双极运算放大器低剂量率辐照损伤增强效应的变温加速辐照方法

　　1991年,Enlow等[1]首次报道了某些双极器件在低剂量率下的辐照损伤比高剂量率下的明显,这一现象的发现引起了国际航天领域的广泛重视。在空间辐射环境中,辐照总剂量的积累是一较为缓慢的过程,其典型剂量率(以Si计,下同)分布范围为10-6~10-4Gy/s。考虑到时间及经费等因素,实验室辐照实际使用的典型剂量率范围一般为0·5~3 Gy/s。低剂量率辐照损伤增强效应(ELDRS)的存在,意味着用实验室测试评判方法得到的器件抗辐照水平,与在空间小剂量率辐照环境下使用的电子元器件的实际抗辐射能力严重不符,从而给卫星、空间站等的电子系统的可靠性带来极大隐患。然而,用低剂量率辐照器件来评估卫星、空间站等低剂量率辐射环境下使用的电子元器件的实际抗辐射能力,既不经济又耗时。因此,找到一种能够在实验室应用的、高效可靠的双极器件ELDRS的加速评估方法具有重要意义。

　　目前,国外对双极器件ELDRS及其机理的研究已较为深入[2-6],提出了几种相关的理论模型。但由于这一效应与器件的工艺及结构等有密切关系,故尚不能给出统一结论;对加速评估方法的研究,有新近修正出台的美军标MIL-STD-883G,其方法包括:1)实际的低剂量率(0·1 mGy/s)辐照;2)加温辐照(0·005~0·05 Gy/s,100℃);3)高剂量率辐照后加温退火;4)变剂量率辐照;5)其它加速方法。但除方法1)和2)给出了具体的实验标准和剂量率范围外,其余的标准均太笼统,未给出明确的规定。且对于上述的几种评估方法,或耗时过长(如方法1)、3)、4)),或损伤评估有总剂量限制(不高于500 Gy,如方法2)),且需倍乘过辐照因子。到目前为止,国内外还未见能快速鉴别双极器件和电路是否具有ELDRS实验方法的报道。国内在ELDRS方面的研究则相对较晚,目前主要集中在对不同双极器件的高低剂量率辐照损伤效应的研究方面,有关加速评估方法的研究尚处于探索之中[7-10]。本工作以美军标的实际低剂量率辐照法和加温辐照法为基础,进行阶跃变温辐照实验方法的探索。

　　1　实验样品及方法

　　实验样品为具有明显ELDRS的典型星用纯双极运算放大器电路LM108、LM101、OP07、LM124、LM158,JFET输入双极运放LF442,具有时间相关效应(TDE)的纯双极运放OP27,JFET输入运放LF353,既无ELDRS又无TDE的双极运算放大器μA741和PMOS输入双极运放CA3140。辐照源分别为中国科学院新疆理化技术研究所2·59×1015Bq的60Coγ大钴源和3·7×1013Bq的小钴源。在所有的实验中,运算放大器均施加相同的偏置,即辐照时运放的正输入端接地,负输入端与输出端相连,电源电压依器件型号不同施加相应的电压。为保证每次辐照试验数据的准确可靠,在室温辐照期间,在每一辐照偏置板上还配备了相应的热释光剂量片,以确定和验证实际的辐照总剂量及剂量率。且每次辐照均将试验样品屏蔽在根据美军标制作的Pb/Al屏蔽盒内,以屏蔽低能散射,防止剂量增强效应的发生。高温辐照则在特制的专门用于辐射实验的恒温箱内进行,箱内置有抗辐射的高灵敏度热敏电阻,可实时保证高温辐照期间烘箱内的温度变化不超过±2℃。运算放大器电路的电参数测试采用美国Tektronix公司生产的577-178运放电参数测试曲线示踪仪。每次辐照前后测试的主要参数有:输入失调电压Vio、输入偏置电流Ibs、共模抑制比CMRR、开环电压增益AVOL、电源电压抑制比SVRR等。上述所有参数测试均在器件辐照后的20 min内完成。