双极运算放大器在不同电子能量下的辐射效应和退火特性

实验三、双极型运算放大器特性参数测量一、实验设备（1）集成运算放大器测试仪（BJ3190A），（2）BJT 运算放大器（LM741、OP07）二、实验目的1、熟悉运算放大器特性参数测试原理；2、掌握使用集成电路特性测试仪测量运算放大器特性参数的方法；3、学会利用手册的特性参数计算运算放大器直流特性宏模型参数的方法。

三、算放大器特性参数的测试原理运算放大器的符号如图35.1，它有两个输入端，一个是反相输入端用“—”表示，另一个位同相输入端，用“+”表示。

可以单端输入，也可以双端输入。

若把输入信号接在“—”输入端，而“+”端接地，或通过电阻接地，则输出信号与输入信号反相，反之则同相。

若两个输入端同时输入信号电压为V_和V+时，其差动输入信号为VID=V_—V+。

开环输出电压Vo=Avo VID，Avo为开环电压放大倍数。

运算放大器在实际使用中，为了改善电路的性能，在输入端和输出端之间总是接有不同的反馈网络。

通常是接在输出端和反相输入端之间。

1、开环电压增益开环电压增益是指放大器在无反馈时的差模电压增益，其值为输出电压变化量⊿V o和输入电压变化量⊿VI之比Avo = ⊿Vo/⊿VI 由于Avo很大，输入信号VI很小，加之输入电压与输出电压之间有相位差，从而引入了较大的测试误差，实际测试中难以实现。

测试开环电压增益时，都采用交流开环，直流闭环的方法。

直流通过RF实现全反馈，放大器的直流增益很小，故输入直流电平十分稳定，不需进行零点调节。

取CF足够大，以满足RF >>1/ΩCF，使放大器的反相端交流接地，以保证交流开环的目的。

这样只要测得交流信号和电压VS和VO和，就能得到Avo = Vo/VI= Vo/[R1/(R+R2) Vs]=(R1+R2)/R1•(Vo/VS) 在讯号频率固定的条件下，增加输入信号电压幅度，使输出端获得最大无失真的波形。

保持输入电压不变，增加输入电压频率，当输出电压的幅值降低到低频率值的0.707倍，此时频率为开环带宽。

双极型晶体管品体管的极限参数品体管的极限参数双极型晶体管(BipolarTransistor)由两个背匏背型空构成的具有电流放大作用的晶体三极管。

起源于1948年发明的点接触晶体三极管，50年代初发展成结型三极管即现在所称的双极型晶体管。

双极型晶体管有两种基本结构：PNP型和NPN型。

在这3层半导体中，中间一层称基区，外侧两层分别称发射区和集电区。

当基区注入少量电流时，在发射区和集电区之间就会形成较大的电流，这就是晶体管的放大效应。

双极型晶体管是一种电流控制器件，电子和空穴同时参与导电。

同场效应晶体管相比,双极型晶体管开关速度快，但输入阻抗小，功耗大。

双极型晶体管体积小、重量轻、耗电少、寿命长、可竟性高，已广泛用于广播、电视、通信、雷达、计算机、臼控装置、电子仪器、家用电器等领域，起放大、振荡、开关等作用。

晶体管：用不同的掺杂方式在同一个硅片上制造出三个掺杂区域，并形成两个PN结，就构成了晶体管.晶体管分类：NPN型管和PNP型管输入特性曲线：描述了在管乐降UCE一定的情况下，基极电流iB与发射结压降uBE之间的关系称为输入伏安特性，可表示为：硅管的开启电压约为0.7V,铸管的开启电压约为0.3V。

输出特性曲线：描述基极电流旧为一常量时，集电极电流iC与管乐降uCE之间的函数关系。

可表示为：双击型晶体管输出特性可分为三个区♦截止区：发射结和集电结均为反向偏置。

IE@0,IC@0,UCE@EC,管子失去放大能力。

如果把三极管当作一个开关，这个状态相当于断开状态。

♦饱和区：发射结和集电结均为正向偏置。

在饱和区IC不受IB的控制，管子失去放大作用，UCE@0,IC=EC/RC,把三极管当作一个开关，这时开关处于闭合状态。

♦放大区：发射结正偏，集电结反偏。

放大区的特点是：♦IC受IB的控制，与UCE的大小几乎•无关。

因此三极管是一个受电流IB控制的电流源。

♦特性曲线平坦部分之间的间隔大小，反映基极电流IB对集电极电流IC控制能力的大小，问隔越大表示管子电流放大系数b越大。

双高速低噪声运算放大器AD8022关键字：放大器功耗电流1概述AD8022由两个低噪声的高速电压反馈放大器组成。

它的两个输入端产生的电压噪声只有2．5nV／√Hz。

同时具有带宽宽，失真小等特性。

当驱动电容负载时，AD8022具有较高的输出电流和较好的稳定性。

它的功耗较小，在5V到±12V的电源下工作时，每个放大器仅消耗4．0mA的静态电流。

AD8022采用8脚microSOIC和SOIC封装。

由于其过电压恢复时间短，带宽宽，所以它可以作为非对称数字用户线（ADSL：Asymmetric Digital Subscriber Line）、超高速数字用户线（VDSL：Very－high－data－rate Digital Sub－scriber Line）以及其它xDSL收发信机的接收信道前端。

另外，AD8022中的两个独立的电压反馈放大器也可以作为线路变压器的差动接收器或xDSL线路接口电路的有源滤波器。

图1所示为AD8022的引脚排列图。

2 特性参数及性能2 .1 最大功率损耗AD8022的最大功耗受外壳结温的限制。

对于塑料封装的器件，它的最大安全结温大约为150℃。

一旦超过这个限制，会使外壳与基底的应力发生改变，从而引起性能参数的漂移。

若长时间地使结温高于175℃，则会造成器件的失灵。

虽然AD8022具有短路保护功能，但这仍不能充分保证器件在各种条件下都没有超过结温。

为了确保器件的安全，必须根据最大功率降额曲线来进行操作。

2．2电源和退耦为了使AD8022能够发挥较好的技术性能，应提供高质量的±12V电源。

同时在工作中，必须注意对电源引脚端的退耦。

对于低频信号，应在AD8022附近放置一对10μF 的电容。

另外，在每个引脚旁，也应尽可能近地连接一个0．1μF的退耦电容。

AD8022具有低噪声、低失真、低功耗、高速度等性能。

表1给出了AD8022的主要性能参数（工作条件为T＝25℃，Vs＝±12V，RL＝500Ω，G＝1）。

目录前言 (2)第一章 运算放大器简介§1.1 运算放大器概述 (3)§1.2 几种不同结构的运算放大器 (5)§1.3 研究GPCAD优化方法的理由 (6)第二章 MOS场效应管模型以及二级运放工作原理介绍§2.1 MOS场效应管模型 (6)§2.2 两级运放的性能参数与约束分析 (8)第三章 设计和仿真结果§3.1 运放性能指标 (19)§3.2 基本单元的设计和仿真结果§3.2.1 工艺参数近似值的测定 (20)§3.2.2 二级运放的设计 (26)§3.2.3 参数规格的手工验证 (30)§3.2.4 spice仿真结果 (33)§3.3 运放性能指标的对比（手工vs.Hspice仿真） (37)第四章 运放的几何方法优化概论§4.1 GPCAD介绍 (38)§4.2 GP模型介绍 (39)第五章 设计讨论§5.1 二级运放的补偿问题 (42)§5.2 设计中的不足与计划 (45)结束语 (46)参考文献 (47)致谢 (48)附录一 (49)附录二 (50)前言我的论文题目是《CMOS运算放大器的设计和优化》。

我们可以知道无论在数字还是模拟电路中，运算放大器运用之广泛是显而易见的。

信号中包含有某种类型的信息，例如声波是由说话的人发出的，它包含了一个人向另一个人传达的信息。

我们身体的感觉，如听觉、视觉和触觉等都是模拟信号。

模拟信号可以用温度、压力和风速之类的参数来代替。

这里我们感兴趣的是电子信号，如来自CD的输出信号、来自麦克风的信号或者来自心律监视器的信号等。

这些电子信号的形式是时变电流或者时变电压。

模拟信号的幅值是任意的，并且在时间上是连续的。

处理模拟信号的电子电路成为模拟电路。

线性放大器放大输入信号，输出一个比输入信号大常数倍的信号。

第44卷第5期2021年5月V ol.44，No.5May2021核技术NUCLEAR TECHNIQUES双极运算放大器LM158电离总剂量与重离子协同辐射效应研究蔡娇1,2,3姚帅2,3,4陆妩1,2,3于新2,3王信2,3李小龙2,3刘默寒2,3孙静2,3郭旗2,31（新疆大学物理科学与技术学院乌鲁木齐830046）2（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）3（新疆电子信息材料与器件重点实验室乌鲁木齐830011）4（中国科学院大学北京100049）摘要为研究双极运算放大器电离总剂量与单粒子瞬态的协同效应，选取双极运算放大器LM158分别在高剂量率0.1Gy·s−1（Si）和低剂量率1×10−4Gy·s−1（Si）条件下进行60Coγ射线辐照试验，累积电离总剂量至1000Gy （Si）后，再进行重离子类型为钽（Ta）离子的协同辐照试验。

试验结果表明：电离总剂量会导致运算放大器LM158的单粒子瞬态脉冲幅值减小和脉冲展宽，同时，相比于高剂量率辐照条件，低剂量率辐照条件下双极运算放大器LM158的瞬态脉冲宽度展宽50%。

研究发现，电离总剂量在双极晶体管中累积的界面陷阱电荷是产生电离总剂量与单粒子瞬态协同效应的根本原因。

关键词双极运算放大器，电离总剂量，单粒子瞬态，协同效应中图分类号TL99DOI:10.11889/j.0253-3219.2021.hjs.44.050502Synergistic effect of total ionization dose and single event transient in bipolaroperational amplifier LM158CAI Jiao1,2,3YAO Shuai2,3,4LU Wu1,2,3YU Xin2,3WANG Xin2,3LI Xiaolong2,3LIU Mohan2,3SUN Jing2,3GUO Qi2,31(School of Physical Science and Technology,Xinjiang University,Urumqi830046,China)2(Key Laboratory of Special Environment Functional Materials and Devices,Xinjiang Institute of Physics and Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Urumqi830011,China)3(Xinjiang Key Laboratory of Electronic Information Materials and Devices,Urumqi830011,China)4(University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China)Abstract[Background]Bipolar devices used in space radiation environment for a long time are simultaneously threatened by the total ionization dose(TID)effect and single event transient(SET),and there is a synergistic effect国家自然科学基金青年基金(No.11805270)、自治区天池博士计划项目(新科政字[2018]111号)、中科院西部之光(No.2017-XBQNXZ-B-008)资助第一作者：蔡娇，女，1995年出生，2018年毕业于成都理工大学，现为硕士研究生，研究方向为空间辐射环境下双极电子元器件的辐射效应通信作者：陆妩，E-mail：收稿日期：2021-01-04，修回日期：2021-03-11Supported by National Natural Science Foundation of China Youth Foundation(No.11805270),The Doctor Program of Tianchi Autonomous Region (No.[2018]111),The Western Light of Chinese Academy of Sciences(No.2017-XBQNXZ-B-008)First author:CAI Jiao,female,born in1995,graduated from Chengdu University of Technology in2018,master student,focusing on radiation effect of bipolar electronic components in space radiation environmentCorresponding author:LU Wu,E-mail:Received date:2021-01-04,revised date:2021-03-11蔡娇等：双极运算放大器LM158电离总剂量与重离子协同辐射效应研究between TID and SET.The enhanced low dose rate sensitivity(ELDRS)effect unique to bipolar devices may affect the synergistic effect.[Purpose]This study aims to investigate the physical mechanism of TID's impact on the SET in bipolar operational amplifier LM158.[Methods]First of all,the LM158samples were irradiated by60Coγ-ray of a high dose rate of0.1Gy·s−1(Si)and a low dose rate of1×10−4Gy·s−1(Si).Then,the heavy ion(Tantalum)irradiation test was performed after the total dose was accumulated to1000Gy(Si).The output single event transients of irradiated LM158were observed by oscilloscope,and all the collected SETs were saved in computer and processed by MATLAB programming.[Results]The experimental results show that the TID of bipolar operational amplifier LM158causes the SET pulse amplitude to decrease and pulse width to expand.At the same time,compared with the high dose rate irradiation condition,the SET pulse width of LM158is expanded by50%under the low dose rate irradiation condition.[Conclusions]The study indicates that the interface trap charge accumulated in the bipolar transistor is the fundamental reason for the synergistic effect of TID and SET.Key words Bipolar operational amplifier,Total ionization dose,Single event transient,Synergistic effect太空中存在的高能粒子和宇宙射线会在半导体器件中沉积能量，使电子器件产生辐射效应，影响电子系统正常工作，是星用电路可靠性面临的最主要问题。

《两级运放的自激现象及微波EDA分析》近年来，两级运放的自激现象及微波EDA分析逐渐成为学术界和工程界关注的热点。

两级运放（Two-Stage Operational Amplifier）作为一种重要的电子元件，在各种电路和系统中得到广泛应用，因此对其自激现象和微波EDA的研究显得尤为重要。

在本文中，我们将深入探讨两级运放的自激现象以及微波EDA分析，并提出个人观点和理解，希望能对读者有所启发。

1. 两级运放的自激现象让我们一起来了解两级运放的自激现象。

两级运放作为一种重要的放大电路结构，它具有较高的增益、宽带和良好的动态特性，因此在各种电子系统中得到广泛应用。

然而，在实际应用中，由于器件非理想性、布局、工艺等因素的影响，两级运放可能出现自激现象。

自激现象会导致两级运放的输出频谱发生畸变，甚至会对整个电路系统的稳定性和性能造成严重影响。

对两级运放的自激现象进行深入研究和分析，对于电子系统的设计和优化具有重要意义。

2. 微波EDA分析我们来讨论微波EDA分析在两级运放自激现象研究中的应用。

微波EDA（Microwave Electronic Design Automation）是一种系统化的设计方法，可以帮助工程师和研究人员在微波频段进行电路和系统的设计、分析和优化。

在两级运放的自激现象研究中，微波EDA可以帮助我们快速建立电路模型，进行仿真和分析，发现潜在的自激问题并提出解决方案。

通过微波EDA工具，我们可以更加全面地理解两级运放的自激机制，加深对其内在特性的认识，并为系统的稳定性和性能提供保障。

3. 个人观点和理解在我看来，对于两级运放的自激现象及微波EDA分析的研究，不仅需要深入理论，更需要结合实际应用进行探讨。

只有将理论知识与实际工程问题相结合，才能更好地指导工程实践并推动技术的进步。

在未来的研究中，我希望能够更加注重两级运放自激现象在实际系统中的应用，并结合微波EDA工具进行深入分析。

通过不断实践和总结，不断完善和拓展相关理论和方法，为电子系统的设计和应用提供更加可靠和高效的技术支持。

不同偏置下电流反馈运算放大器的电离辐射效应王义元;陆妩;任迪远;郑玉展;高博;陈睿;费武雄【摘要】Current-feedback amplifier (CFA) based on the complementary bipolar processes was irradiated by 60 Co γ of low and high dose-rates under different biases. The damage varies with the biases and dose-rates. Irradiated with all pins grounded, the device gets more degradation at low dose rate than that at high dose rate. It exhibits enhanced low dose rate sensitivity (ELDRS). But the degradation is small under low supply voltage, and the difference between low and high dose-rates is not obvious.While under high supply voltage, the damage is severer at high dose rate than low dose rate,and it rebounds after irradiation annealing experiment, which is time-dependent effects. The ELDRS of bipolar device is related to the biases during the irradiation.%在不同偏置条件下,对基于互补双极工艺生产的电流反馈运算放大器(CFA)进行了高低剂量率下的电离辐射效应研究.研究发现,在不同偏置条件下,器件损伤差异明显.在零偏条件下,器件在低剂量率下损伤显著增强,表现为低剂量率损伤增强效应(ELDRS);在小工作电压下辐照时,器件损伤较小,且不同剂量率之间损伤差异不明显;而在大工作电压下辐照时,器件在高剂量率下的损伤明显大于低剂量率下的损伤,在随后的室温退火中,又恢复到与低剂量率损伤相当的程度,表现为时间相关效应.结果表明,双极器件是否具有ELDRS效应与实验偏置条件有重要关系.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2011(045)004【总页数】6页(P461-466)【关键词】电离辐射;电流反馈运算放大器;偏置;低剂量率损伤增强效应【作者】王义元;陆妩;任迪远;郑玉展;高博;陈睿;费武雄【作者单位】中国科学院新疆理化技术研究所,新疆乌鲁木齐830011;新疆电子信息材料与器件重点实验室,新疆乌鲁木齐830011;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院新疆理化技术研究所,新疆乌鲁木齐830011;新疆电子信息材料与器件重点实验室,新疆乌鲁木齐830011;中国科学院新疆理化技术研究所,新疆乌鲁木齐830011;新疆电子信息材料与器件重点实验室,新疆乌鲁木齐830011;中国科学院新疆理化技术研究所,新疆乌鲁木齐830011;新疆电子信息材料与器件重点实验室,新疆乌鲁木齐830011;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院新疆理化技术研究所,新疆乌鲁木齐830011;新疆电子信息材料与器件重点实验室,新疆乌鲁木齐830011;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院新疆理化技术研究所,新疆乌鲁木齐830011;新疆电子信息材料与器件重点实验室,新疆乌鲁木齐830011;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院新疆理化技术研究所,新疆乌鲁木齐830011;新疆电子信息材料与器件重点实验室,新疆乌鲁木齐830011;中国科学院研究生院,北京100049【正文语种】中文【中图分类】TN431.1;O571.33根据电路结构、工作模式的不同，运算放大器可分为电流反馈型和电压反馈型运算放大器。

第19卷第5期 半　导　体　学　报 V o l.19,N o.5 1998年5月 CH I N ESE JOU RNAL O F SE M I CONDU CTOR S M ay,1998　双极运算放大器的辐射效应和退火特性陆　妩　任迪远　郭　旗　余学锋　范　隆　张国强　严荣良(中国科学院新疆物理研究所　乌鲁木齐　830011)摘要　本文介绍了O P207双极运算放大器的60CoΧ射线、不同能量电子和质子的辐照试验以及60CoΧ和电子辐射损伤在室温和100℃高温条件下的退火效应,揭示了双极运算放大器电参数对不同射线的辐照响应规律;研究了不同辐射源对双极运算放大器的不同辐射损伤机理;并对质子辐照损伤程度与能量的依赖关系以及质子辐照损伤同60CoΧ和电子辐照损伤的差异进行了探讨.结果表明,界面态的产生是60CoΧ和电子辐照损伤的主要原因,而位移效应造成的体损伤在质子辐照效应中占有重要地位.EEACC:1220,2570,2550A1　引言随着航天等科学技术的发展,运算放大器作为一种基本的线性电路在卫星电子系统中日益得到广泛的应用.众所周知,在空间的辐射环境中存在着各种能量不同的带电粒子(主要是质子和电子),这些带电粒子与卫星中的电子元器件作用而产生各种辐射效应,如电离效应、位移效应以及单粒子效应等.一般来说,辐射效应的大小与入射粒子的种类、能量和强度都有密切的关系,因此,深入了解运放电路在各种辐射条件下的变化规律及损伤特性,对系统地评价运算放大器电路的抗辐照水平,特别是研究各种粒子对运放电路的损伤等效性及其微观机制,具有非常重要的意义.国外从七十年代中期开始,曾对几种型号的双极运放进行了总剂量辐照响应,快、慢中子辐照损伤机理,高剂量率瞬态辐照及其加固工艺的研究[1～7],但这些研究都不够系统.针对国内外在运放辐照效应研究方面存在的某些不足和空白,近年来,我们系统地开展了不同类型(双极、C M O S)的运放电路在不同辐射环境中的响应规律及辐照特性的研究工作,获得了许多有意义的成果.本文在我们研究工作的基础上,着重介绍了常用的O P207双极运算放大器在不同射线粒子、不同能量及相同剂量率(60CoΧ、1M eV、115M eV电子和4M eV、7M eV、30M eV质子)辐照条件下的响应规律和抗辐照能力;探讨了引起双极运放在质子辐照环境中电参数衰变的损伤机制,并通过研究其电离辐照敏感参数在室温和100℃温度下陆　妩　女,1962年出生,高级工程师,从事线性电路电离辐射效应、损伤机理和加固技术研究任迪远　男,1950年出生,研究员,从事M O S器件损伤机理和加固研究郭　旗　男,1964年出生,工程师,从事集成电路辐射效应与测试技术研究1997203211收到,1997205215定稿随时间的变化关系,分析了双极运算放大器对60Co Χ和电子的辐照损伤机制及参数失效机理,为该类器件在卫星等辐射环境下的可靠应用,提供了实验依据.2　实验方法试验样品为高精度、低漂移O P 207双极运算放大器.在辐照及退火期间,将运放的两个输入端接地,使之处于零偏状态,同时电源电压接正负15V 电压.样品的电参数测试通过美国T ek tron ix 公司生产的5772178运放电参数测试曲线示踪仪完成,每次辐照前后及退火前后测量的电参数有:输入失调电压V i o 、输入偏置电流I bs 、输入失调电流I o s 、共模抑制比C M RR ,开环电压增益AVOL 、电源电压抑制比SV RR 、电源供应电流I ss 及共模输入电压范围V ic m 和输出电压范围V o r .上述所有电参数测试在器件辐照及退火后20分钟之内完成.Χ和电子辐照是在本所4万居里60Co Χ源和2M eV 的电子静电加速器(试验时能量分别调为110M eV 和115M eV )上完成.电子束流密度Υe 通过下式换算为吸收剂量率Gy (Si ) s :D α=2.5×10-10Υe(1) 辐照中,60Co Χ和电子选用同一辐照剂量率:4186Gy (Si ) s .辐照结束后,保持与辐照时相同的偏置状态,先进行168小时的室温退火,然后再进行168小时的100℃高温退火.质子辐照在哈萨克斯坦国家核中心原子核物理研究所的U 2150型回旋加速器上完成.质子的能量分别为4M eV 、7M eV 和30M eV .束斑面积为直径8c m 的园形区域,并垂直入射到样品上.在辐照期间,每个试验器件的顶盖均已除去,以消除封装顶盖引起的能量损失.同时,为了比较不同能量的质子辐照对双极运放电路的影响,在辐照期间,分别将三种不同能量的质子束注量率依据下式[7]换算成统一的吸收剂量率D α(Gy (Si ) s )D α=3.6×106Υ(S Θ)Si (2)其中　(S Θ)Si 为不同能量的质子在Si 中的质量阻止本领(焦耳・米2 千克);Υ为质子的注图1　O P 207运放I bs 随辐照总剂量及辐照后在不同温度下随时间的变化关系量率(1 c m 2・s ),在实际辐照中,采用与60Co Χ和电子相同的剂量率,即D α=4186Gy (Si ) s .因此,对4M eV 、7M eV 和30M eV 采用的质子束注量率分别为2117×108Θ c m 2・s 、3165×108Θ c m 2・s 和1102×109Θ c m 2・s .3　实验结果3.1　双极运算放大器的60Co Χ和电子辐照响应及时间退火特性O P 207双极运算放大器对电离辐照比较敏感,在所测试的电参数中绝大多数在总剂量1×104Gy (Si )后都发生了较大的变化,图1～图3,分别给出了O P 207双极运算放大器的辐照敏感参数偏置电流I bs ,开环电压增5735期 陆　妩等:　双极运算放大器的辐射效应和退火特性 图2　O P207运放AVOL随辐照总剂量及辐照后在不同温度下随时间的变化关系益AVOL及电源电流I ss在60CoΧ和1M eV及115M eV电子辐照下,随辐照总剂量及辐照后在不同退火温度下随时间变化的关系.从图1～图3可以看到,辐照到500Gy(Si)后,随辐照总剂量的增加,I bs迅速增大, AVOL、I ss逐渐减小,辐照到1×104Gy(Si)时,与初始值相比,I bs增大了2个数量级以上,I ss和AVOL则分别减小了20%和30%.在所测试的电参数中,除了上述参数发生变化外,共模电压抑制比C M RR及电源电压抑制比SV RR 也图3　O P207运放I ss随辐照总剂量及辐照后在不同温度下随时间的变化关系图4　∃V i o与质子辐照剂量的关系都随辐照总剂量的增大而衰减,其中C M RR衰降最明显,与初始值相比减少了30%左右.辐照后在室温退火条件下,随退火时间的增加,O P207各参数如I bs、AVOL、I ss等都有不同程度的恢复,但恢复幅度非常小,经过1×104分钟室温退火,各参数恢复程度不到10%.在高温退火条件下,I bs、AVOL、I ss等随退火时间的增加,迅速向辐照前的初始值恢复,高温退火1×104分钟时,O P207运放各参数已基本恢复至初始值附近.从图1～3还可以看到,O P207运放电路在60CoΧ、1M eV、115M eV电子等不同辐射源(辐射能量)辐照下,其电参数无论是随辐照总剂量的变化,还是辐照后在不同温度条件下随时间的变化,趋势都基本相同,没有表现出较大的差异,表明O P207运放在上述不同辐照源条件下辐照的损伤机制基本相同.3.2　OP-07双极运放电路的质子辐照效应图4～6分别给出了O P207双极运算放大器电路的辐照敏感参数失调电压V i O、开环电压增益AVOL及电源电流I ss 673 半　导　体　学　报　19卷在三种不同能量质子辐照下,随总剂量增加而变化的曲线.可以看出,三种不同能量质子辐照下的运放电路,在总剂量达1×103Gy (Si )时,都发生了明显的变化,其中失调电压V i O 及电源电流I ss 随辐照总剂量增加而增大,开环电压增益AVOL 则大幅度减小.而当总剂量达到3×103Gy (Si )时,除了电源电流I ss 、偏置电流I bs 继续增大以外,绝大多数电参数都出现了功能失效现象,表现出对质子辐照相当大的损伤敏感性.另外,仔细观察图4～图6还可以发现,其电参数的变化与质子能量有较强的依赖关系,即能量越大,损伤越严重.图5　I ss与质子辐照剂量的关系图6　∃AVOL 与质子辐照剂量的关系4　讨论从以上的实验结果中可以看出,O P 207运算放大器无论是在60Co Χ和电子辐射环境中,还是在不同能量的质子辐照环境中,都表现出了相当大的损伤敏感性,而且实验结果还表明,O P 207运放电路对质子辐照更为敏感.造成O P 207运放电路在二种不同辐射环境中电参数变化出现差异的原因,主要是由于60Co Χ、电子和质子对器件的不同损伤机理引起的.一般认为[1,9],在电离辐射环境中,有三种基本的损伤机制影响双极运算放大器的性能退化:(1)体损伤;(2)电离辐射感生的界面态导致表面复合率的增加;(3)钝化层(一般为Si O 2)中正电荷俘获引起的表面反型,下面结合我们的实验结果来进行具体分析.电离辐照在Si 中产生的复合中心(体损伤),将增加电子2空穴对的复合率,使得双极晶体管基区少数载流子寿命缩短,电流增益下降,此外,体损伤还会引起双极晶体管集电极负载电路电阻率增大,造成集电极饱和电流增多,晶体管漏电增大.根据B row n [10]等人的研究结果,这种由电离辐射对Si 造成的载流子寿命损伤,一般需在200～400℃高温退火条件下,才可产生比较明显的恢复.但如图1～3所示,在我们的实验结果中,O P 207在100℃温度下退火1×104分钟,电参数已基本恢复至初始值,因此,我们认为对于60Co Χ和能量1M eV 左右的电子来说,由于入射粒子的体积和能量都较小,产生体损伤的可能性不大,因此对运放电参数影响也较小.这一结论也可以从图3中电源电流I ss 随辐照总剂量的增大而减小中得到进一步证实.7735期 陆　妩等:　双极运算放大器的辐射效应和退火特性 873 半　导　体　学　报　19卷双极晶体管的钝化层(Si O2)一般较厚,如果不采用特殊的抗辐射加固工艺,在电离辐射环境中,将非常容易在器件的钝化层(Si O2层)和Si界面产生并积累大量的界面态,Snow等人的研究表明[9,11,12],晶体管的表面复合率S o与界面态密度D it有如下关系;S o=(ΠkT 2)V t(ΡnΡp)1 2D it(3)其中　V t为载流子热速度;Ρn、Ρp分别为电子和空穴的俘获截面.可以看到,表面复合率与界面态密度成正比,器件的增益将随界面态密度的增加而下降,从而造成运放电参数的退化.另外,根据Sabn is等人的研究结果[13],界面态一般在≥100℃时开始退火,我们图1～图3的实验结果也正反映了这一点.因此有理由认为电离辐照导致双极运算放大器的电参数退化和失效,主要是由于电离辐射感生界面态引起双极晶体管增益下降而造成的.电离辐射在双极运算放大器的钝化层(Si O2层)产生并积累的氧化物电荷将引起器件内部晶体管的表面反型,造成器件漏电流的增大.但在我们的实验结果中,随辐照总剂量的增加,O P207运放电源供应电流I ss不但没有增大,反而有相当程度的减小,这一方面是由于氧化物电荷的积累与辐照偏置有很强的依赖关系,在零偏辐照下不足以引起晶体管表面的强反型.另一方面如上所述,电离辐射产生的复合中心和界面态,尤其是界面态,造成双极晶体管的电流增益减小,从而使整个电路的正常工作电流减小,引起电源电流I ss减小.通过以上的分析可以看出,在60CoΧ和电子辐射环境中,造成O P207运算放大器电路参数变化的主要机制是电离辐射感生的界面态,导致晶体管增益下降,从而造成电路的损伤.对质子辐照来说,一般有两个重要的效应造成器件特性的退化.一是入射粒子与硅核碰撞,引起晶格中的原子位移,并产生大量空位,即在硅中产生大量的复合中心,也就是我们在前面提到的(体损伤).有资料表明[14],双极晶体管在质子辐照下,最重要的参数变化是由于位移损伤效应引起的共发射极电流增益I c I b即h fe的衰减,并且增益衰减满足关系式1 h fe=1 h feo+kΥ(4)这里　1 h feo和1 h fe分别表示辐照前后器件的电流增益倒数;K是复合位移损伤因子,K的值依赖于特定的粒子能量;Υ是入射粒子注量.由(4)式可知,增益倒数1 h fe与粒子注量成正比,即器件的电流增益随着质子能量的增大而不断减小.另一方面,入射的质子在它们的入射轨迹上还会与硅材料中的原子和分子的束缚电子发生非弹性碰撞,并引起它们的电离和激发,其电离辐射效应与质子的能量密切相关.B rucker等人的研究结果表明[15,16],由能量为12M eV以下质子产生的电离效应低于60CoΧ射线的效应,而对质子能量高于12M eV时的电离效应则与60CoΧ射线的等剂量的效应相当.由此可知,质子的辐照效应同时存在位移损伤和电离损伤二种作用.对运放电路来说,它所造成的损伤实际上是这二种效应的叠加,因此,这些综合的损伤因素反映在运放的电路中,必然引起各敏感参数相对较大的改变.另外,我们的实验结果显示出质子的辐照损伤与能量有较强的依赖关系,即能量越大,损伤越大,这一方面是由于能量越大,造成的电离损伤越大,另一方面在相同总剂量条件下,质子的能量越大,它的累积注量相应也越大,而由(4)式可知,h fe与Υ成正比,二者综合的结果,必然会引起电参数相对较大的变化,正如实验结果中所看到的那样.从图5还可看出,质子辐照时O P 207运放电路的电源电流I ss 随辐照总剂量的增加而增大,这与在60Co Χ和电子辐照环境中I ss 随着总剂量增加而减小的现象不同,这表明体损伤在质子辐照损伤中占有很重要的地位,这也是质子辐照和60Co Χ、电子辐照损伤机制的最主要差异.5　结论1.60Co Χ、电子和质子辐照都会使O P 207双极运算放大器的电参数产生明显的退化,而质子的辐照损伤更为严重.2.双极运算放大器在60Co Χ和1M eV 、115M eV 电子辐照下的电离辐照响应特性和退火特性基本相似,因此,具有基本相同的电离辐照损伤机制.3.电离辐照感生的界面态是导致60Co Χ和电子辐射环境下双极运算放大器的电参数变化,功能失效的最主要的原因.4.双极运放电路的质子辐照效应必须同时考虑位移损伤和电离损伤两种因素,而位移效应造成的体损伤在质子辐照损伤中占有很重要地位.5.质子的辐照损伤与能量有较强的依赖关系,在实验范围内,能量越大,损伤越大.参考文献[1]　L.J.Palkuti et al .,IEEE T rans .N ucl .Sci .,1976,23(6):1756.[2]　A.H.Johnton IEEE T rans .N ucl .Sci .,1976,23(6):1709.[3]　A .H .Johnton IEEE T rans .N ucl .Sci .,1977,24(6):2071.[4]　A .H .Johnton et a l .,IEEE T rans .N ucl .Sci .,1979,26(6):4769.[5]　V .Condito et al .,IEEE T rans .N ucl .Sci .,1981,28(6):4325.[6]　John J .Panlo s et al .,IEEE T rans .N ucl .Sci .,1987,34(6):1442.[7]　S .M e C lure et al .,IEEE T rans .N ucl .Sci .,1994,41(6):2544.[8]　李星洪等编,辐射防护基础,原子能出版社,1982年版.[9]　A .H .Johnston et al .,IEEE T rans .N ucl .Sci .,1987,34(6):1474.[10]　T .P .M a and Panl V .D ressendo rfer JOHN W I L EY &SON S ,Inc .,1989,52.[11]　E .H .Snow et al .,P roc .of the IEEE ,1967,55:1168.[12]　M .W .H illen et al .,So lid 2Stste E lectroncs ,1983,26:453.[13]　T .P .M a and Paul 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O P207in2 duced by irradiati on of differen t sou rces,the dep endence of dam age degree on p ro ton ener2 gy and the difference of dam ages cau sed by60CoΧray,electron s and p ro ton s.EEACC:1220,2570,2550A。

O P07运算放大器的电离辐射损伤和退火特性研究陆　妩　任迪远　郭　旗　余学锋　张国强　严荣良中国科学院新疆物理研究所(乌鲁木齐830011)摘要　对T TL双极运算放大器O P07进行了60CoΧ和1M eV及115M eV电子电离辐照实验,研究了O P07的电离辐射响应特性和抗总剂量辐射水平,并通过研究其电离辐照敏感参数辐照后在室温和100℃高温条件下随时间的变化关系,分析了在电离辐射环境中双极运算放大器的损伤机制及参数失效机理,为该类器件在卫星等电离辐射环境下的可靠应用,提供实验依据。

关键词　双极运算放大器　电离辐射　退火　损伤1　引　言双极运算放大器作为一种重要的电子元器件在一些辐射环境(如航天、武器系统等)有着非常广泛的应用,因此研究双极运算放大器在总剂量辐射环境中的电离辐照响应特性及其辐照后的时间相关特性,从而比较准确、全面地了解现有双极运算放大器的抗总剂量辐射能力及总剂量辐射损伤特性、损伤机制,对于保证卫星、武器等辐射环境下应用的电子系统的可靠性,具有十分重要的意义。

有关双极运算放大器的总剂量辐射响应特性研究,国内外已有不少报道[1～4],但有关辐照后其辐照损伤随时间变化关系的研究,目前尚不多见。

近几年的大量研究结果已经表明[5～7],电子元器件电离辐照后的退火特性研究,是非常重要和必需的,它不仅是全面、细致地反映器件电离辐照损伤的重要组成部分,而且也是分析器件辐照损伤机制的非常有效的手段和方法。

本文对国产典型双极运算放大器O P07进行了60CoΧ和1M eV及115M eV电子电离辐照实验,研究了在上述不同辐照源、辐照能量及相同剂量率条件下其电离辐照响应特性和抗总剂量辐射水平,并通过研究其电离辐照敏感参数在室温和100℃温度下随时间的变化关系,分析了双极运算放大器电离辐射损伤机制及参数失效机理,为该类器件在卫星等电离辐射环境下的可靠应用,提供了实验依据。

2　实验方法试验样品为国产高精度、低漂移O P07双极运算放大器,在辐照及退火期间,将运放在两个输入端同时接地,使之处于零偏状态,同时电源电压接正负15伏电压。

电子辐射环境中NPN输入双极运算放大器的辐射效应和退火特性姜柯;陆妩;胡天乐;王信;郭旗;何承发;刘默涵;李小龙【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2015(0)13【摘要】With the rapid development of the space technology, operational amplifier is widely used as the basic liner circuit in a satellite system. There are many charged particles trapped in the earth’s magnetosphere, most of the particles are protons and electrons. In BJTs, the damage caused by electrons causes both bulk recombination and surface recombination to increase and subsequently current gain to decrease. Transistor gain degradation is the primary cause of parametric shifts and functional failures in linear bipolar circuits. The severity of electron radiation response correlates with electron’s energy and flux, therefore it is important to understand the electron radiation response in different conditions. In this paper, the tested devices used in this study are NPN-input bipolar operational amplifiers commercial-off-the-shelf (COTS) manufactured by Texas Instruments (TI). NPN-input bipolar operational amplifiers LM108 are irradiated with different energy and different beam current electrons respectively under different bias conditions to study the electron radiation damage effect. Experiment using 60Coγ-ray radiation is conducted to compare the different radiation damages between 60Co γ-ray and electronradiation. The total radiation experiments are carried out with the 60Coγ-ray source (Xinjiang Technical Institute of physics and chemistry). The radiation dose rates for the test samples are 1 Gy (Si)/s, and the total accumulated dose is 1000 Gy (Si). Subsequently, room temperature and high temperature annealings are conducted to analyze the parametric failure mechanism of LM108 caused by a total dose radiation for different biases. Result shows that 0.32 Gy(Si)/s beam current electrons can induce more damage than that caused by 1.53 Gy(Si)/s electrons with the same energy;1.8 MeV electrons can induce more damages than 1 MeV electrons with the same electron beam current because the former produces more displacement damage than the latter. Comparison between zero and forward biased devices shows that different biased devices have different radiation sensibility, and radiation produces more damages in zero biased devices than in forward biased devices with the same electron energy and beam current. This is because forward biased BJT will suppress the edge electric field, thus leading to the decrease of oxide-trapped charge and interface-trapped charge. During high-temperature annealing, degradation of the devices obviously can be recovered and almost return to the initial value finally. This result indicates that the 1.8 MeV and 1 MeV electron radiation mainly induces ionization damage in bipolar operational amplifier LM108.【总页数】8页(P1-8)【作者】姜柯;陆妩;胡天乐;王信;郭旗;何承发;刘默涵;李小龙【作者单位】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;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;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;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【正文语种】中文【相关文献】1.双极运算放大器辐射损伤效应研究 [J], 郑玉展;陆妩;任迪远;王改丽;文林;孙静2.质子辐射环境下PNP输入双极运算放大器辐照效应与退火特性 [J], 姜柯;陆妩;马武英;郭旗;何承发;王信;曾俊哲;刘默涵3.双极运算放大器在不同电子能量下的辐射效应和退火特性 [J], 胡天乐;陆妩;何承发;席善斌;周东;胥佳灵;吴雪4.PNP输入双极运算放大器的辐射效应 [J], 许发月;陆妩;王义元;席善斌;李明;王飞;周东5.双极运算放大器的辐射效应和退火特性 [J], 陆妩;任迪远;郭旗;余学锋;范隆;张国强;严荣良因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。