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 娇姚 帅陆 妩于 新王 信李小龙刘默寒孙 静郭 旗

1（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）

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。研究表明［1‒2］，太空辐射环境属于低剂量率辐射环境，剂量率为10−7～10−4Gy·s−1（Si），绝大部分双极器件在低剂量率辐射环境下累积电离总剂量会产生低剂量率辐射损伤增强效应［3‒5］，导致器件电参数剧烈退化。同时太空中存在的高能粒子入射电路内部敏感晶体管时，会导致电路输出发生瞬态变化，即单粒子瞬态［6‒10］。因此卫星在轨运行时，双极器件将同时受到电离总剂量和单粒子效应的影响，电离总剂量在电路内部晶体管累积的陷阱电荷可能会影响单粒子瞬态发生时的电荷收集，对单粒子瞬态产生影响。国外针对运算放大器的电离总剂量与单粒子瞬态的协同效应进行了相关的报道［11‒14］：激光单粒子试验结果表明电离总剂量效应会扭曲单粒子瞬态的波形，对于单粒子瞬态的影响强烈的依赖于单粒子入射内部晶体管的位置以及运算放大器工作偏置条件，且运算放大器LM124存在低剂量率辐射损伤增强效应与单粒子瞬态的协同效应；重离子试验结果表明电离总剂量效应会使单粒子瞬态翻转截面变大；不同制造工艺的运算放大器的电离总剂量与单粒子瞬态协同效应差异明显。国内对于双极运算放大器的电离总剂量与单粒子瞬态的协同效应可见报道较少。综合来看，运算放大器的电离总剂量与单粒子瞬态协同效应依赖于不同的工作偏置条件、不同的剂量率以及不同的制造工艺，但国内外对于运算放大器的电离总剂量与单粒子瞬态协同效应的研究局限于较少类型的运算放大器，因此还需要针对其他不同类型的运算放大器进行进一步系统研究，获得更加完善的双极运算放大器的电离总剂量与单粒子瞬态协同效应影响规律，这对于正确评估双极模拟电路在复杂太空辐射环境中的在轨工作状态具有重要意义。

本文针对双极运算放大器LM158进行了电离总剂量与重离子的协同辐射效应研究，分别在高剂量率和低剂量率辐照下累积相同总剂量之后再进行重离子辐照试验，结果发现：电离总剂量效应显著展宽了双极运算放大器LM158的单粒子瞬态宽度并减小了单粒子瞬态幅值，同时低剂量率辐射损伤增强效应的存在进一步增强了电离总剂量与单粒子瞬态的协同效应，对单粒子瞬态产生更大影响，形成低剂量率辐射损伤增强效应与单粒子瞬态的协同效应，增加了单粒子瞬态的传播风险。针对这个试验结果，本文提供了相关的分析。

1 试验样品与方法

试验样品为相同批次的双极运算放大器LM158。试验分为总剂量辐照试验与重离子辐照试验两部分：1）总剂量辐照试验在中国科学院新疆理化技术研究所进行，辐照源为60Coγ放射源，高剂量率选择0.1 Gy·s−1（Si），低剂量率选择1×10−4Gy·s−1（Si），高剂量率辐照和低剂量率辐照累积的总剂量都是1 000 Gy（Si），且辐照过程中的所有样品引脚接地；2）重离子辐照试验在中国科学院近代物理研究所重离子国家实验室单粒子试验终端进行，重离子类型为钽（Ta）离子，传能线密度（Linear Energy Transfer，LET）为80.29 MeV·cm2·mg−1，能 量 为1 500.5 MeV，射程为88.7μm，试验样品的偏置选择正相放大11倍，输入信号为0 V，电源电压设置为+15 V和−15 V，如图1所示。重离子辐照试验中的测试系统由计算机、示波器、直流电源、测试板构成，如图2所示。直流电源为样品提供直流偏置，受辐照样品输出的单粒子瞬态通过示波器进行在线观测并将采集到的所有单粒子瞬态信息保存于计算机终端中，最后利用MATLAB软件对所有单粒子瞬态波形的关键信息（脉冲幅值和脉冲宽度）进行统计处理，以便全面了解电离总剂量效应对单粒子瞬态的影响，其中脉冲宽度为半波全宽（Full Width at Half Maximum，FWHM）。

图1 重离子辐照试验时运算放大器正相放大+11倍偏置示意图Fig.1 Schematic diagram of the operational amplifier with NIWG+11 configuration during heavy ion irradiation test

图2 重离子辐照试验测试系统Fig.2 Schematic diagram of test system during heavy ion irradiation test

2 试验结果

重离子辐照过程中，示波器采集到的单粒子瞬态数量众多，为观察和分析单粒子瞬态的波形特征以及电离总剂量效应对单粒子瞬态的影响，选取其中的典型单粒子瞬态波形如图3所示。结果表明：工作于正相放大+11倍偏置的运算放大器LM158受重离子辐照后产生正向宽瞬态脉冲、正向窄瞬态脉冲和负向瞬态脉冲，累积电离总剂量之后的双极运算放大器LM158受到重离子辐照时，正向宽瞬态脉冲和正向窄瞬态脉冲的幅值都减小且负向瞬态脉冲宽度展宽，同时，在低剂量率1×10−4Gy·s−1（Si）辐照条件下的负向瞬态脉冲宽度相对于高剂量率0.1 Gy·s−1（Si）辐照条件下的负向瞬态脉冲展宽现象更加显著，表现出明显的低剂量率辐射损伤增强效应与单粒子瞬态的协同效应。

图3 运算放大器LM158在正相放大+11倍偏置时典型单粒子瞬态波形(a)未累积总剂量，(b)高剂量率0.1 Gy·s−1（Si）累积总剂量至1 000 Gy(Si)，(c)低剂量率1×10−4 Gy·s−1（Si）累积总剂量至1 000 Gy(Si)Fig.3 Transient waveforms of the SET in LM158 with NIWG+11 configuration(a)LM158 without irradiation,(b)LM158 irradiated with HDR of 0.1 Gy·s−1（Si）to 1 000 Gy(Si),(c)LM158 irradiated with LDR of 1×10−4 Gy·s−1(Si)to 1 000 Gy(Si)

通过MATLAB软件以统计方式处理得到的运算放大器LM158在正相放大+11倍时受Ta离子轰击后的单粒子瞬态幅值-宽度特性如图4所示。图4（a）为未累积总剂量时的单粒子瞬态分布，图4（b）和图4（c）分别为高剂量率0.1 Gy·s−1（Si）条件下和低剂量率1×10−4Gy·s−1（Si）条件下累积总剂量至1000 Gy（Si）后的单粒子瞬态分布。

图4 （a）和图4（b）的对比结果显示，运算放大器LM158在高剂量率0.1 Gy·s−1（Si）条件下累积总剂量至1 000 Gy（Si）后，负向瞬态脉冲宽度由28μs展宽至60μs，变大了114%，正向窄瞬态脉冲幅值由14 V减小到8 V，正向宽瞬态脉冲的幅值也有所减弱；图4（a）和图4（c）的对比结果显示，在低剂量率1×10−4Gy·s−1（Si）条件下累积总剂量至1 000 Gy（Si）后，负向瞬态脉冲宽度由28μs展宽到90μs，增加了221%，正向窄瞬态脉冲的幅值由14 V减小到8 V，正向宽瞬态脉冲几乎消失；图4（b）和图4（c）的对比结果显示，低剂量率辐照下累积总剂量后的单粒子瞬态比高剂量率辐照后的单粒子瞬态发生了更显著的变化，主要表现为脉冲继续展宽，由60μs展宽至90μs，变大了50%。

图4 正相放大+11倍时LM158的脉冲幅值-宽度统计分布图（重离子种类为Ta离子，LET=80.29 MeV·cm2·mg−1）(a)未累积总剂量，(b)高剂量率0.1 Gy·s−1（Si）累积至1 000 Gy(Si)，(c)低剂量率1×10−4 Gy·s−1（Si）累积至1 000 Gy(Si)Fig.4 Statistical distribution of pulse amplitude-width of the SET in LM158 with NIWG+11 configuration(heavy ion is Ta,LET=80.29 MeV·cm2·mg−1)(a)LM158 without irradiation,(b)LM158 irradiated with HDR of 0.1 Gy·s−1(Si)to 1 000 Gy(Si),(c)LM158 irradiated with LDR of 1×10−4 Gy·s−1(Si)to 1 000 Gy(Si)

3 分析与讨论

图5 为运算放大器LM158的电路结构简图，Q1、Q2、Q3、Q4组成的共集-共射复合差分电路构成此运算放大器的输入端，Q5和Q6构成的电流源不但作为有源负载，而且将Q2和Q3的电流变化传递给中间级电路，使得与输入级的输出端相连的电容C和Q7晶体管的基极电压发生变化。Q7、Q8和Q9采用共集-共射的形式构成该运算放大器的中间放大级电路，对信号进行放大的同时使其反相。Q11、Q12和Q13组成了运算放大器的推挽输出电路，Q11以射级输出形式输出负半周信号，而Q13以射极输出形式输出正半周信号。

当运算放大器未累积总剂量时，重离子Ta入射运算放大器中的敏感晶体管（通常为关闭晶体管）［15］，在其内部产生大量的电子空穴对，如图6所示。由于关闭晶体管的发射结和集电结都处于反向偏置状态，此时晶体管内部的电场方向由基极指向发射极和集电极。在电场的作用下，空穴被集电极和发射极所收集，电子则被基极所收集，电子与空穴的输运使得晶体管由截止状态转变为导通状态。双极运算放大器中所有关闭晶体管受到重离子辐照后导通的机制都是相同的，差别在于处于前级的晶体管导通后会通过影响次级晶体管的导通状态来影响运算放大器最终的输出。

因此，重离子Ta入射运算放大器LM158中不同位置的晶体管会导致最终输出如图4所示不同类型的单粒子瞬态。当重离子Ta入射到运算放大器LM158的反相输入端晶体管Q2时，会向其注入能量，激发电荷，使Q2晶体管导通，导通机制如上所述，其瞬态电流扰动会通过Q6的集电极传递给下一级电路，从而给运算放大器内部输入级与中间放大级之间的耦合电容C充电。Q2的瞬态电流给电容充电时，会抑制Q7的导通而使Q8和Q9导通。因为中间级电路对信号是反相放大作用，所以Q2的瞬态脉冲传递到中间级电路的输出端时会转变为负瞬态脉冲。Q9导通之后，吸收与之相连的Q11、Q12的基极电流使其基极电压降低，导致Q11暂时导通而Q13截止，在输出端产生负向瞬态脉冲。当重离子Ta入射到LM158的Q6晶体管时，使其被注入电荷并导通，进而使Q7导通。由于Q7的发射极与Q8的基极相连，Q7导通后对电流的收集作用导致Q8的基极无法注入电流而处于关闭状态，进而Q9也处于关闭状态。此时Q11因基极电压升高而截止，而Q13处于开启状态，在运算放大器输出端输出正向瞬态脉冲。重离子Ta在双极晶体管中激发的电子空穴被集电极和发射极收集的过程中复合作用较弱，被基极所吸收的电流较少，晶体管的导通作用较强。

双极晶体管中的复合过程以Shockley-Read-Hall（SRH）复合为主，根据SRH复合模型［16‒17］，复合速度R可以表示为：

图5 运算放大器LM158内部结构简图Fig.5 Schematic diagram of the internal circuit structure of operational amplifier LM158

图6 未累积电离总剂量时处于截止状态PNP晶体管单粒子瞬态分析示意图Fig.6 Schematic diagram of SET analysis in bipolar transistor without TID

式中：τn0表示电子的寿命；τp0表示空穴的寿命。且非平衡载流子的寿命值还受到缺陷电荷密度的影响，可表示为：

式中：σn、σp分别表示电子和空穴的俘获截面；NT表示界面陷阱电荷密度；vt表示电子（空穴）的运动速率。

如图7所示，当双极晶体管累积电离总剂量后，会在Si-SiO2界面处引入界面陷阱电荷，导致界面处能带弯曲，界面处费米能级靠近禁带中央，此时半导体表面电子和空穴的浓度趋于相近，使得电子和空穴的俘获截面σn和σp变大，进而导致界面处电子和空穴的寿命τn0与τp0减小，表面复合速率R增大［18］。同时，界面陷阱电荷可以充当电子和空穴的复合中心，累积电离总剂量后，界面陷阱电荷密度NT增大使表面复合速率进一步增大。此时受重离子激发产生的电子空穴对大部分在基区被复合吸收，被集电极和发射极所收集的电子空穴数目减少，导致瞬态电流减小，进而引起内部电源电流减小，造成运算放大器输出脉冲幅值减小，同时内部瞬态电流的减小会延长对电路内部电容充电时间，使运算放大器的输出脉冲展宽。

图7 累积电离总剂量后处于截止状态PNP晶体管对单粒子效应电荷收集的影响示意图Fig.7 Schematic diagram of the influence of the PNP transistor in off state after accumulating TID on the collection of single particle effect charges

研究表明［3，19‒20］，在低剂量率条件下辐照时，会产生更多的界面陷阱电荷，所以会复合吸收更多的电子空穴，造成晶体管的导通状态变弱，电源电流比高剂量率辐照后更小。图8显示了分别在0.1 Gy·s−1（Si）和1×10−4Gy·s−1（Si）剂量率辐照下累积电离总剂量至1 000 Gy（Si）后运算放大器LM158电源电流随着累积剂量的增加而产生明显的退化，且1×10−4Gy·s−1（Si）剂量率辐照条件下退化更加显著，从而增强了对单粒子瞬态的影响。

图8 运算放大器LM158的电源电流随累积总剂量的变化示意图Fig.8 Schematic diagram of the power supply current variation of LM158 with the increase of total dose

4 结语

本文通过对双极运算放大器LM158的电离总剂量与单粒子瞬态协同效应的研究，发现电离总剂量效应会引起运算放大器LM158的单粒子瞬态幅值减小和脉冲展宽，其根本原因是电离总剂量效应在双极晶体管中Si-SiO2界面处产生的界面陷阱电荷影响了单粒子效应在双极晶体管中激发的电子空穴的收集过程。由于低剂量率辐照条件下，双极晶体管中累积的界面陷阱电荷相比于高剂量率辐照条件下更多，使双极晶体管产生更大的损伤，因此对于单粒子瞬态的影响更显著。