变温辐照对双极电压比较器LM2903在不同偏置状态下的单粒子瞬态影响

姚 帅，陆 妩，于 新，李小龙，王 信，刘默寒，孙 静，常耀东，席善学，何承发，郭 旗

(1.中国科学院 特殊环境功能材料与器件重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011； 2.中国科学院 新疆理化技术研究所，新疆电子信息材料与器件重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011； 3.中国科学院大学，北京 100049)

双极模拟电路在空间应用时，受到太空中高能带电粒子，如质子、重离子等轰击，输出电压会发生瞬态变化，即产生单粒子瞬态(SET)。SET可能会被与双极模拟电路相联的次级数字电路捕获，导致逻辑状态发生改变，使卫星出现功能故障。1992年，NASA的TOPEX卫星因双极运算放大器OP-15发生SET，导致相关传感器出现故障[1]；2001年，NASA的MAP卫星因为双极电压比较器LM139出现SET，致使卫星功能中断[2]；2016年，日本的ASTRO-H卫星因为星敏器件出现单粒子效应，最终导致卫星失控[3]。

除了单粒子效应，双极模拟电路在空间中累积电离总剂量(TID)，会产生低剂量率损伤增强效应(ELDRS)[4-5]。对于双极器件而言，地面评估需采用低剂量率进行辐照试验，大幅增加了评估的经济和时间成本。变温辐照加速评估方法通过在不同累积剂量范围设置不同温度来模拟低剂量率辐照，可大幅减少评估时间、降低评估成本，且已在双极运算放大器、双极分立器件、双极电压比较器和双极线性稳压器等多种不同类型器件中得到验证[6-11]。以累积电离总剂量为1 000 Gy(Si)为例，低剂量率0.1 mGy(Si)/s辐照需约4个月的时间，而变温0.03 Gy(Si)/s辐照则仅需9 h左右。

双极模拟电路在累积TID后，电学参数发生变化，会影响其SET[12-14]，但目前地面评估仅单一针对器件总剂量效应或单粒子效应进行评估，不能正确反应双极器件在空间应用的真实工作状态。由于低剂量率辐照的时间与经济成本过高，不利于开展双极器件的TID-SET协同效应研究。本文利用变温辐照模拟空间低剂量率环境，对双极电压比较器LM2903在不同偏置状态下的TID-SET协同效应进行研究，进一步扩展变温辐照方法的应用范围。

1 试验器件与方法

图1 变温辐照梯度简图Fig.1 Schematic of temperature switching irradiation

试验器件是美国TI公司生产的商用双极电压比较器LM2903。试验分为总剂量试验与单粒子试验两部分，具体试验条件为：1) 总剂量试验，在中国科学院新疆理化技术研究所进行，辐照源为60Co γ源，采用变温0.03 Gy(Si)/s进行辐照，变温梯度如图1所示(4条不同颜色的直线分别代表不同温度，在每条线包含的剂量范围内温度保持恒定，共有3个温度转变折点[15])，试验时器件偏置为零偏，累积总剂量为1 000 Gy(Si)；2) 单粒子试验，在中国科学院近代物理研究所重离子单粒子试验装置进行，重离子种类为Ta离子，LET=82 MeV·cm2/mg，试验时器件分为高电平偏置和低电平偏置两种工作状态，输出上拉电阻均为5 kΩ。高电平偏置和低电平偏置试验时样品各有两只：未辐照样品1只，变温辐照样品1只。样品均是同一厂家、同一批次，且经过筛选，确保两个样品初始值基本一致。

2 试验结果

在进行单粒子试验时，SET被数字示波器监测并存储，由于SET数量较多，因此需对采集到的SET波形进行幅值、宽度参数提取，进行统计处理。图2为高电平偏置和低电平偏置时LM2903的SET幅值-宽度变化情况。高电平偏置时，LM2903的SET幅值在累积TID后变小，辐照前SET最大幅值可达-5 V左右，累积TID到1 000 Gy(Si)后，SET最大幅值减小为-3 V。与之相反，低电平偏置时，LM2903的SET幅值在累积TID后变大，最大幅值由辐照前的约3.5 V变大到4.5 V左右；同时SET宽度在辐照后明显展宽，宽度从辐照前的0.2 μs左右展宽到1.5 μs左右。

图2 高电平偏置(a)和低电平偏置(b)时LM2903的SET幅值-宽度变化Fig.2 SET amplitude-width variation of LM2903 at high-level bias (a) and low-level bias (b)

3 分析和讨论

当重离子轰击到敏感晶体管(通常为关闭晶体管)时[13]，会产生大量电子空穴对，通过漂移扩散方式被集电极、发射极收集，同时载流子在输运过程中的复合导致部分电流被基极收集。此时晶体管从关闭状态转换为导通状态，进而影响电压比较器的输出状态。高电平输出偏置时，会产生负向SET；低电平偏置时，会产生正向SET。当器件没有累积TID，重离子激发的电子和空穴在被集电极、发射极收集时，复合作用较弱，被基极收集的电流较少，晶体管的导通状态强。当器件累积TID后，双极晶体管在收集被激发的电子空穴时，由于TID诱发的界面态陷阱电荷不但可充当复合中心，而且可改变Si-SiO2界面处能级位置，使表面处电子和空穴浓度更为相近，从而大幅增加电荷收集过程中的复合作用，被基极收集的电流多，晶体管的导通状态变弱。从宏观电参数变化来看，TID导致晶体管增益退化，致使其瞬态电流减小。图3为截止状态NPN晶体管累积TID后对单粒子效应电荷收集的影响。

图3 截止状态NPN晶体管累积TID后对单粒子效应电荷收集的影响Fig.3 Effect of off-state NPN transistor after accumulating TID on single event effect charge collection

图4为LM2903电路结构，LM2903的输出级集电极开路结构决定了偏置状态对其SET的不同影响。当电路处于高电平偏置状态时，输出电压为高电平，晶体管Q6处于关闭状态。重离子的轰击可能使Q6导通，从而使输出电压下降，即出现负向SET，累积TID后，Q6导通状态变弱，负向SET被抑制。当电路处于低电平偏置状态时，输出电压为低电平，晶体管Q6处于导通状态。重离子轰击到晶体管Q5时，可能会使Q5导通，吸收电流源Isc2的电流，则流过Q6基极的电流减少，Q6导通状态减弱，从而输出电压上升，即出现正向SET。累积TID会使晶体管Q5和Q6增益下降、电流源Isc2退化，导致Q6导通状态更弱，促进了正向SET。由于晶体管寄生电容的存在，退化的电流源对电容的充电时间变长[16]，导致SET宽度在辐照后明显展宽。虽然以上分析主要针对输出级电路，但是前级晶体管对电路的影响机制是一致的，都是在受到重离子轰击时改变导通状态，最终影响电压比较器的输出。在进行变温辐照试验时，LM2903的电参数变化通过STS-2107C半导体参数测试仪进行监测，结果如图5所示，随总剂量累积，LM2903的输入偏置电流和电源电流逐渐降低，说明晶体管增益发生退化。

图4 LM2903电路结构Fig.4 Circuit structure of LM2903

图5 LM2903的电参数随累积总剂量的变化Fig.5 LM2903 electrical parameter change with cumulative total dose

4 结论

本文将变温辐照快速评估方法应用到双极器件的TID-SET协同效应研究，既满足空间真实低剂量率辐照环境模拟，又大幅节约了试验时间与成本。对LM2903的研究表明，偏置状态对SET影响显著，高电平偏置状态下，SET在累积TID后受到抑制；而低电平偏置状态下，累积TID会使SET变得更加恶劣。TID诱发的界面态陷阱电荷是TID-SET协同效应出现的根本原因，而LM2903的集电极开路输出结构导致了不同偏置状态产生相反的TID-SET协同作用。本文研究结果对相关模拟电路在空间综合辐射环境的地面模拟评估和加固具有指导意义，低电平偏置时的TID-SET协同促进效应必须在航天应用前予以考虑。