L為磁殼參量。

在典型航天器屏蔽情況下，ESP太陽(yáng)宇宙射線質(zhì)子模型對(duì)飛行周期內(nèi)的位移損傷計(jì)算更為適用[13]。ESP模型的建立基于對(duì)第20、21、22個(gè)太陽(yáng)活動(dòng)周期內(nèi)的探測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，利用式(7)計(jì)算在太陽(yáng)活動(dòng)高年中且飛行任務(wù)周期為T(mén)時(shí)，能量大于E的太陽(yáng)質(zhì)子累積注量不超過(guò)Φ的概率，給出一定置信度下的飛行任務(wù)周期內(nèi)太陽(yáng)質(zhì)子累積注量能譜。

式中：F為太陽(yáng)質(zhì)子單向積分通量；E為太陽(yáng)質(zhì)子能量；T為飛行任務(wù)周期中處在太陽(yáng)活動(dòng)高年的時(shí)間（T≤7 a）；模型參數(shù)ΦRV和Φmean針對(duì)不同的能量范圍給出；σ2=ln(1+ΦRV/T)，μ=ln(TΦmean)?σ2/2。

2.2 位移損傷劑量Dd計(jì)算

計(jì)算位移損傷劑量Dd的前提有2個(gè)：一是針對(duì)器件的組成材料計(jì)算帶電粒子的非電離能量損失（NIEL）；二是根據(jù)具體的軌道環(huán)境參數(shù)計(jì)算空間帶電粒子能譜。帶電粒子與物質(zhì)作用的基本形式是電離和位移，總的能量損失為這2部分之和。非電離能量損失是指產(chǎn)生電離效應(yīng)以外的能量損失，幾乎全部用于產(chǎn)生位移效應(yīng)。帶電粒子NIEL的計(jì)算公式[14]為

式中：σ(θ,E)為散射截面；T(θ,E)為反沖能；L[T(θ,E)]為 Lindhard分配因子；Td為反沖截止能量；dΩ為立體角元。

則空間帶電粒子能譜可利用公式

轉(zhuǎn)化為位移損傷劑量。式中：Φ(Ep)和Φ(Ee)分別表示能量為Ep的質(zhì)子通量和能量為Ee的電子通量；Rep為質(zhì)子和電子位移損傷劑量的轉(zhuǎn)化因子；系數(shù)n用來(lái)修正不同能量電子對(duì)器件損傷的差異，通常取1＜n＜2。

3 應(yīng)用實(shí)例

基于上述方法，以某太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星（軌道高度1200 km、傾角100°，設(shè)計(jì)壽命3年）為例，對(duì)星上反作用飛輪內(nèi)的光敏三極管OP604-TXV進(jìn)行位移損傷效應(yīng)評(píng)估，輻射粒子來(lái)源主要考慮地磁捕獲質(zhì)子和太陽(yáng)質(zhì)子。

如圖2所示，利用SPENVIS軟件，選擇AP-8和ESP模型，分析獲得衛(wèi)星在軌期間遭遇的高能質(zhì)子能譜，進(jìn)而利用式(9)計(jì)算得到壽命期內(nèi)衛(wèi)星在典型屏蔽情況下累積的位移損傷劑量。

圖2 衛(wèi)星在軌壽命期間輻射環(huán)境預(yù)示結(jié)果Fig. 2 The prediction result of radiation environment in the lifetime of orbit satellite

接著選取一定數(shù)量的元器件樣本，在60Co輻射源下，先后以4.5 rad/s（0～60 krad(Si)范圍內(nèi)）和24.85 rad/s（60～100 krad(Si)范圍內(nèi)）劑量率進(jìn)行輻照試驗(yàn)，并在每5 krad設(shè)置一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，記錄不同注量條件下光敏三極管CTR的變化情況，如圖3所示。

圖3 光敏三極管OP604位移損傷試驗(yàn)結(jié)果Fig. 3 The experimental results of displacement damage of OP604 phototransistor

由圖3可以看出，當(dāng)工作電流一定時(shí)，光敏三極管的CTR隨輻照注量的增加而降低，且元器件在相同質(zhì)量等級(jí)情況下，工作電流越大，抗位移損傷能力越強(qiáng)。利用式(4)對(duì)不同輸入電流下器件參數(shù)隨輻射粒子注量的退化關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4所示，可見(jiàn)歸一化CTR倒數(shù)的增量，即與粒子注量呈線性關(guān)系。不同輸入電流下CTR退化方程的擬合參數(shù)如表1所示。

圖4 隨輻照劑量的變化Fig. 4 as a function of irradiation dose

表1 不同輸入電流下CTR退化方程的擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters for different operation currents

最后，將仿真預(yù)示的位移損傷劑量代入到擬合后的CTR退化方程中，即可對(duì)光敏三極管的在軌性能退化進(jìn)行評(píng)估。圖5所示為衛(wèi)星不同壽命期內(nèi)，等效鋁屏蔽厚度為3 mm情況下，光敏三極管CTR的退化曲線。若已知該器件CTR的失效閾值為0.4，則通過(guò)評(píng)估，該器件在軌3年壽命期內(nèi)，其CTR隨輻射劑量的積累將逐步降低為初始值的21.9%，超過(guò)了該器件的失效閾值，可能出現(xiàn)位移損傷失效，需開(kāi)展相應(yīng)的防護(hù)設(shè)計(jì)。例如，在器件表面貼裝鉛皮或通過(guò)優(yōu)化單機(jī)布局，將壽命期內(nèi)器件受到的位移損傷劑量降低到12.2 krad(Si)以?xún)?nèi)（對(duì)應(yīng)CTR的變化為40%），則該器件可在軌穩(wěn)定工作。

圖5 光敏三極管OP604在不同壽命期內(nèi)的退化曲線Fig. 5 Degradation curves of OP604 phototransistor in different life periods

4 結(jié)束語(yǔ)

光電器件的位移損傷是其空間應(yīng)用的一大約束條件，本文在調(diào)研的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了GaAs太陽(yáng)電池、CCD、光電耦合器和光敏晶體管等典型光電器件的敏感電參數(shù)隨位移損傷劑量Dd的退化方程，結(jié)合空間輻射環(huán)境仿真分析和位移損傷輻照試驗(yàn)，提出了一種通用的光電器件位移損傷評(píng)估方法。利用該方法對(duì)某太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星反作用飛輪內(nèi)的光敏三極管OP604-TXV進(jìn)行了位移損傷效應(yīng)評(píng)估，獲得了該器件在不同輸入電流下CTR隨輻射粒子注量的退化規(guī)律，并基于評(píng)估結(jié)果給出了抗輻射加固設(shè)計(jì)建議。相應(yīng)地，設(shè)計(jì)師也可以利用本文提出的方法預(yù)示器件在軌壽命期間遭遇的位移損傷劑量，給出其對(duì)應(yīng)的抗輻射指標(biāo)要求，為器件選型提供技術(shù)支持。