检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：姚帅中国科学院大学

学位级别：博士

卫星在轨运行时，电子器件会受到空间辐射环境影响，造成器件性能退化甚至失效，严重威胁电子系统的可靠性。双极模拟电路具有高线性度、低噪声以及良好的驱动能力等特点，是航天电子系统重要的组成部分。空间高能粒子入射电路内部敏感... 详细信息

卫星在轨运行时，电子器件会受到空间辐射环境影响，造成器件性能退化甚至失效，严重威胁电子系统的可靠性。双极模拟电路具有高线性度、低噪声以及良好的驱动能力等特点，是航天电子系统重要的组成部分。空间高能粒子入射电路内部敏感晶体管时，会产生大量电子空穴并被迅速收集，导致电路输出发生瞬态变化，即单粒子瞬态，是双极模拟电路面临的主要单粒子效应，是一种瞬时扰动。同时，器件长时间工作在辐射环境下，会逐渐在氧化层和界面处累积陷阱电荷，形成总剂量效应。对于大多数双极模拟电路而言，其总剂量效应表现为低剂量率损伤增强效应。低剂量率辐射损伤增强效应在电路内部晶体管累积的陷阱电荷可能会影响单粒子瞬态发生时的电荷收集，对单粒子瞬态产生影响。目前，针对双极模拟电路的低剂量率辐射损伤增强效应和单粒子瞬态的研究主要是独立研究，缺乏对于二者之间的协同效应研究。所以通过科学试验，深入研究双极模拟电路的低剂量率辐射损伤增强效应和单粒子瞬态之间的协同效应，对于正确评估双极模拟电路的空间工作状态，增强电子系统可靠性具有重要意义。　　本文首先对模拟电路中的基础电路运算放大器和电压比较器进行了研究。针对运算放大器和电压比较器的总剂量和单粒子瞬态协同效应研究存在试验样品种类单一和试验条件不足的问题，本文利用激光试验装置在国际上率先对不同型号的运算放大器和电压比较器开展了多种条件下的总剂量与单粒子瞬态协同效应研究，利用Ne、Fe、Kr、Xe、Ta、Cu多种重离子研究了LET值对协同效应的影响，在国际上首次系统地获得了运算放大器和电压比较器的协同效应规律。对于运算放大器而言，器件型号对协同效应影响显著;总剂量会显著展宽单粒子瞬态的脉冲宽度，低剂量率损伤增强效应的存在会增强协同效应，不同偏置条件下的协同效应趋势一致，影响程度存在差异。对于电压比较器而言，低剂量率损伤增强效应会使协同效应更加显著，并且在不同工作偏置下表现为不同形式。从晶体管级和电路级分析两个方面阐述了协同效应的产生机理。　　在上述研究的基础上，首次研究了内部集成有运算放大器和电压比较器的多款不同工艺和不同型号的数模转换器和模数转换器的总剂量和单粒子协同效应。对于数模转换器而言，总剂量会影响单粒子瞬态的幅值和脉冲宽度，具体表现为正向脉冲宽度的增长和负向脉冲幅值的降低，这与运算放大器的协同效应密切相关;对于模数转换器而言，总剂量会使翻转码值向高位偏移，这同样由运算放大器和电压比较器的协同效应引起。　　针对总剂量和单粒子瞬态协同效应进行了仿真研究。利用Sentaurus TCAD软件提取了累积总剂量前后，单粒子效应发生时的电压、能带、表面复合速率和导通电流变化，从微观机制上分析了总剂量对单粒子瞬态电流收集的影响。利用Hspice软件分别对运算放大器和电压比较器进行电路级仿真，确定了不同晶体管对协同效应的影响，并通过提取电路内部节点电压，分析了瞬态在电路内部传播过程。仿真结果与试验结果相结合，增强了对协同效应机理的理解，进一步完善的协同效应的研究。　　本文从实际工程应用角度出发，率先开展了双极模拟电路的的低剂量率损伤增强效应和单粒子瞬态协同效应的快速评估研究。在国际上首先进行了变温辐照方法在协同效应快速评估的应用研究，并首次全面对比了高剂量率、低剂量率和变温辐照后的单粒子瞬态变化。结果表明，变温辐照方法可以快速准确地评估双极运算放大器和电压比较器的协同效应。　　针对双极模拟电路总剂量效应与单粒子瞬态协同效应研究存在的问题，本工作创新点体现在如下方面:　　(1)基于激光单粒子试验装置和多种不同LET重离子试验条件，系统获得了模拟电路总剂量与单粒子瞬态的协同效应规律，为抗辐射电路设计人员提供了数据支撑，对于保证模拟电路在空间的可靠应用具有重要意义;(2)基于Sentaurus TCAD软件和Hspice软件进行了协同效应仿真研究，从晶体管级揭示了累积陷阱电荷对瞬态电荷的收集影响机制，从电路层次确定了协同效应瞬态的传播路径，进一步完善了协同效应的研究;(3)基于对模拟电路协同效应规律和机理的研究，针对双极模拟电路的协同效应快速评估方法进行了研究，扩展了变温辐照方法的应用范围，初步建立了双极模拟电路低剂量率损伤增强效应与单粒子瞬态协同效应快速评估方法，为满足快速增长的航天元器件需求提供了快速评估保障。

关键词：双极模拟电路单粒子瞬态总剂量效应协同效应变温辐照

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典型模拟电路低剂量率辐照损伤增强效应的研究与评估

引用

物理学报 2018年第9期67卷 196-203页

作者：李小龙陆妩王信郭旗何承发孙静于新刘默寒贾金成姚帅魏昕宇中国科学院新疆理化技术研究所中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室乌鲁木齐830011 新疆电子信息材料与器件重点实验室乌鲁木齐830011 中国科学院大学北京100049

采用变剂量率和变温两种辐照方法,对4款典型模拟电路的低剂量率辐照损伤特性及变化规律进行了研究与评估,分析了两种辐照方法下其辐照敏感参数的变化,比较了不同辐照方式下器件的退化程度,讨论了这两种实验室加速评估低剂量率辐照损伤... 详细信息

采用变剂量率和变温两种辐照方法,对4款典型模拟电路的低剂量率辐照损伤特性及变化规律进行了研究与评估,分析了两种辐照方法下其辐照敏感参数的变化,比较了不同辐照方式下器件的退化程度,讨论了这两种实验室加速评估低剂量率辐照损伤方法的机理.结果显示,变剂量率辐照可以较快地预测实际低剂量率下的辐照损伤趋势,且在较低的总剂量下能够给出不太保守的估计,但其预测的总剂量受到器件退化速度的影响;变温辐照加速评估方法能够保守地估计其低剂量率下的辐照损伤,其评估范围不仅可达1000 Gy(Si),且可将评估时间缩短为12 h左右.研究结果表明,双极电路的低剂量率辐照损伤增强效应与感生的界面态密度和氢化的氧空位缺陷有关,辐照时剂量率和温度的改变会促进界面态的生长,抑制界面态的钝化作用,从而激发器件的辐照损伤潜能.

关键词：双极模拟电路低剂量率辐照损伤增强效应加速评估方法

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