變溫恒劑量率輻照加速評估方法在雙極線性穩壓器LM317上的應用

鄧 偉，陸 嫵，郭 旗，何承發，吳 雪，王 信，張晉新，張孝富，鄭齊文，馬武英

(1.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；

2.中國科學院大學，北京 100049)

雙極器件普遍存在的低劑量率損傷增強效應(ELDRS)[1-5]給空間電子器件抗輻射能力的實驗室評估帶來很大困難。若采用實際空間環境的典型劑量率(10-6～10-4Gy(Si)/s)對空間電子元器件進行抗輻射能力評估，不僅成本高，而且耗時長。實驗室常采用0.5～3 Gy(Si)/s的劑量率來評估雙極器件和集成電路，由于ELDRS的存在，這種評估結果會與電子元器件在實際空間低劑量率下的抗輻射能力不符，從而給航天器電子系統的可靠性及壽命帶來威脅。因此找到一種可靠、高效的雙極電路的ELDRS加速評估方法顯得尤為重要。

對于加速雙極器件和電路的ELDRS評估，美軍標MIL-STD-883G給出以下評估方法：1) 實際低劑量率(1×10-4Gy(Si)/s)輻照；2) 恒高溫恒劑量率(100 ℃，5×10-3～5×10-2Gy(Si)/s)輻照；3) 高劑量率輻照后加溫退火；4) 變劑量率輻照；5) 其他方法。除方法1、2給出了具體的實驗標準和劑量率外，其他方法均沒有具體的實驗方案，且目前文獻中已報道的各種加速評估方法均存在不足。變劑量率方法存在所需時間長、評估總劑量不高及所需器件數量多等缺點[6-7]；恒高溫恒劑量率輻照損傷明顯小于低劑量率輻照[8]，且以上評估方法均僅對某些特定器件的ELDRS加速評估有較好效果。國際上至今還沒有一種加速評估方法能加速評估出所有器件的ELDRS，也沒有快速鑒別器件是否具有ELDRS的有效方法。近年來，中國科學院新疆理化技術研究所在對電子元器件進行大量加速評估研究的基礎上，最先提出了變溫恒劑量率輻照加速評估方法[9-10]，并利用此方法對純雙極、JFET輸入的運算放大器及不同工藝的NPN雙極晶體管是否具有ELDRS進行了快速鑒別和加速評估。但前期的變溫恒劑量率輻照僅用于對一種偏置條件的評估，且變溫恒劑量率輻照加速評估方法的普適性還需各種類型器件進行驗證。

雙極集成三端線性穩壓器因具有輸出穩定、負載電流大、靜態電流小及使用簡單方便等優點，被廣泛應用于各種空間電子系統的直流穩壓電源的設計中，因此，對雙極線性穩壓器進行ELDRS加速評估十分重要。為驗證變溫恒劑量率輻照相對美軍標恒高溫恒劑量率輻照的優越性及變溫恒劑量率輻照評估方法的普適性，本工作選用3個公司生產的同一型號雙極集成線性穩壓器LM317進行高、低劑量率輻照，變溫恒劑量率輻照和美軍標恒高溫恒劑量率輻照的對比實驗。

1 實驗樣品和方法

實驗樣品為仙童(Fairchild)、意法半導體(ST)和國家半導體(NSC) 3個公司生產的同一型號的雙極線性穩壓器LM317。采用的4種輻照方案分別為：室溫高劑量率(0.5 Gy(Si)/s)、室溫低劑量率(5×10-4Gy(Si)/s)、恒高溫恒劑量率(100 ℃，0.02 Gy(Si)/s)、變溫恒劑量率(125～50 ℃階梯降溫，0.02 Gy(Si)/s)。變溫恒劑量率輻照加速評估方法為：首先在125 ℃的恒高溫下將器件輻照至50 Gy(Si)的總劑量；然后在恒溫100 ℃下將器件輻照至100 Gy(Si)的總劑量；再在恒溫65 ℃下將器件輻照至200 Gy(Si)的總劑量；最后將器件在恒溫50 ℃下輻照至300 Gy(Si)。樣品輻照偏置分為兩種：1)Vin=10 V、Vout=5 V和I0=50 mA的工作偏置；2) 3個管腳全部接地的零偏偏置。圖1 為LM317的功能框圖和工作偏置電路，為實現其+5 V輸出和50 mA負載的工作偏置，需外接電阻Ra=240 Ω、Rb=720 Ω、RL=100 Ω。

輻照實驗在中國科學院新疆理化技術研究所60Co大、小輻射源上進行。每次輻照實驗的樣品均放在按照美軍標制作的Pb/Al屏蔽盒內，以屏蔽低能散射，防止劑量率增強效應對實驗的影響。劑量率統一采用FeSO4劑量計標定。高溫實驗在恒溫箱內進行，恒溫箱具有抗輻照、箱內溫度實時可調、調溫后升降溫度快及恒溫輻照時箱內溫度變化不超過2 ℃等優點。雙極線性穩壓器的所有電學參數測試均在Amida3000智能靜態參數測試儀上完成，對輸出電壓變化百分比η、壓降電壓Vdrop、線性調整率、負載調整率、對地靜態電流等敏感參數進行了測量。參數測量均在輻照后20 min內完成。

圖1 LM317的功能框圖和工作偏置電路

2 實驗結果

2.1 雙極線性穩壓器輻射損傷敏感參數測試

輻照測試結果發現，在測試的所有電參數中，η、Vdrop均為輻射敏感參數。如圖1所示，輸出電壓在Amida3000智能負載50 mA條件下測得，η定義為：η=(Vout1-Vout0) /Vout0×100%，Vout0、Vout1分別為輻照前、后穩壓器輸入電壓Vin=10 V 時的輸出電壓。壓降電壓Vdrop定義為：固定負載50 mA下，當Vin滿足使輸出Vout=Vref-0.1 V時，Vdrop=Vin-Vref，即保持輸出電壓穩定的最小輸入電壓與輸出電壓的差值，其中Vref為輸入電壓Vin=10 V時的輸出端的電壓。

2.2 變溫恒劑量率輻照對3公司LM317的影響

1) 變溫恒劑量率輻照對LM317的η的影響

圖2～4分別為3個公司的LM317在零偏和工作偏置下，室溫高、低劑量率輻照，變溫恒劑量率輻照和恒高溫恒劑量率輻照時η隨總劑量的變化。零偏偏置下，η表現出明顯的ELDRS。而工作偏置時，高、低劑量率輻照下，除Fairchild公司的LM317在輻照劑量累積至300 Gy(Si)時η相接近，表現出無劑量率效應外，其他兩公司LM317的η經與低劑量率輻照相同時間的室溫退火后，基本達到與低劑量率輻照相當的水平，表現出明顯的時間相關效應(TDE)[11]。

圖2 不同輻照方法下Fairchild公司LM317的η隨總劑量的變化

圖3 不同輻照方法下ST公司LM317的η隨總劑量的變化

圖4 不同輻照方法下NSC公司LM317的η隨總劑量的變化

由圖2～4可看出，3個公司的LM317在零偏偏置、變溫恒劑量率輻照下，η的損傷明顯較高劑量率輻照下的損傷大，且與低劑量率輻照下的損傷接近。而在零偏偏置、恒高溫恒劑量率輻照下，3個公司的LM317的輻照損傷均遠小于低劑量率的輻照損傷，僅與高劑量率輻照下的損傷相當?？傻贸?，變溫恒劑量率輻照的損傷明顯大于恒高溫恒劑量率輻照的損傷。

由圖2～4還可看出，3個公司的LM317在工作偏置、變溫恒劑量率輻照和恒高溫恒劑量率輻照下，除Fairchild公司的LM317的η與高、低劑量率輻照下的損傷相接近外，ST和NSC公司LM317的η損傷均較高劑量率輻照下的小。

2) 變溫恒劑量率輻照對LM317壓降電壓的影響

圖5～7分別為3個公司的LM317在零偏偏置和工作偏置下，室溫高、低劑量率輻照，變溫恒劑量率輻照和恒高溫恒劑量率輻照時Vdrop隨總劑量的變化?？煽闯?，3個公司的LM317在零偏偏置下，Vdrop在低劑量率輻照下的損傷較高劑量率輻照下的大，表現出明顯的ELDRS。而在工作偏置輻照下，除NSC公司的LM317在低劑量率下的輻照損傷較高劑量率輻照的小外，其他兩公司LM317的Vdrop在高、低劑量率輻照下的損傷接近，表現出無劑量率效應。

圖5 不同輻照方法下Fairchild公司LM317的Vdrop隨總劑量的變化

圖6 不同輻照方法下ST公司LM317的Vdrop隨總劑量的變化

圖7 不同輻照方法下NSC公司LM317的Vdrop隨總劑量的變化

由圖5～7還可看出，在零偏偏置下，Vdrop在變溫恒劑量率輻照下的損傷較恒高溫恒劑量率輻照和高劑量率輻照的大，且變溫恒劑量率輻照的結果與低劑量率輻照的結果十分接近，能較好地模擬出雙極線性穩壓器Vdrop的低劑量率輻照損傷。而恒高溫恒劑量率輻照下，Vdrop的損傷均明顯小于低劑量率輻照的損傷，僅與高劑量率輻照的結果相一致。

由圖5～7還可看出，3個公司的LM317在工作偏置輻照下，Fairchild和ST公司的LM317在不同劑量率下的輻照損傷無明顯差異，變溫恒劑量率輻照結果能很好地反映Fairchild和ST公司的LM317在高、低劑量率輻照下損傷無明顯差異這一輻照特性。而NSC公司的LM317在工作偏置下，變溫恒劑量率和恒高溫恒劑量率輻照對Vdrop的損傷與低劑量率輻照的接近，且均明顯小于高劑量率輻照下的損傷。

3 討論

從上述實驗結果可看出，3個公司生產的同一款雙極線性穩壓器的敏感參數在不同偏置下均表現出類似的變化規律，即零偏偏置下均表現出ELDRS，工作偏置下表現出時間相關效應或無劑量率效應的差異。變溫恒劑量率輻照的結果不僅較好地模擬了3個公司生產的同一款雙極線性穩壓器的ELDRS，而且較好地鑒別了其劑量率效應的性質，其評判方法完全符合文獻[9]提出的評判標準，即變溫恒劑量率輻照可對不同偏置下的器件輻射效應的性質進行正確鑒別。

關于偏置對雙極線性穩壓器輻射損傷的影響，文獻[11-12]已作了大量探討；而對于雙極電路的ELDRS，文獻[1-5]用空間電荷模型進行了闡述，本文不再敘述。與美軍標恒高溫恒劑量率輻照加速評估方法相比，變溫恒劑量率輻照加速評估方法的優越性主要與兩方面因素有關。一方面與輻射感生的深、淺氧化物陷阱電荷的不同退火特性有關[8-9]。研究[8,13]表明，淺氧化物陷阱電荷在室溫下能失去束縛電荷發生退火，而深氧化物陷阱電荷在溫度高于100 ℃時才會發生大量退火。變溫恒劑量率輻照的前半階段采用了125 ℃和100 ℃的溫度輻照，大量的深、淺氧化物陷阱電荷發生退火，造成氧化物空間電場減弱，使更多的空穴和H+在很小的空間電場阻礙下快速遷移到達SiO2-Si界面，與界面處的懸掛鍵形成大量的界面態，而界面態在175 ℃高溫下才會發生大量退火[8,13]；變溫恒劑量率輻照的后半階段隨著輻照溫度降低至65 ℃和50 ℃，在界面態繼續形成的同時，只有淺氧化物陷阱電荷發生了退火，大部分深氧化物陷阱電荷被保留下來，使在變溫恒劑量率輻照下的氧化物中擁有最大的輻照感生凈正氧化物陷阱濃度和界面態濃度，最終導致損傷增強。另一方面，變溫恒劑量率輻照損傷較恒高溫恒劑量率輻照的大是因為輻射損傷并非隨輻照溫度的升高而持續增長，而是隨輻射劑量的增加使輻射損傷達到最大的輻照峰值溫度逐漸向低溫方向移動，與總劑量呈線性關系[9]。階梯降溫的變溫恒劑量率輻照加速評估方法利用輻射最大損傷峰值溫度與總劑量的線性關系，發揮了其輻射損傷的作用。因此，對具有ELDRS的電路采用變溫恒劑量率輻照加速評估方法較恒高溫恒劑量率輻照加速評估方法更可靠。

零偏偏置下雙極線性穩壓器均表現出ELDRS，說明由輻射感生界面態的損傷占主導地位[5]。相比恒高溫恒劑量率輻照，變溫恒劑量率輻照更有利于界面態和深氧化物陷阱電荷的產生。ST和NSC公司LM317的η和NSC公司LM317的Vdrop在工作偏置下低劑量率的輻照損傷均較高劑量率的小，表現出時間相關效應，說明氧化物陷阱電荷造成的損傷占主導地位[5]。加溫輻照使大量氧化物陷阱電荷發生退火，造成加溫輻照下的損傷較高劑量率輻照下的小。因此，采用變溫恒劑量率輻照和恒高溫恒劑量率輻照均能較好地鑒別出時間相關效應。在工作偏置輻照下，Fairchild公司LM317的η及ST、NSC公司雙極線性穩壓器的Vdrop均表現出無劑量率效應，說明輻照感生的氧化物陷阱電荷和界面態對劑量率和溫度的依賴關系均不明顯。

相較于恒高溫恒劑量率輻照方法不能鑒別出3個公司的LM317在零偏偏置時具有ELDRS，文獻[9]首先提出的變溫恒劑量率輻照加速評估方法，無論是對具有ELDRS的零偏偏置還是對具有時間相關效應或無劑量率效應的工作偏置，均能正確鑒別其劑量率效應，且能較準確地模擬3款雙極線性穩壓器在零偏偏置、低劑量率輻照下的損傷，體現了變溫恒劑量率輻照加速評估方法的優越性。變溫恒劑量率輻照加速評估方法在雙極線性穩壓器LM317上的成功應用，使該種加速評估方法的普適性得到了更進一步的驗證。

4 結論

通過本文的實驗結果及其分析可得出以下結論。

1) 3個公司的LM317在零偏偏置下均表現出ELDRS，而在工作偏置下表現出時間相關效應和無劑量率效應。

2) 變溫恒劑量率輻照加速評估方法能正確加速評估出所有LM317在不同偏置下的劑量率效應，且能較好地模擬3個公司的LM317在零偏偏置、低劑量率輻照下的輻射損傷，而美軍標恒高溫恒劑量率輻照加速評估方法并不能加速評估出3個公司的LM317在零偏偏置輻照下具有ELDRS，因此，采用變溫恒劑量率輻照加速評估方法對LM317進行ELDRS加速評估較恒溫加速評估方法更可靠。

3) 與美軍標恒高溫恒劑量率輻照相比，變溫恒劑量率輻照加速評估方法體現出其優越性是因為：深、淺氧化物陷阱電荷的不同退火特性導致；變溫加速評估方法從高到低的階梯溫度正好滿足了各劑量階段的最大損傷溫度。

4) 變溫恒劑量率輻照對3個公司的LM317的成功加速評估，使該加速評估方法的普適性得到了更進一步的驗證。

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