光電耦合器高能電子輻照試驗研究

光電耦合器高能電子輻照試驗研究

1光電耦合器及材料光刻簡件的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)小、無接觸、干擾強(qiáng)、能隔離噪音和耐高低溫，具有輸出之間的電絕緣、單向傳輸信號和邏輯電路易連接等特點。廣泛應(yīng)用于需要電氣隔離和其他信號隔離的情況下，以保持信號的正常傳輸。光電耦合器主要由光電器件及材料組成。對光電器件及材料輻射效應(yīng)的研究表明,在空間輻射應(yīng)用中,光電器件對位移損傷比較敏感。近年來對光電器件及材料的位移損傷研究成為空間抗輻射加固技術(shù)領(lǐng)域的熱點之一,研究主要集中在不同能量的不同粒子的非電離能量損失(NIEL)和器件參數(shù)隨位移損傷劑量退化規(guī)律上。本文對光電耦合器位移損傷效應(yīng)作了分析研究,對光電耦合器輻照結(jié)果進(jìn)行了線性擬合,得出了在一定條件下光電耦合器4N25的參數(shù)隨電子注量退化的關(guān)系。2光電耦合器結(jié)構(gòu)光電耦合器是一種新型半導(dǎo)體光電子器件。這種器件將發(fā)光器件和受光器件組合為一體,以紅外光為傳輸媒介,采用電—光—電的傳輸方式。光電耦合器有兩種基本的類型:數(shù)字光電耦合器和線性光電耦合器。前者僅僅用LED輸出光控制數(shù)字電路或者晶體管的開關(guān);后者相對于前者而言,設(shè)計成能在一個寬輸入范圍內(nèi)保持非常小的電流轉(zhuǎn)換率變化。光電耦合器內(nèi)部分為輸入(發(fā)光器)和輸出(探測器)兩部分。當(dāng)輸入部分受到電信號激勵時,內(nèi)部發(fā)光器(LED)發(fā)出紅外光,使光電探測器產(chǎn)生光電流,輸出部分導(dǎo)通,輸出規(guī)定的電信號。光電耦合器的輸入部分通常采用GaAs紅外發(fā)光二極管,在其兩端加上控制電壓時,二極管的PN結(jié)上流過電流If,產(chǎn)生人眼不可見的紅外光,其光譜范圍一般為800~1000nm。光電耦合器的輸出部分為光敏器件,在紅外光的照射下產(chǎn)生光電流,并將光電流通過內(nèi)部或外部電路進(jìn)行放大,以滿足信號傳遞的要求。光電耦合器的輸出部分有多種結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)輸出部分為NPN硅光敏三極管形式時,光敏三極管在無紅外光照射時處于截止?fàn)顟B(tài),無電流輸出;當(dāng)輸入部分的紅外二極管發(fā)光時,光敏三極管受紅外光照射時產(chǎn)生光電流,其輸出特性曲線與普通三極管相似,但其基極驅(qū)動電流Ib由紅外二極管的電流I替代。輸出部分為NPN硅達(dá)林頓管時,相當(dāng)于兩級三極管耦合,具有很強(qiáng)的電流放大能力,可以提供較大的驅(qū)動電流。輸出部分為光控可控硅形式時,當(dāng)紅外光照射柵極結(jié)面時,可產(chǎn)生較大的輸出電流,能直接驅(qū)動繼電器或負(fù)載。3輻照測試方法試驗選用4N25作為研究對象,其輸入端為GaAs紅外發(fā)光二極管,輸出端為Si光敏三極管。為了使電子能夠穿透敏感層,試驗前對樣品上表面封裝進(jìn)行了打磨處理,打磨后敏感層厚度約為1mm,距入射表面約0.5mm,1MeV電子在塑料封裝材料(主要成分為C,Si,O,H)中的穿透深度約為1.8mm。測試電路如圖1所示。其中VI=5V,VCC=10V,R2+R0=1kΩ。測試時,三極管基極懸浮,光電耦合器的電流傳輸比(CTR)為其中:Io為輸出電流;If為輸入電流,即LED正向電流。高能電子束能量不確定度為6%;束流由劑量推算得出,劑量(水中)測試不確定度為4%;用于推算注量的電子阻止本領(lǐng)數(shù)據(jù)取自ICRU第21號報告。輻照試驗采用零偏置(所有引腳接地)移位測試方法,各次輻照后測試在10min內(nèi)完成,輻照時間間隔小于20min,電子注量率3.7×109e/(cm2·s)。輻照時If=0,VCC=0,輻照結(jié)果如圖2、圖3所示。可以看出,輻照后CTR變化量隨輸入電流的變化不大,Δ(1/nCTR)(歸一化CTR倒數(shù)的增量)與電子的注量成線性關(guān)系。4電子表格器的位移損傷4.1傷對器件影響作用機(jī)理空間環(huán)境中高能輻射粒子與衛(wèi)星器件材料發(fā)生原子作用過程,其結(jié)果使得衛(wèi)星材料晶格原子發(fā)生位移,空間中對器件位移損傷起重大作用的輻射粒子主要是質(zhì)子和電子以及次級中子。位移損傷對半導(dǎo)體器件影響作用過程如圖4所示。位移損傷對器件影響作用過程如下:(1)位移損傷形成的缺陷能級在禁帶中心形成一個中間能級,使價帶電子更容易躍遷到導(dǎo)帶,從而增加器件的熱載流子,使器件暗電流增加;(2)位移損傷形成的缺陷能級在禁帶中心形成一個復(fù)合中心,使導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴復(fù)合,這種作用會使載流子壽命縮短;(3)位移損傷形成的缺陷能級在禁帶中心形成一個載流子陷阱,載流子陷阱俘獲載流子后過一段時間再將它釋放,在CCD器件中,這種作用會使電子轉(zhuǎn)移效率降低;(4)缺陷能級補(bǔ)償受主或施主,產(chǎn)生所謂的載流子去除效應(yīng),使平衡態(tài)多數(shù)載流子濃度降低;(5)缺陷能級產(chǎn)生缺陷輔助隧遷效應(yīng),對PN結(jié)反偏電流有貢獻(xiàn)。此外位移損傷形成的缺陷結(jié)構(gòu)會增加對載流子的散射的貢獻(xiàn),使載流子遷移率下降。4.2輻射粒子注量與ctr的關(guān)系LED以及光電探測器轉(zhuǎn)換效率的降低以及晶體管增益的退化都會造成光電耦合器的電流傳輸比的退化,CTR變化量與輻射粒子在器件中的非電離輻射能量沉積相關(guān)。由圖2可以看出,輸入一定時,CTR隨輻照注量的增加而降低,在本試驗所受的輻照注量范圍內(nèi),CTR與電子注量的關(guān)系可以擬合為Kb是損傷線性依賴系數(shù),與輻照類型及器件有關(guān)系,是描述位移損傷的主要參數(shù)。對于主要由位移損傷造成的光電耦合器參數(shù)的退化,我們可以從少數(shù)的試驗結(jié)果推出損傷系數(shù),得到器件參數(shù)隨輻射粒子注量的退化關(guān)系,從而在節(jié)約空間輻射效應(yīng)評價成本、空間在軌故障預(yù)測及壽命預(yù)示中發(fā)揮作用。不同輸入電流下的擬合參數(shù)如表1所示。4.3缺陷能量導(dǎo)致led輸出特性下降由于輻射位移效應(yīng),使晶格完整性受到破壞,形成大量的輻射缺陷,造成半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)發(fā)生變化。在LED中,位移損傷形成的缺陷能級在禁帶中心形成一個非輻射復(fù)合中心,使導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴發(fā)生非輻射復(fù)合,這種作用會使載流子壽命縮短,降底LED的量子效率,使輸出光功率降低。LED量子效率與載流子壽命的關(guān)系為其中:τr為輻射復(fù)合壽命;τnr為非輻射復(fù)合壽命,包括由PN結(jié)界面態(tài)以及雜質(zhì)、位移損傷產(chǎn)生的缺陷造成的非輻射復(fù)合。同時,缺陷能級產(chǎn)生缺陷輔助隧遷效應(yīng),使LED反向飽和電流增加。4.4光電耦合器基礎(chǔ)光電三極管可以等效成如圖5所示光電二極管與三極管的組合,因此,其位移損傷效應(yīng)有兩個獨立的問題:首先是依賴于少數(shù)載流子壽命的擴(kuò)散光電流的收集、擴(kuò)散長度、光電探測器的光吸收深度;其次是晶體管的增益老化。前者主要是禁帶中形成的復(fù)合中心以及中間能級使少數(shù)載流子壽命降低,造成光電探測器的靈敏度下降,這一點對所有類型的光電耦合器都非常重要,包括光電二極管輸出型光電耦合器。對于后者,G.J.Brucker等人得出:在注量較小(小于5×1015e/cm2)時,基極、發(fā)射極晶體管區(qū)域的位移損傷占優(yōu)勢;注量較大時,基極區(qū)域的位移損傷占優(yōu)勢。當(dāng)小注量時,位移損傷在區(qū)域生成的缺陷能級使PN結(jié)(基極-發(fā)射極)載流子遷移率增加;由于基區(qū)摻雜濃度很低,而發(fā)射極摻雜濃度很高,因此缺陷結(jié)構(gòu)對基區(qū)的空穴影響遠(yuǎn)大于對發(fā)射極電子的影響。在相同的基極-發(fā)射極電壓作用下,輻射使