变温恒剂量率辐照加速评估方法在双极线性稳压器LM317上的应用

邓 伟，陆 妩，郭 旗，何承发，吴 雪，王 信，张晋新，张孝富，郑齐文，马武英

(1.中国科学院 新疆理化技术研究所，新疆电子信息材料与器件重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830011；

2.中国科学院大学，北京 100049)

双极器件普遍存在的低剂量率损伤增强效应(ELDRS)[1-5]给空间电子器件抗辐射能力的实验室评估带来很大困难。若采用实际空间环境的典型剂量率(10-6～10-4Gy(Si)/s)对空间电子元器件进行抗辐射能力评估，不仅成本高，而且耗时长。实验室常采用0.5～3 Gy(Si)/s的剂量率来评估双极器件和集成电路，由于ELDRS的存在，这种评估结果会与电子元器件在实际空间低剂量率下的抗辐射能力不符，从而给航天器电子系统的可靠性及寿命带来威胁。因此找到一种可靠、高效的双极电路的ELDRS加速评估方法显得尤为重要。

对于加速双极器件和电路的ELDRS评估，美军标MIL-STD-883G给出以下评估方法：1) 实际低剂量率(1×10-4Gy(Si)/s)辐照；2) 恒高温恒剂量率(100 ℃，5×10-3～5×10-2Gy(Si)/s)辐照；3) 高剂量率辐照后加温退火；4) 变剂量率辐照；5) 其他方法。除方法1、2给出了具体的实验标准和剂量率外，其他方法均没有具体的实验方案，且目前文献中已报道的各种加速评估方法均存在不足。变剂量率方法存在所需时间长、评估总剂量不高及所需器件数量多等缺点[6-7]；恒高温恒剂量率辐照损伤明显小于低剂量率辐照[8]，且以上评估方法均仅对某些特定器件的ELDRS加速评估有较好效果。国际上至今还没有一种加速评估方法能加速评估出所有器件的ELDRS，也没有快速鉴别器件是否具有ELDRS的有效方法。近年来，中国科学院新疆理化技术研究所在对电子元器件进行大量加速评估研究的基础上，最先提出了变温恒剂量率辐照加速评估方法[9-10]，并利用此方法对纯双极、JFET输入的运算放大器及不同工艺的NPN双极晶体管是否具有ELDRS进行了快速鉴别和加速评估。但前期的变温恒剂量率辐照仅用于对一种偏置条件的评估，且变温恒剂量率辐照加速评估方法的普适性还需各种类型器件进行验证。

双极集成三端线性稳压器因具有输出稳定、负载电流大、静态电流小及使用简单方便等优点，被广泛应用于各种空间电子系统的直流稳压电源的设计中，因此，对双极线性稳压器进行ELDRS加速评估十分重要。为验证变温恒剂量率辐照相对美军标恒高温恒剂量率辐照的优越性及变温恒剂量率辐照评估方法的普适性，本工作选用3个公司生产的同一型号双极集成线性稳压器LM317进行高、低剂量率辐照，变温恒剂量率辐照和美军标恒高温恒剂量率辐照的对比实验。

1 实验样品和方法

实验样品为仙童(Fairchild)、意法半导体(ST)和国家半导体(NSC) 3个公司生产的同一型号的双极线性稳压器LM317。采用的4种辐照方案分别为：室温高剂量率(0.5 Gy(Si)/s)、室温低剂量率(5×10-4Gy(Si)/s)、恒高温恒剂量率(100 ℃，0.02 Gy(Si)/s)、变温恒剂量率(125～50 ℃阶梯降温，0.02 Gy(Si)/s)。变温恒剂量率辐照加速评估方法为：首先在125 ℃的恒高温下将器件辐照至50 Gy(Si)的总剂量；然后在恒温100 ℃下将器件辐照至100 Gy(Si)的总剂量；再在恒温65 ℃下将器件辐照至200 Gy(Si)的总剂量；最后将器件在恒温50 ℃下辐照至300 Gy(Si)。样品辐照偏置分为两种：1)Vin=10 V、Vout=5 V和I0=50 mA的工作偏置；2) 3个管脚全部接地的零偏偏置。图1 为LM317的功能框图和工作偏置电路，为实现其+5 V输出和50 mA负载的工作偏置，需外接电阻Ra=240 Ω、Rb=720 Ω、RL=100 Ω。

辐照实验在中国科学院新疆理化技术研究所60Co大、小辐射源上进行。每次辐照实验的样品均放在按照美军标制作的Pb/Al屏蔽盒内，以屏蔽低能散射，防止剂量率增强效应对实验的影响。剂量率统一采用FeSO4剂量计标定。高温实验在恒温箱内进行，恒温箱具有抗辐照、箱内温度实时可调、调温后升降温度快及恒温辐照时箱内温度变化不超过2 ℃等优点。双极线性稳压器的所有电学参数测试均在Amida3000智能静态参数测试仪上完成，对输出电压变化百分比η、压降电压Vdrop、线性调整率、负载调整率、对地静态电流等敏感参数进行了测量。参数测量均在辐照后20 min内完成。

图1 LM317的功能框图和工作偏置电路

2 实验结果

2.1 双极线性稳压器辐射损伤敏感参数测试

辐照测试结果发现，在测试的所有电参数中，η、Vdrop均为辐射敏感参数。如图1所示，输出电压在Amida3000智能负载50 mA条件下测得，η定义为：η=(Vout1-Vout0) /Vout0×100%，Vout0、Vout1分别为辐照前、后稳压器输入电压Vin=10 V 时的输出电压。压降电压Vdrop定义为：固定负载50 mA下，当Vin满足使输出Vout=Vref-0.1 V时，Vdrop=Vin-Vref，即保持输出电压稳定的最小输入电压与输出电压的差值，其中Vref为输入电压Vin=10 V时的输出端的电压。

2.2 变温恒剂量率辐照对3公司LM317的影响

1) 变温恒剂量率辐照对LM317的η的影响

图2～4分别为3个公司的LM317在零偏和工作偏置下，室温高、低剂量率辐照，变温恒剂量率辐照和恒高温恒剂量率辐照时η随总剂量的变化。零偏偏置下，η表现出明显的ELDRS。而工作偏置时，高、低剂量率辐照下，除Fairchild公司的LM317在辐照剂量累积至300 Gy(Si)时η相接近，表现出无剂量率效应外，其他两公司LM317的η经与低剂量率辐照相同时间的室温退火后，基本达到与低剂量率辐照相当的水平，表现出明显的时间相关效应(TDE)[11]。

图2 不同辐照方法下Fairchild公司LM317的η随总剂量的变化

图3 不同辐照方法下ST公司LM317的η随总剂量的变化

图4 不同辐照方法下NSC公司LM317的η随总剂量的变化

由图2～4可看出，3个公司的LM317在零偏偏置、变温恒剂量率辐照下，η的损伤明显较高剂量率辐照下的损伤大，且与低剂量率辐照下的损伤接近。而在零偏偏置、恒高温恒剂量率辐照下，3个公司的LM317的辐照损伤均远小于低剂量率的辐照损伤，仅与高剂量率辐照下的损伤相当。可得出，变温恒剂量率辐照的损伤明显大于恒高温恒剂量率辐照的损伤。

由图2～4还可看出，3个公司的LM317在工作偏置、变温恒剂量率辐照和恒高温恒剂量率辐照下，除Fairchild公司的LM317的η与高、低剂量率辐照下的损伤相接近外，ST和NSC公司LM317的η损伤均较高剂量率辐照下的小。

2) 变温恒剂量率辐照对LM317压降电压的影响

图5～7分别为3个公司的LM317在零偏偏置和工作偏置下，室温高、低剂量率辐照，变温恒剂量率辐照和恒高温恒剂量率辐照时Vdrop随总剂量的变化。可看出，3个公司的LM317在零偏偏置下，Vdrop在低剂量率辐照下的损伤较高剂量率辐照下的大，表现出明显的ELDRS。而在工作偏置辐照下，除NSC公司的LM317在低剂量率下的辐照损伤较高剂量率辐照的小外，其他两公司LM317的Vdrop在高、低剂量率辐照下的损伤接近，表现出无剂量率效应。

图5 不同辐照方法下Fairchild公司LM317的Vdrop随总剂量的变化

图6 不同辐照方法下ST公司LM317的Vdrop随总剂量的变化

图7 不同辐照方法下NSC公司LM317的Vdrop随总剂量的变化

由图5～7还可看出，在零偏偏置下，Vdrop在变温恒剂量率辐照下的损伤较恒高温恒剂量率辐照和高剂量率辐照的大，且变温恒剂量率辐照的结果与低剂量率辐照的结果十分接近，能较好地模拟出双极线性稳压器Vdrop的低剂量率辐照损伤。而恒高温恒剂量率辐照下，Vdrop的损伤均明显小于低剂量率辐照的损伤，仅与高剂量率辐照的结果相一致。

由图5～7还可看出，3个公司的LM317在工作偏置辐照下，Fairchild和ST公司的LM317在不同剂量率下的辐照损伤无明显差异，变温恒剂量率辐照结果能很好地反映Fairchild和ST公司的LM317在高、低剂量率辐照下损伤无明显差异这一辐照特性。而NSC公司的LM317在工作偏置下，变温恒剂量率和恒高温恒剂量率辐照对Vdrop的损伤与低剂量率辐照的接近，且均明显小于高剂量率辐照下的损伤。

3 讨论

从上述实验结果可看出，3个公司生产的同一款双极线性稳压器的敏感参数在不同偏置下均表现出类似的变化规律，即零偏偏置下均表现出ELDRS，工作偏置下表现出时间相关效应或无剂量率效应的差异。变温恒剂量率辐照的结果不仅较好地模拟了3个公司生产的同一款双极线性稳压器的ELDRS，而且较好地鉴别了其剂量率效应的性质，其评判方法完全符合文献[9]提出的评判标准，即变温恒剂量率辐照可对不同偏置下的器件辐射效应的性质进行正确鉴别。

关于偏置对双极线性稳压器辐射损伤的影响，文献[11-12]已作了大量探讨；而对于双极电路的ELDRS，文献[1-5]用空间电荷模型进行了阐述，本文不再叙述。与美军标恒高温恒剂量率辐照加速评估方法相比，变温恒剂量率辐照加速评估方法的优越性主要与两方面因素有关。一方面与辐射感生的深、浅氧化物陷阱电荷的不同退火特性有关[8-9]。研究[8,13]表明，浅氧化物陷阱电荷在室温下能失去束缚电荷发生退火，而深氧化物陷阱电荷在温度高于100 ℃时才会发生大量退火。变温恒剂量率辐照的前半阶段采用了125 ℃和100 ℃的温度辐照，大量的深、浅氧化物陷阱电荷发生退火，造成氧化物空间电场减弱，使更多的空穴和H+在很小的空间电场阻碍下快速迁移到达SiO2-Si界面，与界面处的悬挂键形成大量的界面态，而界面态在175 ℃高温下才会发生大量退火[8,13]；变温恒剂量率辐照的后半阶段随着辐照温度降低至65 ℃和50 ℃，在界面态继续形成的同时，只有浅氧化物陷阱电荷发生了退火，大部分深氧化物陷阱电荷被保留下来，使在变温恒剂量率辐照下的氧化物中拥有最大的辐照感生净正氧化物陷阱浓度和界面态浓度，最终导致损伤增强。另一方面，变温恒剂量率辐照损伤较恒高温恒剂量率辐照的大是因为辐射损伤并非随辐照温度的升高而持续增长，而是随辐射剂量的增加使辐射损伤达到最大的辐照峰值温度逐渐向低温方向移动，与总剂量呈线性关系[9]。阶梯降温的变温恒剂量率辐照加速评估方法利用辐射最大损伤峰值温度与总剂量的线性关系，发挥了其辐射损伤的作用。因此，对具有ELDRS的电路采用变温恒剂量率辐照加速评估方法较恒高温恒剂量率辐照加速评估方法更可靠。

零偏偏置下双极线性稳压器均表现出ELDRS，说明由辐射感生界面态的损伤占主导地位[5]。相比恒高温恒剂量率辐照，变温恒剂量率辐照更有利于界面态和深氧化物陷阱电荷的产生。ST和NSC公司LM317的η和NSC公司LM317的Vdrop在工作偏置下低剂量率的辐照损伤均较高剂量率的小，表现出时间相关效应，说明氧化物陷阱电荷造成的损伤占主导地位[5]。加温辐照使大量氧化物陷阱电荷发生退火，造成加温辐照下的损伤较高剂量率辐照下的小。因此，采用变温恒剂量率辐照和恒高温恒剂量率辐照均能较好地鉴别出时间相关效应。在工作偏置辐照下，Fairchild公司LM317的η及ST、NSC公司双极线性稳压器的Vdrop均表现出无剂量率效应，说明辐照感生的氧化物陷阱电荷和界面态对剂量率和温度的依赖关系均不明显。

相较于恒高温恒剂量率辐照方法不能鉴别出3个公司的LM317在零偏偏置时具有ELDRS，文献[9]首先提出的变温恒剂量率辐照加速评估方法，无论是对具有ELDRS的零偏偏置还是对具有时间相关效应或无剂量率效应的工作偏置，均能正确鉴别其剂量率效应，且能较准确地模拟3款双极线性稳压器在零偏偏置、低剂量率辐照下的损伤，体现了变温恒剂量率辐照加速评估方法的优越性。变温恒剂量率辐照加速评估方法在双极线性稳压器LM317上的成功应用，使该种加速评估方法的普适性得到了更进一步的验证。

4 结论

通过本文的实验结果及其分析可得出以下结论。

1) 3个公司的LM317在零偏偏置下均表现出ELDRS，而在工作偏置下表现出时间相关效应和无剂量率效应。

2) 变温恒剂量率辐照加速评估方法能正确加速评估出所有LM317在不同偏置下的剂量率效应，且能较好地模拟3个公司的LM317在零偏偏置、低剂量率辐照下的辐射损伤，而美军标恒高温恒剂量率辐照加速评估方法并不能加速评估出3个公司的LM317在零偏偏置辐照下具有ELDRS，因此，采用变温恒剂量率辐照加速评估方法对LM317进行ELDRS加速评估较恒温加速评估方法更可靠。

3) 与美军标恒高温恒剂量率辐照相比，变温恒剂量率辐照加速评估方法体现出其优越性是因为：深、浅氧化物陷阱电荷的不同退火特性导致；变温加速评估方法从高到低的阶梯温度正好满足了各剂量阶段的最大损伤温度。

4) 变温恒剂量率辐照对3个公司的LM317的成功加速评估，使该加速评估方法的普适性得到了更进一步的验证。

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