双极线性稳压器中子辐射位移效应研究

李 彩 王义元 高见头 崔 帅 陈 斌 王春林

1（中国科学院微小卫星创新研究院 上海 201203）

2（上海宇航系统工程研究所 上海 201109）

3（中国科学院微电子研究所 北京 100029）

双极线性稳压器以其极低的噪声和快速的负载响应而被广泛应用于航天飞行器等空间领域，不可避免地遭受空间粒子辐射，引起器件性能退化，甚至失效。依据辐射损伤机理，空间粒子辐照对双极器件产生的影响主要有电离总剂量效应和位移损伤效应。随着双极器件低剂量率损伤增强效应的报道，国内外对双极器件的研究多集中在电离总剂量效应方面［1-4］，较少见到位移损伤的研究。文献［5-6］开展了线性稳压器的中子辐照研究，给出了线性稳压器在位移损伤下的变化趋势，但缺少辐照偏置影响的深入分析。而且，随着元器件国产化的需求，需对国产器件开展针对性研究，探索位移损伤对在轨应用的影响，保障航天器的在轨运行安全。为此，本文对国产双极线性稳压器开展了中子辐照位移损伤效应的研究，通过对输出电压在不同偏置下的在线监测及试验后不同负载条件下的测试，确立了影响双极线性稳压器输出电压变化的主要因素，探讨了形成的机理，可用于指导双极线性稳压器的位移损伤评估。

1 双极线性稳压器中子辐照试验

1.1 中子辐射源

按照GJB762.1-83《半导体器件辐射加固试验方法中子辐照试验》要求，中子辐射源采用快中子反应堆和TG1GA式反应堆，满足试验要求的稳态反应堆以及14 MeV中子发生器也可以采用。本试验选用西安脉冲反应堆做中子辐照试验。西安脉冲堆为游泳池式反应堆，有稳态和脉冲两种运行方式，稳态运行最高功率为2 MW。本次试验的反应堆运行功率选为400 kW，在该功率下中子注量率为2.67×1010n∙cm-2∙s-1。

1.2 试验样品及偏置条件

双极线性稳压器的典型结构如图1所示。误差放大器、带隙基准、取样电路、保护电路、开启电路等集成在一个芯片内，使其在一定的输入电压Vi和负载条件RL下，可以保持输出电压Vo不变。在取样电路（R1，R2）和稳压二极管（DZ）的稳定电压确定后，输出电压就是定值。由于调整管与负载串联，调整管的发射极电流等于负载电流，因此称为串联型线性稳压器。调整管需工作在线性区，因此稳压器的输入电压必须大于设定输出电压与调整管饱和压降之和，双极线性稳压器才能提供稳定的输出电压［3］。

本试验选用某国产双极线性稳压器开展中子辐照试验。辐照时，对器件施加不同负载，图1中，输入电压Vi=7 V固定；负载电阻RL根据器件的带载能力，分别施加1/2负载电阻（电流约为0.5 A）、1/4负载电阻（电流约为0.25 A）、1/8负载电阻（电流约为0.125 A）及不带载（无RL）。同时一组器件不施加任何偏置，直接放置在辐照环境中。

图1 线性稳压器原理图Fig.1 Schematic diagram of linear regulator

1.3 关键参数测试

线性稳压器是指输入电压Vi或负载RL发生变化时，能使输出电压Vo保持不变的集成电路。主要提供稳定、低噪声的稳定电源。所以输出电压、线性调整率和负载调整率是其最主要参数。但是根据测试说明发现，线性调整率和负载调整率是通过测量不同输入电压、不同负载下的输出电压计算获得。所以，实验过程中，在线监测线性稳压器在不同负载下的输出电压。并在实验结束后，对器件不同载荷条件下的性能进行测试，以此检验器件在不同负载、不同输入电压下的输出性能。

2 试验结果与分析

2.1 输出电压在线测试退化趋势

图2为双极线性稳压器分别在空载、1/8载、1/4载、1/2载负载偏置条件下在线测得的输出电压随中子注量的变化曲线。可以看到，随着中子注量的增加，各种偏置的双极线性稳压器在线测得的输出电压先缓慢下降，在积累到某一中子注量后开始迅速下降。在线测试过程中发现，随着辐射偏置电阻的增加，双极线性稳压器的中子辐照敏感性增大。1/2负载偏置下的双极线性稳压器，在中子注量约为6×1013n∙cm-2时，在线测得的输出电压开始明显下降，当中子注量达到8.5×1013n∙cm-2时，在线测得的输出电压仅为原来的33%。1/4负载偏置下的双极线性稳压器在线测得的输出电压，在中子注量约为7×1013n∙cm-2时开始明显下降；1/8负载偏置下的稳压器在中子注量达到8×1013n∙cm-2时才发生明显下降。当中子注量达到8.5×1013n∙cm-2时，1/4负载和1/8负载偏置下的双极线性稳压器在线测得的输出电压损伤分别约为50%和40%。而空载偏置下的双极线性稳压器，当中子注量达到8.5×1013n∙cm-2时，在线测得的输出电压基本保持不变。

图2 双极线性稳压器不同负载下输出电压随中子注量的变化曲线Fig.2 The output voltage curve of bipolar linear regulator under different loads bias with neutron flux

2.2 辐照后，线性稳压器输出电压随负载的变化

为了进一步分析负载对输出电压的影响，在双极线性稳压器中子注量达到8.5×1013n∙cm-2辐照后并在器件活化消退后，对在不同偏置条件下辐照后的器件分别在1/2负载（负载电流为0.5 A）、1/4负载（负载电流为0.25 A）、1/8负载（负载电流为0.125 A）、无负载（负载电流为0）的条件下进行输出电压的测试，以获得不同辐照偏置条件下的器件分别在相同测试负载电流下的输出电压变化趋势。图3为辐照后各器件输出电压随负载电流的变化曲线。图3中的误差条反应了同组器件多个测试数据变化的一致性。从图3可以看出，不带载测试时，所有器件的输出电压正常；带有1/8负载测试时，各器件的输出电压均降至2.2～2.9 V；带有1/4负载测试时，各器件的输出电压均降至1.7～2.4 V；带有1/2负载测试时，各器件的输出电压均降至1～1.7 V。由此可见，不同辐照偏置条件下的器件在相同测试负载电流下的输出电压变化趋势一致。但测试负载越大，输出电压损伤越明显，说明器件的带载能力降低，无法驱动较大的电流。

图3 辐照后双极线性稳压器输出电压随负载电流的变化Fig.3 The output voltage curve of bipolar linear regulator under different load current after irradiation

对比图2和图3，虽然在实验过程中实时监测结果显示不同负载偏置的影响不同，但经过对比测试条件和辐照后不同负载电流下的输出，可以发现，在线测试时，不同偏置条件下输出电压的差异是由中子辐照引起器件带载能力的降低引起的。不同偏置条件下辐照时，在线测试也处于不同带载状态，使其表现出了不同的输出电压变化。

3 中子位移损伤分析

中子不带电，穿透能力很强，可以充分靠近被辐射材料晶格原子的原子核，与原子核发生弹性碰撞。晶格原子在碰撞过程中获取能量，离开原来的点阵位置成为晶格中的间隙原子，而在它原来的位置则留下空位形成弗伦克尔缺陷。如若入射中子的能量足够高，初始位移原子在碰撞过程中可获得非常大的能量。在本次试验中，入射中子的平均能量为1 MeV，初始位移原子得到的平均能量约72.5 keV，而硅原子位移的阈能约15 eV，所以相当多的晶格原子离开它们的点阵位置产生位移，形成缺陷群。中子与晶体管中的Si晶格原子发生弹性碰撞，使晶格原子离开平衡晶格点，产生空位-间隙原子对，形成缺陷能级。这些缺陷能级位于Si禁带中，使导带的空穴更容易跃迁至价带，价带的电子更容易跃迁至导带，增大了由于热运动激发的载流子密度，严重减小了少数载流子的寿命。少数载流子寿命（τ）、纯掺杂杂质浓度（n）和迁移率（μ）是半导体材料的三个微观物理参数，少数载流子寿命是对中子辐射最敏感的微观参数，它的退化是以少数载流子为导电机理的半导体器件和双极集成电路发生中子辐射效应的主要因素［7］。

由于中子不带电，不受电场的影响。而中子与原子作用形成弗伦克尔缺陷时，一方面形成缺陷相对稳定，二则原子质量较大，受电场影响也较小。所以，辐照过程中，无论是否加电、或带载多少，其辐照损伤差异不大。

双极线性稳压器的工作原理可知，其输出电压受基准电压、误差放大器的性能、以及调整管的输出能力影响。而研究发现，无论是基准电压的减小，误差放大器性能的蜕变还是调整管输出的变化，都与其对应工作的双极晶体管的增益减小有直接关系［3］。如图3所示，辐照后，在无负载条件下测试时，各器件的输出电压基本未发生变化，说明其基准电压和误差放大器的性能未发生大的变化。而随着中子辐照注量的增大，输出电流发生变化，则可能主要是由于其调整管的输出能力减弱引起的。如图1所示，在取样电路（R1，R2）和稳压二极管（DZ）的稳定电压确定后，输出电压就是定值，和输入电压及晶体管的增益无关。电路中的电流是输入电压及双极晶体管增益的函数［8］。

在中子辐射下，τ、n和μ三个微观物理参数都会发生变化，其中少数载流子寿命是对中子辐射最敏感的微观参数。稳压二极管是基于多数载流子工作的器件，稳定电压是其最重要的参数，有实验表明稳压二极管的稳定电压在中子注量大于1×1015n∙cm-2以后变化才比较明显［9］。而双极晶体管是基于少数载流子工作的器件，中子辐照时，形成的缺陷能级使少数载流子与多数载流子的复合率增加，严重减小了少数载流子的寿命，导致基极电流增大，器件的增益降低［10］。因调整管直接与负载相连，所以调整管的增益直接决定了器件的负载电流。中子辐照时，调整管的增益减小，导致其输出电流降低，引起稳压器的带载能力减弱，形成带载条件下输出电压的变化。

因此，在开展中子辐照时，一方面可不考虑辐照偏置的影响，另一方面应加强在轨应用状态的控制，合理设置器件的负载状态，以提高其在中子位移损伤环境下的适应能力。双极线性稳压器可以通过降额设计，减少器件的电流负载，从而提高器件的空间生存抗位移损伤的能力。

4 结语

本文研究了不同辐照偏置条件下，双极线性稳压器的输出电压随中子注量的变化。经过辐照过程的实时监测和辐照后测试表明，实时监测过程中不同偏置条件下输出电压的差异主要是由测试负载不同引起的。中子辐照导致双极线性稳压器的带载能力严重降低，使其失去负载调整能力。在工程应用及考核过程中，应根据器件的在轨应用需求，合理选择负载进行抗辐射评估。电流降额设计是提高器件抗中子辐照的一种有效方法。