偏壓條件對光耦合器總劑量輻照效應(yīng)的影響*

何玉娟 ，羅宏偉，恩云飛

(電子元器件可靠性物理及其應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510610)

光耦合器在空間應(yīng)用設(shè)備中使用十分廣泛，但光耦合器由于是光電器件，在總劑量輻照過程中會導(dǎo)致光電流增大、非發(fā)光缺陷增多，從而影響其傳輸效率。國內(nèi)外對發(fā)光器件、光電轉(zhuǎn)化器件的總劑量輻照效應(yīng)研究較多［1－8］，但對光耦合器的研究卻較少，更缺少不同偏置條件對光耦合器總劑量效應(yīng)的影響研究，因此針對不同的偏置條件(非工作偏置和工作偏置)進(jìn)行了光耦合器的總劑量輻照試驗(yàn)，確定光耦合器總劑量輻照的最劣偏置條件，為光耦合器的總劑量輻照試驗(yàn)提供偏置條件與方法。

1 試驗(yàn)樣品與條件

總劑量輻射樣品為商用光耦合器KP1020，光耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

總劑量輻照試驗(yàn)采用2000 居里能量的60Coγ 射線源，總劑量輻照劑量率為50 rad(Si)/s，輻照最高總劑量為180 krad(Si)，偏置條件見表1 所示。

圖1 光耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

表1 光耦合器γ 射線輻射偏置條件

其中表1 中的偏置A 為所有端口懸空偏置，偏置B 為所有端口短接偏置，偏置C 為輸入電流IF為1mA 輸出接6V 電壓的偏置，偏置D 為輸入電流IF為10mA 輸出接6V 電壓的偏置。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對光耦合器進(jìn)行總劑量輻射后，隨著輻射總劑量的增大，光耦合器輸出電流持續(xù)減小，典型曲線如圖2 所示為輻射前后光耦合器的輸出曲線。

圖2 輻射前后光耦合器輸出曲線

從圖2 可以看出，IF=30 mA 時(shí)的輸出電流IC從輻射前約0.05 A 降低到輻射后的0.03 A，降低了近20 mA。

圖3 ～圖6 為不同偏置條件的光耦合器電流轉(zhuǎn)換率CTR 與輸入電流IF的關(guān)系曲線。其中

其中IC為輸出電流，IF為輸入電流。

圖3 偏置A 條件下光耦合器CTR－IF 關(guān)系曲線

從圖3 ～圖6 可以看出，光耦合器的電流轉(zhuǎn)換率CTR 隨著輻射總劑量的增大而減小，其原因與光耦合器的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖4 偏置B 條件下光耦合器CTR－IF 關(guān)系曲線

圖5 偏置C 條件下光耦合器CTR－IF 關(guān)系曲線

圖6 偏置D 條件下光耦合器CTR－IF 關(guān)系曲線

光耦合器一般由三部分組成:光的發(fā)射、光的接收及信號放大，包含一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光電三極管，發(fā)光二極管總劑量電離輻射損傷類似于一般半導(dǎo)體二極管，在總劑量輻照下，LED 的光輸出功率會退化，其功率退化與總劑量的關(guān)系為:

式中PL(D)是總劑量輻射后LED 的光輸出功率，PL(0)是總劑量輻射前LED 的光輸出功率，D 為輻射總劑量，kg是LED 總劑量輻射壽命損傷常數(shù)，此常數(shù)與LED 類型有關(guān)，隨著輻射總劑量的增大，LED 的輸出功率會隨之減小。

光電三極管主要起著光電轉(zhuǎn)換和光電流放大作用，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換和放大后，集電極輸出電流為:

式中，hFE是共發(fā)射極電流增益，IP是處于反向偏置的集電極－基極結(jié)產(chǎn)生的光電流。光電三極管SiO2鈍化層經(jīng)總劑量輻射，在SiO2/Si 界面產(chǎn)生正電荷積累和界面態(tài)，使器件增益和暗電流都隨總劑量輻射而退化。電離輻射會在光電三極管中產(chǎn)生電子－空穴對，電子進(jìn)入集電極，被集電極收集形成光電流，而電路增益hFE會隨輻射總劑量的增大而下降。由于LED的輸出功率隨著輻射總劑量增大而下降，使IP光電流也隨之減小，再加上hFE增益隨輻射總劑量增大而減小，使得輸出電流IC隨這輻射總劑量增大而急劇減小，從而是電流轉(zhuǎn)化率CTR 急劇減小。

不同偏置下光耦合器的電流轉(zhuǎn)化率CTR 輻照前后比值a 與總劑量關(guān)系曲線見圖7 所示。其中a=CTR(輻射后IF=5 mA，VCE=5 V)/CTR(輻射前IF=5 mA，VCE=5 V)。

圖7 不同偏置下光耦合器CTR 輻照前后比值與總劑量關(guān)系曲線

從圖7 中可以看出，在偏置D 條件下時(shí)光耦合器輻射前后CTR 比值a 最大，在180 krad(Si)總劑量時(shí)CTR 比值a 為0.33，而偏置C 條件下，光耦合器輻射前后CTR 比值最小，在180 krad(Si)總劑量時(shí)CTR 比值a 為0.03。其詳細(xì)的不同偏置條件下光耦合器輻射前后CTR 比值a 與輻射總劑量關(guān)系表見表2 所示。

表2 不同偏置條件下光耦合器輻射前后CTR 比值a 與輻射總劑量關(guān)系表

偏置C 和偏置D 這兩種偏置條件的區(qū)別是輸入端口電流存在差異，偏置C 的輸入電流為1 mA，而偏置D 的輸入電流為10 mA。但偏置C 和偏置D 分別為這4 種偏置條件中光耦合器總劑量輻照的最劣偏置與最優(yōu)偏置，其原因很可能與總劑量輻照導(dǎo)致的發(fā)光二極管中結(jié)的擴(kuò)散區(qū)的非發(fā)光缺陷有關(guān)。發(fā)光二極管總劑量電離產(chǎn)生的電子空穴對在電應(yīng)力條件下，負(fù)電荷很快的掃出PN 結(jié)，但正電荷卻在PN 結(jié)的擴(kuò)散區(qū)被非發(fā)光陷阱俘獲，但當(dāng)電流較小時(shí)，由于正電荷運(yùn)動的速度較慢，被非發(fā)光陷阱俘獲的幾率更大，使發(fā)光二極管的輸出功率更快降低。發(fā)光二極管的光輸出功率更低會導(dǎo)致光電三極管的輸出電流也降低的更多，從而使光耦合器的CTR 更低。

3 結(jié)論

本文研究了不同偏壓條件對光耦合器總劑量輻照效應(yīng)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著總劑量的增加，光耦合器電流轉(zhuǎn)換率CTR 會降低，且輸入低電流時(shí)光耦合器總劑量效應(yīng)更嚴(yán)重，這很可能是由于電流較低時(shí)光耦合器內(nèi)部發(fā)光二極管的PN 結(jié)擴(kuò)散區(qū)內(nèi)輻照導(dǎo)致的非發(fā)光陷阱更容易俘獲電荷，使發(fā)光二極管的輸出光功率降低，從而導(dǎo)致光電三極管的輸出電流IC也隨之降低。

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