抗辐射光电耦合器试验研究

针对光电耦合器中使用的发光二极管(LED)进行了不同的方案设计,并对相关的光电耦合器进行了钴-60γ总剂量试验研究,比较了光电耦合器的主要参数——电流传输比辐照前后的变化,从而得到了优化的发光二极管设计。采用自主设计生产的发光管材料制作了发光二极管,同时利用中国电子科技集团公司第十三研究所研制的探测器、晶体管以及陶瓷管壳制作了光电耦合器。在4 mA偏置下,经过300 krad(Si)γ(辐照剂量率为50 rad(Si)/s)电离总剂量辐照后,电流传输比平均下降了31.5%,优于国外光电耦合器的已知水平。在抗辐射光电耦合器中,采用正装、小发散角结构的发光二极管可进一步提高其抗辐射性能。     

光电耦合器总剂量辐照的噪声表征

 本文在研究光电耦合器工作原理、辐照理论及1/f噪声理论的基础上,分析了光电耦合器辐照噪声产生机理及特性,建立了光电耦合器总剂量辐照损伤噪声模型.研究结果表明,随着辐照总剂量增强, LED及光敏管氧化层中引入的氧化层陷阱密度增多,载流子数涨落增强,从而使电压噪声功率谱密度增加.实验结果验证理论分析的正确性,电压噪声功率谱密度可作为光电耦合器辐照损伤表征参量.     

一种抗辐照的光电探测芯片设计

光电耦合器的核心模块是光电探测芯片。介绍了一种抗辐照光电探测芯片的设计,该电路基于0.5 μm标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺研制,内部包含跨阻放大器(TIA)、基准源和比较器等模块电路,并通过电路结构和版图设计进行抗辐照加固。测试结果表明,抗总剂量能力达到200 krad(Si),同时,该芯片数据传输速率可达10 MBd,其输入高电流范围为6~18 mA。     

不同偏置条件下光电耦合器的总剂量效应

开展了4N49光电耦合器不同辐照偏置条件下的辐照实验,结果表明:电流传输比的下降幅度与辐照期间的偏置条件有关,处于工作状态的光电耦合器比短路状态的总剂量效应要弱,其根源是光电耦合器的LED施加了电流,而与光敏晶体管的偏置状态关系不大;电流传输比随偏置条件的变化关系是由初级光电流决定的,而C-B区光响应度是初级光电流退化的主导因素.     

Buck隔离型DC/DC变换器在高剂量率条件下的总剂量辐射损伤机理研究

对国产Buck型正激DC/DC电源变换器在高剂量率辐射条件下开展电离总剂量辐照试验。分析了DC/DC电源变换器的关键电性能参数和功能随辐照总剂量的变化情况,并对DC/DC的失效机理和失效模式进行研究。通过机理分析定位辐照敏感单元。此外,还针对DC/DC的总剂量失效阈值与辐照过程中所施加的输入电压偏置和输出电流偏置的关联关系进行分析。     

大规模集成电路浮栅ROM器件总剂量辐射效应

提出了一种大规模集成电路总剂量效应测试方法:在监测器件和电路功能参数的同时,监测器件功耗电流的变化情况,分析数据错误和器件功耗电流与辐射总剂量的关系.根据该方法利用60Co γ射线进行了浮栅ROM集成电路(AT29C256)总剂量辐照实验,研究了功耗电流和出错数量在不同γ射线剂量率辐照下的总剂量效应,以及参数失效与功能失效时间随辐射剂量率的变化关系,并利用外推实验技术预估了电路在空间低剂量率环境下的失效时间.     

大规模集成电路浮栅ROM器件总剂量辐射效应

提出了一种大规模集成电路总剂量效应测试方法:在监测器件和电路功能参数的同时,监测器件功耗电流的变化情况,分析数据错误和器件功耗电流与辐射总剂量的关系.根据该方法利用60Co γ射线进行了浮栅ROM集成电路(AT29C256)总剂量辐照实验,研究了功耗电流和出错数量在不同γ射线剂量率辐照下的总剂量效应,以及参数失效与功能失效时间随辐射剂量率的变化关系,并利用外推实验技术预估了电路在空间低剂量率环境下的失效时间.     

辐照条件下光电耦合器的电流传输比模型

研究了辐照对光电耦合器各组成部分光电参数影响的机理,建立了光电耦合器在辐照条件下的电流传输比(CTR)模型.研究结果表明,辐照在发光二极管(LED)中引入界面态陷阱,产生非辐射复合,使LED的输出光功率下降;辐照改变了光敏二极管的少数载流子扩散长度,使光照产生的等效载流子数减少,进而使同样光照下的光电流减少;辐照在晶体管基极引入表面态陷阱,使基极复合电流增加,晶体管增益下降,从而使光电耦合器CTR下降.实验结果验证了所得理论模型的正确性.     

MTM反熔丝单元的辐照特性研究

对MTM反熔丝单元的总剂量辐照特性进行了研究,对未编程和编程后两种状态的反熔丝单元在不同电压偏置条件下进行总剂量辐照(Co~(60)-γ射线),辐照总剂量为2 Mrad(Si)。辐照试验结果显示,未编程状态下的MTM反熔丝单元的电压-电流特性曲线基本保持不变,漏电流变化率小于10%。编程后反熔丝单元的电阻特性保持不变,并且编程电阻大小对辐照试验结果无显著影响。试验结果表明,MTM反熔丝单元的抗总剂量(Co~(60)-γ射线)辐照能力达到2 Mrad(Si)以上。     

不同辐照剂量率下NPN晶体管的电流增益退化模型

电离辐照使NPN晶体管基极电流增加,导致电流增益退化。辐照感生的界面态使表面复合速率,感生的氧化物电荷改变基区表面势,导致表面复合率增加,这两者都引起基极电流增加;基于此,建立了电流增益退化模型。结合感生的界面态和氧化物电荷的产生机制,这个模型能够解释辐照导致的增益退化,以及增益退化的低剂量率增强效应。在Co60 源上进行了γ射线辐照试验,高剂量率为10 rad (Si)/,低剂量率为0.1 rad(Si)/s,总剂量为70krad(Si)。这个模型很好解释实验数据。     

Effects of gamma irradiation on the insulated-gate bipolar transistor

The effects of gamma irradiation on the International Rectifier IRGBC20 insulated-gate bipolar transistor (IGBT) was investigated. These devices were found to be sensitive to gamma irradiation due to their metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor (MOSFET) input drive. Total doses as small as 50 Krads(Si) increased the saturated collector current (I_c) by an order of magnitude when the irradiation was performed with zero gate bias. For a constant (V_g − V_th) of 0.5 V, I_c decreased to about half its pre-irradiation value after irradiation to 40 Krads(Si). The threshold voltage of the MOSFET shifted in the negative direction with the largest and smallest shifts occurring for a positive and negative gate bias applied during the irradiation, respectively. The shift in threshold voltage saturated at the cut-in voltage of the P-i-N diode portion of the device, indicating that gamma irradiation does not affect the P-i-N diode. The reverse blocking leakage current of the device is not very sensitive to radiation below a total dose of 400 Krads(Si), but increases sharply for larger doses. All of these radiation-degraded characteristics of the IGBT are primarily the result of increasing interface-state and oxide-trapped charge densities with total radiation dose, which decreases the carrier channel mobility by increased carrier scattering. Both room temperature and 150°C annealing were observed to partially recover all of the device characteristics by reducing the radiation-induced oxide-trapped charges.     

平衡材料对双极器件电离总剂量效应的影响

本文选择贴片式NPN双极器件作为研究对象,采用在器件辐照试验时设置平衡材料的方法,通过对器件辐照敏感电参数的测量,研究平衡材料对双极器件电离总剂量效应的影响程度.结果表明：在器件辐照试验时设置平衡材料,器件的敏感电参数电流增益较未设置平衡材料退化更明显,仅设置前平衡材料比仅设置后平衡材料影响更大.在器件前后均设置平衡材料、仅设置前平衡材料和仅设置后平衡材料三种不同条件下,器件电流增益退化差异在50krad（Si）剂量点时分别为22.55%、13.38%和12.58,当辐照总剂量达到300krad（Si）时降低至11.65%、7.31%和4.14%.因此在评估器件的抗辐照性能过程中,很有必要在器件进行辐照试验时根据器件的结构尺寸,设置一定厚度的平衡材料,使器件敏感区满足次级电子平衡条件,从而保证器件敏感区实际吸收剂量达到标称辐照剂量.     

不同偏置状态下4T-CMOS图像传感器的总剂量辐射效应

对不同偏置状态下的国产科学级0.18 m工艺掩埋型4T-CMOS有源像素图像传感器进行钴-60射线辐照和退火实验，研究总剂量效应对图像传感器的性能影响，并观察是否存在总剂量偏置效应。着重分析暗电流、满阱容量等参数随累积剂量的变化规律。实验结果表明随着辐照总剂量累加，暗电流前期缓慢增长，之后退化明显加剧，这主要是由于辐照致界面态和氧化物陷阱电荷密度增加。4T-CMOS图像传感器的暗电流主要由来源于STI界面，而辐照导致耗尽区展宽与STI接触使得暗电流增长加剧，同时，辐照导致的耗尽区展宽也引起满阱容量的下降。并且在4T-CMOS图像传感器的实验中没有发现明显的总剂量偏置效应。     

Near-Ballistic Unitraveling-Carrier Photodiode-Based V-band Optoelectronic Mixers With Low Upconversion Loss and High Operation Current Performance Under Optical IF Signal Injection

We demonstrate near-ballistic unitraveling-carrier photodiode (NBUTC-PD)-based V-band (50–75 GHz) optoelectronic (OE) mixers which can upconvert the V-band optical local-oscillator (LO) and intermediate-frequency (IF) signals. The optical LO and IF signals share a single erbium-doped optical fiber amplifier (EDFA) which means that the mixing performance of the device can be optimized by properly adjusting the ratio between the injected optical LO and IF power to the EDFA. The utilization of the strong nonlinearity of the ballistic transport of the electrons in the NBUTC-PD under a reverse bias regime means that our device achieves a low upconversion loss ( $-$6 dB) under a very high operating current (23 mA) in V-band (60 GHz). We are able to improve the operating current at the V-band over that previously reported for UTC-PD-based OE mixers. This is made possible by an increase in the optimum operating voltage from the near forward bias (0 V) to the reverse bias regime ($-$1.7 V).      

光方向耦合器汉明函数之波导结构影响

在本文章中研究光方向耦合器汉明函数之波导结构影响.传统的光方向耦合器之理论是由绝热的条件下所获得之结果,因此在波道耦合长度不夠长时则变得可疑,有鑑于此需要依靠光束模拟软体.在文章中有两个主要的指标:第一个为理论所适用的范围,第二个为最佳化低串扰、宽频宽和较短的耦合器长度.最后由结果得知我们所提出使用的汉明权重函数在此架构下能获得较佳的设计结果.     

体效应对超深亚微米SOI器件总剂量效应的影响

研究体偏置效应对超深亚微米绝缘体上硅（SOI,Silicon-on-insulator）器件总剂量效应的影响.在TG偏置下,辐照130nm PD（部分耗尽,partially depleted）SOI NMOSFET（N型金属-氧化物半导体场效应晶体管,n-type Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）器件,监测辐照前后在不同体偏压下器件的电学参数.短沟道器件受到总剂量辐照影响更敏感,且宽长比越大,辐射导致的器件损伤亦更大.在辐射一定剂量后,部分耗尽器件将转变为全耗尽器件,并且可以观察到辐射诱导的耦合效应.对于10μm/0.35μm的器件,辐照后出现了明显的阈值电压漂移和大的泄漏电流.辐照前体偏压为负时的转移特性曲线相比于体电压为零时发生了正向漂移.当体电压Vb=-1.1V时部分耗尽器件变为全耗尽器件,|Vb|的继续增加无法导致耗尽区宽度的继续增加,说明体区负偏压已经无法实现耗尽区宽度的调制,因此器件的转移特性曲线也没有出现类似辐照前的正向漂移.     

CMOS／SIMOX和CMOS／BESOI的γ射线辐照特性比较

用薄膜ＳＩＭＯＸ（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩＭｐｌａｎｔａｔｉｏｎｏｆＯＸｙｇｅｎ）、厚膜ＢＥＳＯＩ（ｆｆｅｎｄｉｎｇａｎｄＥｔｃｈ－ｂａｃｋＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）和体硅材料制备了ＣＭＯＳ倒相器电路，并用６０Ｃｏγ射线进行了总剂量辐照试验。在不同偏置条件下，经不同剂量辐照后，分别测量了ＰＭＯＳ、ＮＭＯＳ的亚阈特性曲线，分析了引起ＭＯＳＦＥＴ阈值电压漂移的两种因素（辐照诱生氧化层电荷和新生界面态电荷）。对ＮＭＯＳ／ＳＩＭＯＸ，由于寄生背沟ＭＯＳ结构的影响，经辐照后背沟漏电很快增大，经３００Ｇｙ（Ｓｉ）辐照后器件已失效。而厚膜ＢＥＳＯＩ器件由于顶层硅膜较厚，基本上没有背沟效应，其辐照特性优于体硅器件。最后讨论了提高薄膜ＳＩＭＯＸ器件抗辐照性能的几种措施。     

部分耗尽SOI NMOSFET总剂量辐照的最坏偏置

通过模拟对ON、OFF、TG三种偏置下PD SOI NMOSFET的总剂量辐照效应进行了研究.模拟发现正沟道的最坏偏置是ON偏置,背沟道的最坏偏置与总剂量有关.当总剂量大时,背沟道的最坏偏置是OFF偏置;当总剂量小时则是TG偏置.而NMOSFET的最坏偏置则取决于起主要作用的是正栅还是背栅.由于辐照产生电子空穴对的过程与电场分布强相关,通过分析不同偏置下电场分布的差异确定最坏偏置的内在机制.     

γ辐照导致中波碲镉汞光伏器件暗电流退化的机理研究

针对红外探测器在空间应用中受到高能粒子辐照后暗电流退化的问题,开展射线对中波碲镉汞（HgCdTe）光伏器件暗电流影响的研究。在室温和77 K温度下,利用60Co-射线对HgCdTe器件进行辐照试验,辐照试验结束后对低温辐照器件进行77 K低温退火和室温退火。通过比较辐照前后和退火后器件的I-V特性、R-V特性和零偏动态电阻R0参数,分析了辐照对HgCdTe器件暗电流的影响机制。试验结果表明:在总剂量为7 Mrad（Si）照条件下,器件暗电流未出现明显的退化;在77 K温度辐照条件下,器件暗电流随着总剂量的增加而增加,且暗电流退化幅度与辐照过程中的偏置有关。研究表明暗电流的退化源于辐照在器件中造成电离损伤,导致器件HgCdTe化层中的界面态和空穴陷阱电荷密度增加。     

A comparison of the effects of cobalt-60 γ ray irradiation on DPSA bipolar transistors at high and low injection levels

We investigate the γ-ray total dose induced degradation of double polysilicon self-aligned (DPSA) bipolar NPN transistors at low dose rate. Through comparing the measured results in low- and high-level injection regions, we find that the main irradiation damages related defects in two regions are quite different. In the case of lower emitter-base (E-B) bias, the damage is mainly localized in E-B interface region. For high-level injection, excess base current mainly results from radiation induced defects in intrinsic base region. Furthermore, a phenomenological model based on qualitatively analytical calculation is adopted to explain the experimental results.