變溫輻照對雙極電壓比較器LM2903在不同偏置狀態下的單粒子瞬態影響

姚 帥，陸 嫵，于 新，李小龍，王 信，劉默寒，孫 靜，常耀東，席善學，何承發，郭 旗

(1.中國科學院 特殊環境功能材料與器件重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011； 2.中國科學院 新疆理化技術研究所，新疆電子信息材料與器件重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011； 3.中國科學院大學，北京 100049)

雙極模擬電路在空間應用時，受到太空中高能帶電粒子，如質子、重離子等轟擊，輸出電壓會發生瞬態變化，即產生單粒子瞬態(SET)。SET可能會被與雙極模擬電路相聯的次級數字電路捕獲，導致邏輯狀態發生改變，使衛星出現功能故障。1992年，NASA的TOPEX衛星因雙極運算放大器OP-15發生SET，導致相關傳感器出現故障[1]；2001年，NASA的MAP衛星因為雙極電壓比較器LM139出現SET，致使衛星功能中斷[2]；2016年，日本的ASTRO-H衛星因為星敏器件出現單粒子效應，最終導致衛星失控[3]。

除了單粒子效應，雙極模擬電路在空間中累積電離總劑量(TID)，會產生低劑量率損傷增強效應(ELDRS)[4-5]。對于雙極器件而言，地面評估需采用低劑量率進行輻照試驗，大幅增加了評估的經濟和時間成本。變溫輻照加速評估方法通過在不同累積劑量范圍設置不同溫度來模擬低劑量率輻照，可大幅減少評估時間、降低評估成本，且已在雙極運算放大器、雙極分立器件、雙極電壓比較器和雙極線性穩壓器等多種不同類型器件中得到驗證[6-11]。以累積電離總劑量為1 000 Gy(Si)為例，低劑量率0.1 mGy(Si)/s輻照需約4個月的時間，而變溫0.03 Gy(Si)/s輻照則僅需9 h左右。

雙極模擬電路在累積TID后，電學參數發生變化，會影響其SET[12-14]，但目前地面評估僅單一針對器件總劑量效應或單粒子效應進行評估，不能正確反應雙極器件在空間應用的真實工作狀態。由于低劑量率輻照的時間與經濟成本過高，不利于開展雙極器件的TID-SET協同效應研究。本文利用變溫輻照模擬空間低劑量率環境，對雙極電壓比較器LM2903在不同偏置狀態下的TID-SET協同效應進行研究，進一步擴展變溫輻照方法的應用范圍。

1 試驗器件與方法

圖1 變溫輻照梯度簡圖Fig.1 Schematic of temperature switching irradiation

試驗器件是美國TI公司生產的商用雙極電壓比較器LM2903。試驗分為總劑量試驗與單粒子試驗兩部分，具體試驗條件為：1) 總劑量試驗，在中國科學院新疆理化技術研究所進行，輻照源為60Co γ源，采用變溫0.03 Gy(Si)/s進行輻照，變溫梯度如圖1所示(4條不同顏色的直線分別代表不同溫度，在每條線包含的劑量范圍內溫度保持恒定，共有3個溫度轉變折點[15])，試驗時器件偏置為零偏，累積總劑量為1 000 Gy(Si)；2) 單粒子試驗，在中國科學院近代物理研究所重離子單粒子試驗裝置進行，重離子種類為Ta離子，LET=82 MeV·cm2/mg，試驗時器件分為高電平偏置和低電平偏置兩種工作狀態，輸出上拉電阻均為5 kΩ。高電平偏置和低電平偏置試驗時樣品各有兩只：未輻照樣品1只，變溫輻照樣品1只。樣品均是同一廠家、同一批次，且經過篩選，確保兩個樣品初始值基本一致。

2 試驗結果

在進行單粒子試驗時，SET被數字示波器監測并存儲，由于SET數量較多，因此需對采集到的SET波形進行幅值、寬度參數提取，進行統計處理。圖2為高電平偏置和低電平偏置時LM2903的SET幅值-寬度變化情況。高電平偏置時，LM2903的SET幅值在累積TID后變小，輻照前SET最大幅值可達-5 V左右，累積TID到1 000 Gy(Si)后，SET最大幅值減小為-3 V。與之相反，低電平偏置時，LM2903的SET幅值在累積TID后變大，最大幅值由輻照前的約3.5 V變大到4.5 V左右；同時SET寬度在輻照后明顯展寬，寬度從輻照前的0.2 μs左右展寬到1.5 μs左右。

圖2 高電平偏置(a)和低電平偏置(b)時LM2903的SET幅值-寬度變化Fig.2 SET amplitude-width variation of LM2903 at high-level bias (a) and low-level bias (b)

3 分析和討論

當重離子轟擊到敏感晶體管(通常為關閉晶體管)時[13]，會產生大量電子空穴對，通過漂移擴散方式被集電極、發射極收集，同時載流子在輸運過程中的復合導致部分電流被基極收集。此時晶體管從關閉狀態轉換為導通狀態，進而影響電壓比較器的輸出狀態。高電平輸出偏置時，會產生負向SET；低電平偏置時，會產生正向SET。當器件沒有累積TID，重離子激發的電子和空穴在被集電極、發射極收集時，復合作用較弱，被基極收集的電流較少，晶體管的導通狀態強。當器件累積TID后，雙極晶體管在收集被激發的電子空穴時，由于TID誘發的界面態陷阱電荷不但可充當復合中心，而且可改變Si-SiO2界面處能級位置，使表面處電子和空穴濃度更為相近，從而大幅增加電荷收集過程中的復合作用，被基極收集的電流多，晶體管的導通狀態變弱。從宏觀電參數變化來看，TID導致晶體管增益退化，致使其瞬態電流減小。圖3為截止狀態NPN晶體管累積TID后對單粒子效應電荷收集的影響。

圖3 截止狀態NPN晶體管累積TID后對單粒子效應電荷收集的影響Fig.3 Effect of off-state NPN transistor after accumulating TID on single event effect charge collection

圖4為LM2903電路結構，LM2903的輸出級集電極開路結構決定了偏置狀態對其SET的不同影響。當電路處于高電平偏置狀態時，輸出電壓為高電平，晶體管Q6處于關閉狀態。重離子的轟擊可能使Q6導通，從而使輸出電壓下降，即出現負向SET，累積TID后，Q6導通狀態變弱，負向SET被抑制。當電路處于低電平偏置狀態時，輸出電壓為低電平，晶體管Q6處于導通狀態。重離子轟擊到晶體管Q5時，可能會使Q5導通，吸收電流源Isc2的電流，則流過Q6基極的電流減少，Q6導通狀態減弱，從而輸出電壓上升，即出現正向SET。累積TID會使晶體管Q5和Q6增益下降、電流源Isc2退化，導致Q6導通狀態更弱，促進了正向SET。由于晶體管寄生電容的存在，退化的電流源對電容的充電時間變長[16]，導致SET寬度在輻照后明顯展寬。雖然以上分析主要針對輸出級電路，但是前級晶體管對電路的影響機制是一致的，都是在受到重離子轟擊時改變導通狀態，最終影響電壓比較器的輸出。在進行變溫輻照試驗時，LM2903的電參數變化通過STS-2107C半導體參數測試儀進行監測，結果如圖5所示，隨總劑量累積，LM2903的輸入偏置電流和電源電流逐漸降低，說明晶體管增益發生退化。

圖4 LM2903電路結構Fig.4 Circuit structure of LM2903

圖5 LM2903的電參數隨累積總劑量的變化Fig.5 LM2903 electrical parameter change with cumulative total dose

4 結論

本文將變溫輻照快速評估方法應用到雙極器件的TID-SET協同效應研究，既滿足空間真實低劑量率輻照環境模擬，又大幅節約了試驗時間與成本。對LM2903的研究表明，偏置狀態對SET影響顯著，高電平偏置狀態下，SET在累積TID后受到抑制；而低電平偏置狀態下，累積TID會使SET變得更加惡劣。TID誘發的界面態陷阱電荷是TID-SET協同效應出現的根本原因，而LM2903的集電極開路輸出結構導致了不同偏置狀態產生相反的TID-SET協同作用。本文研究結果對相關模擬電路在空間綜合輻射環境的地面模擬評估和加固具有指導意義，低電平偏置時的TID-SET協同促進效應必須在航天應用前予以考慮。