光電耦合器件中子輻照位移損傷效應(yīng)試驗(yàn)研究

蘇亞麗，朱勝利

（1. 西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065； 2. 西安交通大學(xué) 軟件學(xué)院，西安 710049）

0 引言

航天器在空間環(huán)境中極易受到空間高能粒子的輻射；引發(fā)的輻射效應(yīng)將直接或間接影響航天器用電子元器件的性能，導(dǎo)致器件退化甚至失效。電子元器件的空間輻射效應(yīng)包括電離總劑量效應(yīng)、單粒子效應(yīng)[1-2]以及位移損傷效應(yīng)[3-5]?？臻g環(huán)境中粒子輻射的劑量是逐漸累積的，會(huì)對(duì)航天器的可靠性及使用壽命產(chǎn)生不可預(yù)知的影響[6]。

臨近空間的高能帶電粒子與大氣分子相互作用產(chǎn)生中子環(huán)境。受到中子輻射后，航天器中的部分元器件尤其是光電耦合器件會(huì)產(chǎn)生位移損傷效應(yīng)，導(dǎo)致熱載流子、器件暗電流增加，載流子壽命縮短等[6-7]。因此，需要通過地面輻照試驗(yàn)，得到與空間輻射環(huán)境下大致等效的器件位移損傷效應(yīng)，為航天器用元器件的選型和加固設(shè)計(jì)提供參考。本文選取典型的光電耦合器件作為研究對(duì)象，分析中子輻照條件下器件的位移損傷敏感參數(shù)，得到不同中子注量下敏感參數(shù)的退化規(guī)律。

1 輻照試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品采用瑞普北光生產(chǎn)的GH302型光電耦合器件，器件結(jié)構(gòu)為間接耦合，內(nèi)部無信號(hào)放大電路，輸入端采用GaAs材料的紅外發(fā)光二極管，輸出端的光敏三極管采用硅材料。該器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料如圖1所示。

圖1 GH302光電耦合器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料Fig.1 Schematic diagram of structure and materials in GH302 opto-coupler

試驗(yàn)之前對(duì)所有15只樣品進(jìn)行編號(hào)，樣品詳細(xì)信息如表1所示。

表1 試驗(yàn)樣品信息Table 1 Specifications of the photoelectric coupler samples

1.2 中子輻照源

選取西北核技術(shù)研究所的中子脈沖反應(yīng)堆作為輻照源。模擬輻照試驗(yàn)中，依據(jù)GJB 33/19—2011[9]，選擇1 MeV等效中子進(jìn)行輻照，n/γ比為5×109n/cm-2rad-1，輻照總注量為 5×1011n/cm2，中子注量率不確定度小于10%。

輻照試驗(yàn)中，為驗(yàn)證光電耦合器件關(guān)鍵參數(shù)的退化與中子注量之間的關(guān)系，設(shè)置中子注量分別為0、1×1010、1.92×1010、5×1010、1×1011、2×1011、5×1011n/cm2，并測(cè)試對(duì)應(yīng)輻照條件下器件的參數(shù)值，統(tǒng)計(jì)分析中子注量對(duì)光電耦合器件性能的影響規(guī)律。

1.3 電參數(shù)測(cè)試

采用原位測(cè)量法對(duì)試驗(yàn)樣品的飽和壓降、電流傳輸比、擊穿電壓以及正向電壓等參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。輻照過程中樣品不加電，輻照至規(guī)定注量時(shí)，停止中子輻照，并對(duì)15只樣品分別進(jìn)行電參數(shù)測(cè)試。

2 光電耦合器件位移損傷效應(yīng)

2.1 發(fā)光二極管位移損傷

輻射產(chǎn)生的位移損傷效應(yīng)使半導(dǎo)體材料晶格的完整性受到破壞，形成大量的輻射缺陷，造成材料物理性質(zhì)的變化。在發(fā)光二極管中，位移損傷形成的缺陷能級(jí)在禁帶中心形成一個(gè)非輻射復(fù)合中心，使導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴發(fā)生非輻射復(fù)合，這種作用會(huì)縮短少數(shù)載流子（少子）壽命[7]。

光電耦合器受到中子輻照后，發(fā)光二極管中少子壽命為[10]

式中： τφ為受到注量為 φ的中子輻照后的少子壽命；τ0為輻照前的少子壽命；kg為發(fā)光二極管的壽命損傷系數(shù)。由式(1)可知，輻照后少子壽命 τφ與輻照注量成負(fù)相關(guān)，即少子壽命隨著輻照注量增大而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

發(fā)光二極管受到不同注量的中子輻照所引起的光功率退化滿足關(guān)系式[11]

式中，PL(0)和PL(φ)分別為輻照前、后發(fā)光二極管的輸出光功率。由式(2)可知，輻照注量越大，發(fā)光二極管的輸出光功率越小。

2.2 光敏三極管位移損傷

光敏三極管根據(jù)其工作原理可等效成光電二極管和三極管的組合。因此，位移損傷效應(yīng)對(duì)光敏三極管的影響包括：與少子壽命有關(guān)的擴(kuò)散光電流的收集、擴(kuò)散長(zhǎng)度以及光電探測(cè)器的光吸收深度；晶體管的增益老化問題。光敏晶體管對(duì)中子輻照敏感度比較高，受到中子輻照后基區(qū)少子壽命縮短，晶體管的增益隨之減小，同時(shí)集電極電流也會(huì)相應(yīng)減小。中子輻射產(chǎn)生的載流子去除效應(yīng)使集電區(qū)電阻增加，飽和壓降隨之增大[11]。

光敏晶體管的增益是少數(shù)載流子在基區(qū)的傳輸過程中實(shí)現(xiàn)的，其可表述為[10]

式中：μ為少子遷移率；E為基區(qū)電場(chǎng)；tr為載流子在基區(qū)的渡躍時(shí)間。光敏晶體管受到中子輻射后，增益發(fā)生改變[10]，

式中：hFE0為輻照前光敏晶體管的增益；hFEφ為受到注量為 φ的中子輻照后光敏晶體管的增益。由式(4)可知，輻照注量越大，光敏三極管的增益越小。

理論分析為輻照試驗(yàn)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，以及輻照試驗(yàn)后發(fā)光二極管和光敏三極管不同損傷程度的判斷依據(jù)：當(dāng)中子輻照試驗(yàn)中輻照注量逐漸增大時(shí)，發(fā)光二極管輸出光功率會(huì)逐漸減小，根據(jù)輸出光功率的不同可判斷發(fā)光二極管的損傷程度；光敏三極管的作用在于電—光—電的轉(zhuǎn)換，同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大的功能，當(dāng)輻照注量逐漸增大時(shí)，光敏三極管增益會(huì)降低。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)得到了不同編號(hào)的光電耦合晶體管器件在不同中子輻照注量下的飽和壓降、電流傳輸比、擊穿電壓以及正向電壓特性的變化，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。

3.1 飽和壓降隨輻照注量的變化

當(dāng)三極管中的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均為正偏時(shí)，晶體管處于飽和狀態(tài)，集電極與發(fā)射極之間的電壓降稱為飽和壓降。圖2給出了試驗(yàn)中編號(hào)為1083、1113、1170的3只器件的飽和壓降隨中子輻照注量的變化。由圖可以看出，隨著輻照注量增大，器件的飽和壓降均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在最大輻照注量時(shí)飽和壓降達(dá)到最高值。

圖2 不同器件飽和壓降隨中子輻照注量的變化Fig.2 The saturation voltage drop of three different types of devices against the fluence of neutron irradiation

從其他器件的輻照試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，不同廠家、不同型號(hào)光電耦合器件的飽和壓降都有同樣的變化規(guī)律。如圖3所示：對(duì)試驗(yàn)樣品按照同樣的方法進(jìn)行輻照試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律與圖2基本相同。即隨著輻照注量的增大，同一器件的飽和壓降會(huì)逐漸增大，在輻照注量達(dá)到試驗(yàn)中的最大數(shù)值時(shí)，器件的飽和壓降達(dá)到最大值。

圖3 不同器件的飽和壓降隨輻照注量的變化Fig.3 The saturation pressure drop of different types of devices against the fluence of neutron irradiation

由2.2節(jié)的位移損傷效應(yīng)分析可知，受到中子輻射后，隨著輻照注量的增大，光敏晶體管的增益會(huì)減小。在輻照試驗(yàn)中則體現(xiàn)為，隨著中子輻照注量逐漸增大，集電極電流也會(huì)相應(yīng)減小，導(dǎo)致飽和壓降增大。

3.2 電流傳輸比隨輻照注量的變化

電流傳輸比（CTR）是指光電耦合器輸出管的工作電壓為恒定值時(shí)，輸出電流與發(fā)光二極管的正向電流之比，可用來衡量光電耦合器件的增益。在輻照試驗(yàn)中，測(cè)量得到不同型號(hào)器件樣品的電流傳輸比，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。

圖4 編號(hào)為1083、1113及1170的器件電流傳輸比隨輻照注量的變化Fig.4 The current transmission ratio of #1083, #1013 and#1170 devices against the fluence of neutron irradiation

圖5 GH302光耦器件電流傳輸比輻照后的退化情況Fig.5 The current transmission ratio of different types of devices produced by the same manufacturer

分析圖4和圖5可得，光電耦合器件在不同輻照注量下的電流傳輸比具有如下特點(diǎn)：隨著輻照注量的增加，電流傳輸比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；在無輻照條件下，不同器件之間的電流傳輸比差別較大，但隨著輻照注量的增加差別逐漸縮小，當(dāng)輻照注量達(dá)到最大值5×1011n/cm2時(shí)，差距縮至比較接近。

研究表明，當(dāng)光電耦合器件處于輻射環(huán)境中時(shí)，高能輻射粒子進(jìn)入半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生位移損傷效應(yīng)，形成大量間隙原子-空位對(duì)，直到傳遞的能量低于晶格原子的位移閾值能量[12]。因此，當(dāng)中子輻照注量增大時(shí)，器件中形成的間隙原子-空位對(duì)數(shù)量增加，電流傳輸比會(huì)明顯降低。

受到中子輻照后，光電耦合器件發(fā)生位移損傷效應(yīng)：在發(fā)光二極管中，位移損傷形成的缺陷能級(jí)在禁帶中心形成一個(gè)非輻射復(fù)合中心；在光敏三極管中，輻照注量越大，光敏三極管的增益越小，導(dǎo)致了電流傳輸比的下降。

3.3 擊穿電壓隨輻照注量的變化

擊穿電壓是衡量PN結(jié)可靠性與使用范圍的一個(gè)重要參數(shù)，在PN結(jié)的其他參數(shù)不變的情況下，擊穿電壓的值越高越好。圖6為本次試驗(yàn)中不同編號(hào)的光電耦合器件擊穿電壓隨輻照注量的變化。

從圖6可以看出：不同型號(hào)光電耦合器件的擊穿電壓隨中子輻照注量的增大均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；當(dāng)輻照注量達(dá)到最大值5×1011n/cm2時(shí)，擊穿電壓值亦達(dá)到最大。分析可知，當(dāng)器件受到中子輻照時(shí)，位移損傷效應(yīng)使器件的集電區(qū)電阻隨輻照注量的增加而增大，導(dǎo)致器件的擊穿電壓增大。

圖6 不同型號(hào)器件的擊穿電壓隨輻照注量的變化Fig.6 The breakdown voltage of different types of devices against amount of irradiation

3.4 正向電壓隨輻照注量的變化

當(dāng)電源的極性與器件的極性連接相同時(shí)，電壓為正向電壓。對(duì)輻照試驗(yàn)中所有器件正向電壓的變化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 正向電壓隨輻照注量的變化Fig.7 The change of forward voltage vs.the fluence

由圖可見，不同器件的正向電壓會(huì)隨中子輻照注量的不同而變化，同一光電耦合器件的正向電壓會(huì)隨輻照注量增大而減小，但變化幅度在mV量級(jí)。分析可知，受到中子輻照后，發(fā)光二極管產(chǎn)生位移損傷效應(yīng)形成的缺陷能級(jí)在禁帶中心形成一個(gè)非輻射復(fù)合中心，使導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴發(fā)生非輻射復(fù)合，這種作用會(huì)降低光電耦合器件的正向電壓。

4 結(jié)束語

本文對(duì)光電耦合器件進(jìn)行地面中子輻照模擬試驗(yàn)，旨在獲得航天器上光電耦合器件受到輻射后的等效損傷狀況。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，受到不同注量的中子輻照后，產(chǎn)生的位移損傷效應(yīng)導(dǎo)致光電耦合器件的電流傳輸比出現(xiàn)不同程度的退化。此外，光電耦合器件的飽和壓降、擊穿電壓及正向電壓也受位移損傷效應(yīng)的影響出現(xiàn)不同程度的變化。本研究可為航天器用電子元器件尤其是光電耦合器件的設(shè)計(jì)人員提供一定的參考。