双极运算放大器的辐射效应和退火特性

运算放大器的工作原理-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII运算放大器的工作原理放大器的作用： 1、能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。

用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。

原理:高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。

高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。

按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。

高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出在“低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，运算放大器原理运算放大器（Operational Amplifier,简称OP、OPA、OPAMP）是一种直流耦合﹐差模（差动模式）输入、通常为单端输出（Differential-in, single-ended output）的高增益（gain）电压放大器，因为刚开始主要用于加法，乘法等运算电路中，因而得名。

一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。

最基本的运算放大器如图1-1。

一个运算放大器模组一般包括一个正输入端(OP_P)、一个负输入端(OP_N)和一个输出端(OP_O)。

图1-1通常使用运算放大器时，会将其输出端与其反相输入端（inverting input node）连接，形成一负反馈（negative feedback）组态。

第27卷　第7期2006年7月半　导　体　学　报C HIN ES E J OU RNAL O F S EM ICOND U C TO RSVol.27　No.7J uly ,2006通信作者.Email :gaosong 800@ 2005211218收到,2006201213定稿Ζ2006中国电子学会双极运算放大器辐射损伤的时间相关性高　嵩1,2, 陆　妩1　任迪远1　牛振红1,2　刘　刚1,2(1中国科学院新疆理化技术研究所,乌鲁木齐　830011)(2中国科学院研究生院,北京　100039)摘要:通过一系列辐照实验对双极运放辐射损伤的时间相关性进行了研究.结果表明,双极运放的辐射损伤与时间有着密切的关系,通过调整辐照剂量率、退火温度及时间等参数进行循环辐照2退火实验,可以测评出器件的低剂量率辐射损伤情况,并从界面态角度对这种损伤机理进行了分析.关键词:双极运算放大器;辐射损伤;时间相关性;低剂量率;加速评估PACC :6180E EEACC :2570B ;1220中图分类号:TN 72217+7 文献标识码:A 文章编号:025324177(2006)07212802051　引言在电离辐射环境中,双极器件在低剂量率条件下受到的累积辐射损伤要比在高剂量率条件下大得多,这就是所谓的低剂量率辐射损伤增强(enhanced lowdose rate sensitivity ,EL D RS )效应[1～10].上个世纪90年代,Enlow 等人发现的这个现象[1]引起了该领域研究人员的极大关注.因为在空间辐射环境中,其典型的剂量率约为10-4～10-2rad (Si )/s ,然而考虑到时间、经费等因素,目前实验室评判所采用的都是按美军标的大剂量率(50～300rad (Si )/s )辐照标准.对于一些具有明显低剂量率辐射损伤增强效应的双极器件来讲,这种剂量率差异将使实验室测试评判方法所得到的器件抗辐射水平与在卫星、空间站等低剂量率辐射环境下使用的电子元器件的实际抗辐射水平严重不符,从而给航天领域电子系统的可靠性带来极大隐患.但是,如果真的采用如此低的剂量率进行模拟辐照实验,由于它所需要的实验周期较长,作为常规的地面辐照试验,这既不经济也不实用.因此找到一种能够在实验室推广的、高效可靠的双极器件加速评估方法具有重要意义.目前国外对双极器件EL D RS 效应及其机理的研究较为深入,提出了几种相关理论模型,但都还处于探索阶段,并不能给出统一的结论.对加速评估方法的研究主要集中在高温高剂量率辐照[2～4]上,但该方法也有局限性,虽然它比高剂量率辐照损伤明显增强,但与实际低剂量率情况还有一定差距,所以美军标也只能给出模糊的评判标准.目前国内还没有对双极器件的加速评估方法研究方面的报道.本文根据辐射损伤的时间相关性理论[6],设计了一系列的循环辐照2退火实验,通过调整辐照剂量率、退火温度及时间等参数,找到了器件的最大辐射损伤条件,研究了它们的低剂量率辐射损伤情况的测评方法,并对这种方法的潜在机理进行了分析.2　实验辐照实验是在中国科学院新疆理化技术研究所的大Co 60γ源上进行,选用的实验样品是具有明显ELDRS 效应的典型星用双极运放L M108,它采用金属封装.辐照时,将样品放在特制的偏置板上加±10V 偏压,正输入端接地,负输入端与输出端相连,1脚和8脚间加一个补偿电容,如图1所示.样品所在位置的剂量率大小是通过热释光剂量片标定图1　L M108的电路图Fig.1　Circuit configuration of L M108第7期高　嵩等:　双极运算放大器辐射损伤的时间相关性过的,辐照时还用美军标制作的铅铝屏蔽盒屏蔽样品,以消除低能散射的影响.对样品进行室温辐照的剂量率选取美军标下限50rad(Si)/s和更低剂量率2rad(Si)/s,每当样品辐照总剂量增加25krad(Si)时,就对其进行退火处理,接着进行再辐照再退火循环,直至总剂量达到100krad(Si).退火处理分为两组,一组在室温20℃下进行,另一组在高温100℃恒温箱中进行,每组退火时间又分为三种情况:50rad(Si)/s辐照的退火时间为2,12和24h;2rad(Si)/s辐照的退火时间为2, 10和20h.退火过程中,样品保持与辐照时相同的偏置状态.在实验过程中,每次辐照及退火前后都进行参数测试,高温样品冷却至室温后测试,测试设备为美国T ektronix公司生产的运放电参数测试曲线示踪仪,测试参数主要有输入失调电压V io、输入偏置电流I bs、共模抑制比CMRR、开环增益A VOL等,上述参数的测试都在样品辐照或退火后的20min内完成.3　结果通过比较双极运放L M108的测试电参数,发现绝大部分电参数都有不同程度的退化,其中输入偏置电流I bs的变化最为显著,我们通常称之为敏感参数,并用其变化量ΔI bs来表征器件的辐射损伤程度.图2(a)和(b)给出了辐照剂量率为50rad(Si)/ s、不同退火温度及时间下进行循环辐照2退火实验时,L M108的输入偏置电流I bs的变化量随辐照总剂量的变化关系.由图可见,无论是室温还是高温退火,也无论是退火时间长短,L M108的输入偏置电流I bs随辐照总剂量增加而增加的变化趋势基本上是一致的.不同之处在于,高温退火条件下,I bs有一定恢复,而室温下几乎没有变化.图2(a)中I bs变化最大的是退火2h的条件,而图2(b)中是退火24h 的条件,并且比图2(a)中的I bs变化略大一些.图2　在辐照剂量率为50rad(Si)/s、不同退火温度及时间下循环辐照2退火实验的ΔI bs随辐照总剂量的变化Fig.2　Shif t in inp ut bias current versus radiation t otal dose w hile alter nating radiation at50rad(Si)/s a nd dif2 f ere nt annealing temp eratures a nd times 图3(a)和(b)给出了辐照剂量率为2rad(Si)/s、不同退火温度及时间下进行循环辐照2退火实验时, L M108的输入偏置电流I bs的变化量随辐照总剂量的变化关系.从图3可以看出,不但I bs随辐照总剂量增加而增加的趋势比较一致,而且变化明显,特别是退火时间为2和10h,其中高温退火2h情况在累计剂量达到100krad(Si)时,I bs增大了将近25nA,与图2的I bs最大变化量相比大了6倍多.值得一提的是,图3(a)和(b)中I bs的辐照变化是不均匀的,而是当累计剂量达到80krad(Si)以后突然增大.与图2相似,图3的I bs在高温退火时有所恢复,而在室温退火下几乎不变.图4(a)和(b)给出了高温2rad(Si)/s辐照、室温不同剂量率辐照和循环室温2rad(Si)/s辐照加不同温度及时间退火三种方式下,L M108的输入偏置电流I bs的变化量随辐照总剂量的变化关系.它是在图3(a)和(b)的基础上引入L M108的其他研究方法数据来进行比较的.从图中可以看出,在累计剂量达到100krad(Si)时,用低剂量率0101rad(Si)/s 室温辐照,L M108的I bs变化量为13nA,而用更低剂量率01002rad(Si)/s辐照与0101rad(Si)/s辐照引起的I bs变化差不多,并且表现出了饱和趋势.用美军标100rad(Si)/s室温辐照时,I bs变化不是很大.而在高温100℃下2rad(Si)/s辐照至100krad (Si)时,I bs变化量达到10nA,比美军标和室温2rad (Si)/s辐照方式的I bs都有很大增加,但与低剂量率情况还有一定差距,而用室温2rad(Si)/s辐照加室温或高温下退火2或10h循环进行的方式I bs变化均大于低剂量率情况,其中高温退火2h条件下I bs 变化最大,室温退火10h条件下I bs变化较接近低剂1821半　导　体　学　报第27卷量率室温辐照的水平.图3　在辐照剂量率为2rad (Si )/s 、不同退火温度及时间下循环辐照2退火实验的ΔI bs 随辐照总剂量的变化Fig.3　Shif t in inp ut bias current versus radiation t otal dose w hile alternating radiation at 2rad (Si )/s a nd dif 2f ere nt annealing temp eratures a ndtimes图4　不同辐照方式下的ΔI bs 随辐照总剂量的变化Fig.4　Shif t in inp ut bias curre nt versus radiation t otal dose at various radiation conditions 从上述实验结果可以看出,只要选择恰当的辐照剂量率和退火温度及时间等参数进行循环辐照2退火实验,就可以使双极运放L M108的输入偏置电流I bs 发生很大变化,在累计剂量达到100krad (Si )时,其损伤程度较美军标和高温高剂量率辐照方法都大,能够达到甚至大大超过低剂量率辐射损伤水平.4　讨论对于双极运放L M108而言,输入偏置电流I bs 的变化取决于运放两个输入端的静态基极电流,当输入信号为零时有I bs =(I bs 1+I bs 2)/2(1)其中　I bs1,I bs2分别为运放输入端的两个差动晶体管的基极电流.这两个差动晶体管都是超βnp n 型晶体管,它们的基极电流I bs1和I bs2的增加主要是因为辐射时会在它们的基区氧化层中引入辐射感生缺陷———正氧化物陷阱电荷和界面态,引起表面势位增加和表面复合中心密度增加,使复合电流增加,从而导致晶体管的增益下降.可见,辐射感生缺陷的多少直接影响到I bs 的增加幅度和器件的损伤程度.而辐射感生界面态的形成是个慢过程,根据辐射损伤的时间相关性[5]可知,它对时间有很强的依赖关系.因此,可以看出辐射损伤跟时间有着密切的关系.与其他辐照研究方法相比,本研究方法能对器件产生如此大的损伤效果在于退火工序的处理上,即考虑了辐射损伤的时间相关性让其界面态充分形成来增大损伤,下面从空间电荷模型和界面态建立的氢离子两步模型来具体分析一下它的损伤机理.4.1　从空间电荷模型角度分析空间电荷模型理论[6～8]认为,在高剂量率辐照情况下,基区氧化层内会产生大量的正氧化物陷阱电荷,这些陷阱电荷在氧化层内会形成一个空间电场,阻碍了辐照感生出来的空穴和氢离子的运动,使得只有少数空穴和氢离子在经历了相当长的时间才到达Si 2SiO 2界面处而形成少量的界面态.而在低剂量率情况下,辐照感生出来的氧化物陷阱电荷要2821第7期高　嵩等:　双极运算放大器辐射损伤的时间相关性少得多,它们所形成的空间电场也要小得多,同时由于辐照时间也较长,所以输运到Si2SiO2界面上的空穴和氢离子较多,它们与界面处的应力键反应生成较多的界面陷阱电荷,这些界面陷阱电荷会成为复合中心增加基极电流,造成器件的ELDRS现象.这也就是图3中2rad(Si)/s剂量率下的辐照损伤会明显高于图2中50rad(Si)/s剂量率下的辐照损伤原因.所以,为了使双极器件损伤明显,可以采用稍低些的剂量率2rad(Si)/s辐照.在室温辐照后,采用室温退火的方法,让辐照感生出来的空穴和氢离子有足够的时间尽可能多地输送到Si2SiO2界面上形成界面态,如此反复几次,使得用这种方法的器件比用同一剂量率甚至低剂量率单纯辐照的方法形成更大的损伤,如图4(b)所示.在累计剂量达到100krad(Si)时,器件低剂量率下辐射损伤趋于饱和,在误差允许范围内可以用2rad (Si)/s辐照加室温退火10h的方式来测评双极运放L M108低剂量率辐射损伤程度.需要解释的是,图2(b)和图3(b)的ΔI bs的变化随室温退火时间的不同而表现出了相反的结果.这是因为用50rad(Si)/s辐照的剂量率较高,会生成大量的氧化物陷阱电荷,阻碍空穴和氢离子运动,但随着时间的延长会导致到达界面处的空穴和氢离子数目相应增加,即增加界面态,从而导致ΔI bs随退火时间越长而变化越大.而2rad(Si)/s辐照剂量率较低,辐照感生电场影响较弱,输运到界面处的空穴和氢离子会较多,并且它们的数目会随着退火时间的增加继续增加.但是随着时间的延长,这些空穴和氢离子又会被退火掉,导致界面态并不是一直增加,而是如图3(b)所示,室温退火2h的条件下损伤最大, 10h条件下损伤次之,20h条件下损伤最小.有研究表明,界面陷阱电荷的退火温度不低于100℃,并且它的退火温度还与器件的制造工艺和陷阱密度等因素有关,一般情况下温度高达175℃时才退火,而氧化物陷阱电荷在温度高于100℃时已经大量退火[9,10].所以,我们还比较了高温退火方法,使辐照后器件的氧化物陷阱电荷大量退火,而界面陷阱电荷不退火,从而减少了正氧化物陷阱电荷所形成的空间电场对辐照感生出来的空穴和氢离子的影响,缩短了它们输运到Si2SiO2界面上的时间,使其在下次辐照时又有许多新的空穴和氢离子参与界面反应形成界面态来增大其损伤.但高温退火较为复杂,还要看氧化物陷阱电荷的退火情况和界面态的增长情况的综合结果.如图3所示的2rad(Si)/ s辐照,退火2和10h情况下的界面态增长显著,所以高温退火要比室温退火损伤更明显,而高温退火24h情况的氧化物陷阱电荷退火更大一些,使得损伤较室温退火减小.图2的50rad(Si)/s辐照也有类似现象,与室温相比,高温退火2h情况下使界面态增加多些,使损伤增强,12和24h情况下的氧化物陷阱电荷退火多些,使损伤变小.在图4(a)中可以看到,采用2rad(Si)/s辐照加100℃高温退火2h的方式进行循环辐照2退火实验,在累计剂量达到100krad(Si)时,L M108的输入偏置电流I bs比低剂量率情况增大将近一倍,说明这种方法非常有效,能够把器件的界面态充分激发出来.虽然用这种最大损伤条件测评L M108的低剂量率辐射损伤程度过于严格,但对于其他低剂量率损伤较大的器件来说有可能是较好的选择,而且也可以通过调整条件参数对不同器件进行测评.此外,还需要说明的是,界面态的形成除了与辐照剂量率、温度和时间有关外,还与辐照的累计剂量有关,只有累计剂量达到一定程度之后,才使界面态的作用突现出来.正如图3所看到的,在累计剂量达到80krad(Si)以后,I bs变化明显增加.但在剂量达到80krad(Si)以前,辐照2退火过程对界面态的增长也是起作用的,室温2rad(Si)/s辐照加高温2h退火条件下的I bs变化能够达到高温2rad(Si)/s辐照的损伤程度.所以,对于循环辐照2退火实验每次辐照累计剂量点的优化选择问题还有待进一步研究.4.2　从界面态建立的氢离子两步模型角度分析根据界面态建立的氢离子两步模型[11],辐射时氧化层中的Si—H键断裂形成H+和三价Si原子,这时它们并没有完全脱离,还存在着弱反应.下一步,H+扩散到达界面处附近,与一个≡Si—H键以及一个从衬底隧道过来的电子共同作用,形成硅悬挂键,产生界面态.具体反应方程如下:≡Si—H+H++e-→≡Si—H+H0→≡Si・+H2(2)生成的界面态密度D it与晶体管的表面复合率S o成正比,具有如下关系:S o=(πKT/2)V t(σnσp)1/2D it(3)其中　V t为载流子热速度;σn,σp分别为电子和空穴的俘获截面[12].因此,界面态的增加将导致表面复合电流和基极电流的增加,从而引起偏置电流I bs 的增加.从这个模型描述可以看出,输运到界面处的氢离子对界面态的产生起着极其重要的作用,直接影响到界面态的生成,但是氢离子的输运受到氧化物陷阱电荷所形成的空间电场影响,通过采用退火处理把辐照后产生的氢离子尽可能多地输运到界面处生成界面态,其机理同411中重点讨论的情况是一致的.通过上述两个模型的分析可以看到,空间电荷模型对不同条件下的辐射损伤现象进行了很好的解3821半　导　体　学　报第27卷释,界面态建立的氢离子两步模型的有氢反应机理有力地证明了延迟生成的界面态是与时间相关的,它们都很好地支持了这种循环辐照2退火方法的辐射损伤机理.5　结论通过对上述实验结果的对比和分析可以发现,双极运放的辐射损伤与辐照剂量率、累计剂量、退火温度及时间有很大关系,而界面态的生长又与时间有着密切的关系,通过调整这些参数进行循环辐照2退火实验,可以改变界面态的数目来增强损伤.在累计剂量达到100kra d(Si)时,辐照剂量率为2ra d (Si)/s、100℃高温退火2h的条件对双极运放L M108的损伤最大,比低剂量率室温辐照和高剂量率高温辐照效果都明显.在误差允许范围内用2ra d (Si)/s辐照加10h室温退火的条件可以测评出L M108在空间低剂量率条件下的辐射损伤情况,这些对于其他类型器件的测评方法研究都具有重要的借鉴意义.参考文献[1]　Enlow E W,Pease R L,Combs W E,et al.Resp onse of ad2va nced bip olar p rocesses t o ionizi ng radiation.I EEE Tra nsNucl Sci,1991,38(6):1342[2]　Carriere T,Ecoff et R,Poirot P.Evaluation of accelerated t o2tal dose testing of linear bip olar circuits.I EEE Trans NuclSci,2000,47(6):2350[3]　Titus J L,Emily D,Krieg J F,et al.Enhanced low dose ratesensitivit y(EL D RS)of linear circuits in a sp ace environ2ment.I EEE Tra ns 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ng　100039,China)Abstract:The time dep e ndence of radiation da mage in bip olar op2amps is studied t hrough a series of radiation exp eriments. The results show t hat radiation damage in bip olar op2amps is closely related t o time,a nd we ca n evaluate low2dose rate radia2 tion da mage in devices by adjusting radiating t he dose rate,a nnealing te mperature,a nd a nnealing time p ara meters t o exp eri2 ment on circulating radiation2anneal.From t he interf ace states p oint of view,t he p ossible mecha nisms of radiation da mage are also analyzed.K ey w ords:bip olar operational a mplifiers;radiation damage;time depe nde nce;low dose rate;accelerated evaluation PACC:6180E EEACC:2570B;1220Article ID:025324177(2006)0721280205Corresp onding aut hor.Email:gaosong800@　Received18November2005,revised ma nuscrip t received13J a nuary2006Ζ2006Chinese Institute of Elect ronics 4821。

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。

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。