偏压条件对光耦合器总剂量辐照效应的影响*

何玉娟 ，罗宏伟，恩云飞

(电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室，广州510610)

光耦合器在空间应用设备中使用十分广泛，但光耦合器由于是光电器件，在总剂量辐照过程中会导致光电流增大、非发光缺陷增多，从而影响其传输效率。国内外对发光器件、光电转化器件的总剂量辐照效应研究较多［1－8］，但对光耦合器的研究却较少，更缺少不同偏置条件对光耦合器总剂量效应的影响研究，因此针对不同的偏置条件(非工作偏置和工作偏置)进行了光耦合器的总剂量辐照试验，确定光耦合器总剂量辐照的最劣偏置条件，为光耦合器的总剂量辐照试验提供偏置条件与方法。

1 试验样品与条件

总剂量辐射样品为商用光耦合器KP1020，光耦合器内部结构图如图1 所示。

总剂量辐照试验采用2000 居里能量的60Coγ 射线源，总剂量辐照剂量率为50 rad(Si)/s，辐照最高总剂量为180 krad(Si)，偏置条件见表1 所示。

图1 光耦合器内部结构图

表1 光耦合器γ 射线辐射偏置条件

其中表1 中的偏置A 为所有端口悬空偏置，偏置B 为所有端口短接偏置，偏置C 为输入电流IF为1mA 输出接6V 电压的偏置，偏置D 为输入电流IF为10mA 输出接6V 电压的偏置。

2 试验结果与分析

对光耦合器进行总剂量辐射后，随着辐射总剂量的增大，光耦合器输出电流持续减小，典型曲线如图2 所示为辐射前后光耦合器的输出曲线。

图2 辐射前后光耦合器输出曲线

从图2 可以看出，IF=30 mA 时的输出电流IC从辐射前约0.05 A 降低到辐射后的0.03 A，降低了近20 mA。

图3 ～图6 为不同偏置条件的光耦合器电流转换率CTR 与输入电流IF的关系曲线。其中

其中IC为输出电流，IF为输入电流。

图3 偏置A 条件下光耦合器CTR－IF 关系曲线

从图3 ～图6 可以看出，光耦合器的电流转换率CTR 随着辐射总剂量的增大而减小，其原因与光耦合器的结构有关。

图4 偏置B 条件下光耦合器CTR－IF 关系曲线

图5 偏置C 条件下光耦合器CTR－IF 关系曲线

图6 偏置D 条件下光耦合器CTR－IF 关系曲线

光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大，包含一个发光二极管和一个光电三极管，发光二极管总剂量电离辐射损伤类似于一般半导体二极管，在总剂量辐照下，LED 的光输出功率会退化，其功率退化与总剂量的关系为:

式中PL(D)是总剂量辐射后LED 的光输出功率，PL(0)是总剂量辐射前LED 的光输出功率，D 为辐射总剂量，kg是LED 总剂量辐射寿命损伤常数，此常数与LED 类型有关，随着辐射总剂量的增大，LED 的输出功率会随之减小。

光电三极管主要起着光电转换和光电流放大作用，经过光电转换和放大后，集电极输出电流为:

式中，hFE是共发射极电流增益，IP是处于反向偏置的集电极－基极结产生的光电流。光电三极管SiO2钝化层经总剂量辐射，在SiO2/Si 界面产生正电荷积累和界面态，使器件增益和暗电流都随总剂量辐射而退化。电离辐射会在光电三极管中产生电子－空穴对，电子进入集电极，被集电极收集形成光电流，而电路增益hFE会随辐射总剂量的增大而下降。由于LED的输出功率随着辐射总剂量增大而下降，使IP光电流也随之减小，再加上hFE增益随辐射总剂量增大而减小，使得输出电流IC随这辐射总剂量增大而急剧减小，从而是电流转化率CTR 急剧减小。

不同偏置下光耦合器的电流转化率CTR 辐照前后比值a 与总剂量关系曲线见图7 所示。其中a=CTR(辐射后IF=5 mA，VCE=5 V)/CTR(辐射前IF=5 mA，VCE=5 V)。

图7 不同偏置下光耦合器CTR 辐照前后比值与总剂量关系曲线

从图7 中可以看出，在偏置D 条件下时光耦合器辐射前后CTR 比值a 最大，在180 krad(Si)总剂量时CTR 比值a 为0.33，而偏置C 条件下，光耦合器辐射前后CTR 比值最小，在180 krad(Si)总剂量时CTR 比值a 为0.03。其详细的不同偏置条件下光耦合器辐射前后CTR 比值a 与辐射总剂量关系表见表2 所示。

表2 不同偏置条件下光耦合器辐射前后CTR 比值a 与辐射总剂量关系表

偏置C 和偏置D 这两种偏置条件的区别是输入端口电流存在差异，偏置C 的输入电流为1 mA，而偏置D 的输入电流为10 mA。但偏置C 和偏置D 分别为这4 种偏置条件中光耦合器总剂量辐照的最劣偏置与最优偏置，其原因很可能与总剂量辐照导致的发光二极管中结的扩散区的非发光缺陷有关。发光二极管总剂量电离产生的电子空穴对在电应力条件下，负电荷很快的扫出PN 结，但正电荷却在PN 结的扩散区被非发光陷阱俘获，但当电流较小时，由于正电荷运动的速度较慢，被非发光陷阱俘获的几率更大，使发光二极管的输出功率更快降低。发光二极管的光输出功率更低会导致光电三极管的输出电流也降低的更多，从而使光耦合器的CTR 更低。

3 结论

本文研究了不同偏压条件对光耦合器总剂量辐照效应的影响，结果发现随着总剂量的增加，光耦合器电流转换率CTR 会降低，且输入低电流时光耦合器总剂量效应更严重，这很可能是由于电流较低时光耦合器内部发光二极管的PN 结扩散区内辐照导致的非发光陷阱更容易俘获电荷，使发光二极管的输出光功率降低，从而导致光电三极管的输出电流IC也随之降低。

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