基于晶体三极管的不同中子能谱等效性实验研究

鲁 艺 邱 东 邹德惠 荣 茹

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 绵阳 621900）

基于晶体三极管的不同中子能谱等效性实验研究

鲁 艺 邱 东 邹德惠 荣 茹

（中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 绵阳 621900）

辐射损伤等效性系数是评价不同中子能谱对样品的实验损伤差异的关键。利用晶体管直流增益的倒数与中子注量呈线性关系这一特点，采用参数一致性好的硅双极晶体管3DG121C作为位移损伤探测器，通过在线监测晶体管直流增益随累积中子注量的变化，分别获得了CFBR-II堆两个特定位置的损伤常数，推导出了不同中子能谱间的辐射损伤等效系数。结果表明，CFBR-II不同位置的辐射损伤没有显著差异。

辐射效应，损伤常数，等效性系数，硅双极晶体管，快中子临界装置

在中子辐射效应试验研究中，电子元器件受中子辐照后产生的损伤不仅与中子注量有关，而且与中子能量和中子作用时间有关。在相同的中子注量下，不同的中子能谱对器件产生的损伤效应有所差异。国外的相关研究反映了通过测量辐射场对材料的位移损伤特性来表征辐射场能谱特征[1-2]，国内也对半导体器件在辐射场中的位移损伤特性做过类似研究[3-4]。

快中子临界装置CFBR-II堆作为抗辐射加固性能验证和考核的重要实验平台，由于空间位置的不同，中子能谱和中子注量会有所差异，在相同的中子注量下，不同中子能谱对电子元器件和材料造成的损伤不同。为研究其损伤差异，确定不同能谱间的损伤效应关系是十分重要的。对于单个辐射源来说，只能得到泄露中子在试验样品中的损伤常数，而辐射损伤等效性系数则表征为不同中子能谱对同种典型样品的辐射损伤常数之比。

本研究采用硅双极晶体管作为中子辐射损伤探测器，利用晶体管直流增益的倒数的变化值与所受中子注量呈线性关系这一特点，通过在线监测晶体管直流增益随中子注量的变化规律，直接给出电子元器件的主要电参数的失效中子注量，通过数据分析进而获得不同能谱间的损伤等效性系数。

1 实验原理

中子不带电，穿透能力极强，它可以充分地靠近被辐照材料晶格原子的原子核，与原子核产生弹性碰撞。晶格原子在碰撞过程中得到能量，从而离开它正常的点阵位置，成为晶格中的间隙原子（原位置则留下一个空穴）。空穴和间隙原子能够复合，但如果中子能量足够大，使得间隙原子和空位超出弹性力场与库仑场作用范围，则产生位移形成弗仑克尔缺陷。同时位移的间隙原子在移动过程中又可以使晶格内的更多原子产生位移，进而形成缺陷群。

对于以少数载流子为导电机理的硅晶体三极管来说，缺陷在基区材料原子的禁带中引入了附加能级，它作为附加的复合中心，严重降低基区少数载流子寿命，使得来自发射区的少数载流子大量的复合（辐射效应），导致基区复合电流增加，宏观上体现为三极管的直流增益（效应参数）下降。对于一个理想的突变结、均匀基区的晶体三极管，当中子注量在109-1016cm-2，集电极注入电流在1-100 mA时，中子辐照引起的直流增益变化为[5]：

式中，Δ(1/hFE)为辐照前后晶体三极管直流增益倒数的变化量；hFE(φ)为中子辐照后的直流增益；hFE(0)为中子辐照前的直流增益；K′为硅材料损伤常数，cm2⋅s-1；t为电流为无限大时的基极渡越时间，s；K为损伤常数（对于晶体三极管也可称作实验增益损伤常数[2]），它是基极渡越时间和器件材料的函数，cm2；φ为辐照中子注量，cm-2。

K是希望通过试验获得的量，根据式(2)，对于某一特定辐射源，只要测得给定注量条件下样品直流增益倒数的变化，就可求出该样品对于特定辐射源的损伤常数。等效系数是不同辐射源间多只样品损伤常数平均值的比值：

式中，D为等效系数；为两种中子能谱的辐射损伤常数，分别取每组样品的平均值，每组样品数量不少于10只。

2 实验方法

2.1样品的筛选

研究在快中子临界实验装置CFBR-II堆上开展，选用双极晶体管3DG121C作为唯一的实验样品，将其直流增益作为实验监测的效应表征参数。根据前期对CFBR-II堆不同位置中子能谱分布的理论计算，表明了中子能区在0.05-4.0时，上半球表面45°方向和圆柱侧面0°方向的中子能谱分布存在明显差异，结果如表1所示。

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

因此，选定CFBR-II堆上半球表面45°方向和圆柱侧面0°方向作为实验研究的典型辐照区域。根据GJB548B-2005的相关要求[6]，在进行辐射损伤研究中，每个区域的样品数量不得少于10只。而器件的个体差异可能会直接影响测量结果，因此实验前必须对同类同批次的器件进行严格筛选，从中取出一致性好的10只样品作为一组。

实验选用BC3193半导体参数测试仪和BJ3021-QG21型高频小功率晶体三极管fT测试仪，对三极管的基本电参数和特征频率进行测试。表2列出了晶体三极管3DG121C基本电参数测试条件以及筛选条件。3DG121C特征频率的测试条件为VCE=10 V、IC=30 mA、f=100 MHz，筛选条件为fT≥300 MHz。

根据辐照样品直流增益一致性为97%，特征频率一致性为96%的控制标准，从测试合格的器件中筛选出了20只作为实验样品。

表2 3DG121C测试和筛选条件Table 2 Conditions for test and filtrate of 3DG121C.

2.2样品布放和辐照板设计

据式(3)描述，等效性系数是不同辐射源间多只样品损伤常数平均值的比值，因此每组样品所受注量的均匀性控制至关重要，样品布放和辐照板的设计必须满足每组样品的中子注量均匀性要求。根据理论计算结果显示，CFBR-II堆上半球表面和圆柱侧面同一半径的圆周上注量相等，因此只要将样品沿圆周布放就能满足注量一致性要求。由于两组样品是同时辐照的，在保证每组样品注量均匀性的同时有必要适当兼顾不同组间的一致性，这样才能尽可能地将所有样品辐照响应控制在最敏感范围内。

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

图2 CFBR-II堆圆柱侧面0°方向Fig.2 0° beside CFBR-II column.

根据装置结构、样品尺寸和布放要求，CFBR-II堆上半球表面45°方向的辐照板设计成半径为170mm的圆弧形，圆柱侧面0°方向的辐照板设计成半径为175 mm的圆弧形，每个辐照板分别布放10只样品，共计布放样品20只。样品布局如图1、图2所示。

2.3效应参数测试方法

通常的效应参数测试方法有原位测试和移位测试两大类，其中原位测试又分原位在线测试（辐照和测试同步进行）和原位离线测试（测试时停止辐照）。这些方法原则上均可用于3DG121C的效应参数测试。但为了尽可能排除实验干扰因素（如退火效应）的影响，本次实验选用了原位在线测试方法进行三极管效应参数的测试，测试原理如图3所示。

图3 三极管效应参数在线测试方法Fig.3 Method of in-situ testing on-line.

电源为测试板提供工作电压VCC，信号源为辐照板上的三极管提供输入信号VBB，三极管的集电极C和基极B通过矩阵开关控制，依次与电源和信号源接通使3DG121C正常工作。由图3，只要获得了VCC、VRC、VBB和VRB，即可得到：

测试时，通过测试系统的矩阵开关对辐照板上样品的测试状态进行控制，矩阵开关选通后，任何时刻只有一只样品处于测试状态，其余样品管脚处于接地状态。辐照板通过排线经测试间的测试控制板转接至示波器上；示波器将记录的波形传至电脑主机。电脑主机一方面通过矩阵开关控制辐照板的加电情况，另一方面对示波器传送过来的波形进行处理，作图显示并保存。测试系统中引入矩阵开关实现效应曲线拟合，并控制样品仅在测试期间处于加电状态。测试时，每个在线样品须进行连续循环扫描。

3 实验测量与结果分析

3.1实验测量系统

测量系统由计算机、多功能矩阵开关、任意波形发生器、示波器、电源、测试控制电路、晶体管辐照测试电路组成，如图4所示。

系统采用虚拟仪器的设计思想，以Labview为开发平台，由计算机控制将信号源、Tek示波器和矩阵开关等硬件，通过GPIB控制器及控制电缆有效结合起来。辐照板通过长电缆连接至测试间，由计算机控制矩阵开关的切换对辐照板上的晶体管加电以及轮流扫描，并处理采集的数据，利用系统中的数据后期处理模块可以计算放大倍数，并实时显示测量位置的中子注量变化情况。

图4 测试系统组成框图Fig.4 Sketch map of measure system.

3.2实验结果与讨论

原始数据是在线测试样品受照中子注量以及此注量下的直流增益，测试系统给出第i(i=1、2、3、…、10)只样品在注量φi,j下的hFEi,j值(j为循环扫描次数，j=0、1、2、3、…、N)。

采用式(2)进行线性拟合得到每一位置对应三极管的损伤常数，对10只样品的损伤常数取平均，得到在单个辐照板的损伤常数。

图5为CFBR-II堆上半球45°方向和圆柱侧面0°方向辐照板对应的直流增益倒数随中子注量的变化关系曲线。

图5 CFBR-II堆上半球45°方向(a)和圆柱侧面0°方向(b)辐照板直流增益倒数与中子注量的关系Fig.5 Relationship between reciprocal gain and neutron fluence of 45° layout (a) and 0° layout (b).

由图5，随着中子注量的增加，在上半球45°方向和圆柱侧面0°方向辐照板上三极管性能变化的总体趋势一致。表3列出了CFBR-II堆上半球45°方向和圆柱侧面0°方向辐照板的辐射损伤常数以及误差。

从表3可以看出，在CFBR-II堆上半球45°方向和圆柱侧面0°方向，其辐射损伤效应非常一致，未出现明显的个体差异。因此，可以将两个辐照板分别视为一个样本，对每个样本10只三极管的损伤常数取平均，得到两个方向的损伤常数，根据式(3)得到了CFBR-II堆上半球45°方向和圆柱侧面0°方向的等效系数。

表3 辐照损伤结果Table 3 Results of radiate damage.

从结果看，CFBR-II堆上半球45°方向和圆柱侧面0°方向这两个位置的辐射损伤效应没有明显差异。结合中子能谱分布的计算结果分析，是由于这两个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，所以导致0°方向的辐射损伤常数比45°方向略高也是合理的。

4 结语

采用硅双极晶体管作为中子辐射损伤探测器，利用晶体管直流增益倒数的变化值与所受中子注量呈线性关系这一特点，通过在线监测晶体管直流增益随中子注量的变化规律，直接给出电子元器件的主要电参数的失效中子注量。通过数据处理获得了在CFBR-II堆上半球45°方向和圆柱侧面0°方向的损伤常数，其等效性系数为0.95。

实验结果表明，硅双极晶体管在CFBR-II堆上半球45°方向和圆柱侧面0°方向这两个位置所受的中子辐射损伤没有显著差异。而且，实验前对器件进行严格的电参数和特征频率筛选，引起测量差异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 邱东, 邹德慧. 基于CFBR-II堆中子辐射场的硅整流二极管辐射效应试验研究[J]. 核动力工程, 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 邹德慧, 邱东. 基于三极管的CFBR-II堆辐射损伤常数测定[J]. 核动力工程, 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 陈盘讯. 半导体器件和集成电路的辐射效应[M]. 北京:国防工业出版社, 2005: 86-87

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

6 中国人民解放军总装备部. GJB548B-2005, 微电子器件试验方法和程序-方法1017中子辐照[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

中国工程物理研究院科技发展基金项目(No.2012B0103006)资助

鲁艺，女，1969年出生，2006年于四川大学获硕士学位，副研究员，主要从事核探测技术与核仪器仪表研究

2013-10-12，

2013-12-19