代佳龙，冯伟泉，赵春晴，沈自才，郑慧奇，丁义刚，刘宇明，牟永强

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

空间粒子辐射环境是诱发航天器异常和故障的主要原因之一。这些带电粒子与航天器及其所应用的电子元器件、材料等相互作用，产生多种空间辐射效应，从而影响航天器的正常、稳定工作，甚至飞行安全。

随着我国航天事业的蓬勃发展，用于卫星、飞船的电子元器件不但要求高性能，而且更要求高可靠性。双极晶体管（BJT）具有良好的电流驱动能力、线性度、低噪声以及优良的匹配特性，以其高速、耐久性以及功率控制能力一直备受关注，常用于空间系统，包括运算放大器、比较器以及电压调整器等。空间辐射环境对 BJT会造成累积电离损伤总剂量效应（TID）。总剂量与航天器的运行轨道、姿态（倾角）、轨道的高度及太阳活动峰年密切相关。此外，不同厂家、不同工艺、甚至同一工艺不同批次生产的元器件对电离辐射损伤都具有不同的敏感性。

空间总剂量效应可以用钴源γ射线来模拟。钴源产生的γ射线与物质作用时，主要是产生康普顿效应。该效应产生的电子引起物质电离，同时发生能量沉积；这些沉积在元器件中的能量会使元器件性能参数发生退化。该效应与空间带电粒子辐射环境产生的总剂量效应是等效的，因此可以在地面用钴源γ射线来模拟空间总剂量效应。

本文对3DG111F等4种双极晶体管进行总剂量辐照试验、测量、并对试验结果分析。研究旨在为单机总剂量效应引起的故障原因分析提供试验依据。

1 空间粒子辐射环境

空间粒子辐射环境由地球辐射带、太阳耀斑、银河宇宙线的高能粒子组成。地球辐射带（亦称范·艾伦带）主要由地球磁场俘获电子（能量低于7 MeV）和质子（能量低于500 MeV）构成，分为内辐射带和外辐射带。内辐射带为赤道平面约 600～10 000 km高度的区域，主要成分是高能质子，最大通量密度位置在2Re（Re为地球半径）处，电子的能量低于5 MeV，最大通量密度位置在1.5 Re。外辐射带为赤道平面约10 000～60 000 km高度的区域，主要是由电子组成（比内辐射带电子通量密度高10倍）。

NASA开发的AE/AP系列模型[1]是地球辐射带的基本模型，也是目前最常用的模型。按照LEO和GEO的空间B-L坐标，AP8和AE8模型给出了 100 keV～500 MeV范围内的质子、40 keV～7 MeV范围内的电子的全方向的通量的估计值。模型区分了太阳活动最大和最小的条件：对于质子，太阳活动最小时的通量大于太阳活动最大时通量；电子的情况则正好相反。AP8和AE8模型不包括地磁亚暴或短期太阳变化导致的辐射通量的瞬时变化。空间质子通量密度随质子能量降低而升高，直到最低能量100 keV。AP8模型是根据探测数据建立的，由于探测低能质子的传感器技术难度较大，AP8模型没有低于100 keV的数据，实际上是存在的[2]。银河宇宙线（galaxy cosmic rays）由来自银河系各个方向的高能带电粒子流组成，其成分为：85%的质子（氢核），14%粒子或氦核，1%重离子（Z＞4），Z＞26的重离子很少，能量范围在10 GeV以下。银河宇宙线在太阳活动周期谷年时最大。银河宇宙线粒子相比地球辐射带而言通量很小，但由于其能量非常高，屏蔽一般不起作用。太阳耀斑（solar flares）往往伴随着大量高能粒子的喷发，主要为高能质子（90%），能量为10～1 000 MeV，也包括少量的α粒子和重离子。喷发时会造成粒子通量的增加，通常会持续几个小时到一周以上，但典型情况下持续2～3 d。

辐射环境模型取AE8(min)、AP8(min)和JPL1991年太阳耀斑质子，计算低地球轨道(500 km/28°)电离总剂量为 1.2 krad(Si)/a，对于地球同步轨道（35 780 km/0°）电离总剂量为52 krad(Si)/a[3]。星上器件在空间接收的辐射剂量率范围一般为10-4～10-2rad(Si)/s，地面试验如果使用此剂量率进行模拟，将耗费大量的时间，所以在工程应用上需采取加速试验方法。

2 总剂量辐照试验

2.1 辐照器件与测试参数

辐照器件：高频小功率三极管 3DG111F，高频三极管3DG162J，高频三极管3DG180C，小功率三极管3DK9H共4种。其中，每种4只，共16只，放置在一块电路板上，使用“零插力插座”固定器件，避免了大量测试造成管脚损坏。

测试参数是电流增益HFE和饱和管压降VCES。

1）HFE是共发射极正向电流传输比静态值，即晶体管集电极电流IC与基极电流IB的比值，它表征晶体管的放大能力。根据各型号试验样品生产厂家提供的器件手册，试样的参数合格判据标准取值范围见表1。

表1 各器件电流增益HFE取值范围Table 1 Range of current gain(HFE) for various devices

2）VCES为晶体管的集电极—发射极饱和管压降，指晶体管进入饱和区工作状态，集电极电流不随基极电流增加而增加时的集电极—发射极压降。VCES的大小跟晶体管的制造工艺关系密切。根据各型号试验样品生产厂家提供的器件手册，试样合格判据标准取值范围见表2。

表2 各器件饱和管压降VCES取值范围Table 2 Range of VCES for various devices

参数测量分别在试验前、试验过程中和试验后进行，共测量10～12次。为保证试验精确性，按照美军标MIL-STD-883要求，每次测试时间在辐照后2 h内完成。

2.2 偏置电路

辐照期间晶体管加15 V直流电压，发射结正偏，单一晶体管偏置电路示意图见图1。

晶体管正常工作状态为IB=0.1 mA，IC=1 mA，VCES=70 mV。经电路模拟测得的结果为：IB=0.1 mA，IC=0.988 mA，VCES=68.193 mV，符合正常工作状态要求。

图1 辐照偏置电路示意图Fig. 1 Schematic diagram of radiation bias circuit

2.3 辐射源及辐照均匀性分析

辐射源选取北京辐射中心（位于北京师范大学内）60Co γ放射源，源结构为竖直棒源结构，直径为12 mm, 棒高度为48 cm, 活度为3 000 Ci，辐照电路板在源棒高度中心位置，距源棒740 mm。辐照装置的结构布局如图2所示。

图2 辐照装置结构布局图Fig. 2 Layout of the structure for radiation device

根据GJB 5422—2005总剂量辐照试验标准建议，选择辐照剂量率为 1 rad(Si)/s，均匀性小于10%，辐照总剂量为器件全部失效时的剂量。

γ放射源在空气中的吸收剂量率的计算公式[4]为

式中：A表示放射源的活度；τ表示照射率常数；R表示测量点中心到放射源中心的距离；Kd表示考虑到放射源本身衰变的校正系数。由于钴源的半衰期为 5.27 a，在短时间的试验中，其由于半衰问题引起的误差可以不予考虑，我们可以得到简化公式：

由于该放射源为竖直放置的柱状源，其在线路板垂直方向上的分布是均匀的，故只需要考虑水平方向上的不均匀性。设试件板宽为200 mm，辐照空间内的辐照剂量率分布关系如图3所示。

图3 剂量率计算示意图Fig. 3 Sketch map of calculation for dose rate

图3中R表示放射源中心与试件板中心的距离，Dmax和Dmin分别表示辐照区域最大和最小的剂量率，放射源中心到辐照区域最远的距离为

由不均匀度定义

取最大值，则为

将公式(2)和公式(3)代入公式(5)有

求解得：R≈212 mm。

试验过程中，线路板位置 R=740 mm，达到1 rad(Si)/s的辐照剂量，满足均匀性要求。

2.4 辐照试验流程

详细的试验流程见图4所示。

图4 辐照试验流程图Fig. 4 Flow chart of irradiation testing

3 试验结果

3.1 晶体管3DG111F

通过试验发现晶体管增益HFE出现明显降低，达到120 krad(Si)剂量后，#1、#2器件HFE从155下降到120，相比初始值降低了30%；#3器件从135下降到117，#4器件从137下降到105。以上数据说明该参数对辐照非常敏感（如图5）。

图5 3DG111F参数HFE变化曲线Fig. 5 Curve of 3DG111F parameter HFE ’s variation

参数 VCES则出现不同程度的增大的情况（如图6）：#1器件由67 mV升到77 mV，#2器件本身饱和管压降VCES为128 mV，明显大于其他3个器件的VCES，说明存在个体差异，辐照后由128 mV升到129 mV；#3器件由62 mV上升到73 mV；#4器件由65 mV上升到69 mV。

图6 3DG111F参数VCES变化曲线Fig. 6 Curve of 3DG111F parameter VCES ’s variation

3.2 晶体管3DG162J

对于晶体管3DG162J，参数HFE下降非常明显，剂量达到5 krad(Si)后，4个器件的HFE参数均低于55，说明器件已经失效，其抗总剂量水平非常差（见图7）。

图7 3DG162J参数HFE变化曲线Fig. 7 Curve of 3DG162J parameter HFE ’s variation

参数VCES出现不同程度的升高，该参数的失效判据是大于0.5 V，而器件在达到120 krad(Si)辐照后未失效，但其对总剂量的敏感性很大，随剂量增大VCES增大明显： #1器件由130 mV上升到149 mV，#2器件由150 mV上升到185 mV，#3器件由209 mV上升到263 mV，#4器件由111 mV上升到175 mV（见图8）。

图8 3DG162J参数VCES变化曲线Fig. 8 Curve of 3DG162J parameter VCES ’s variation

3.3 晶体管3DG180C

试验发现达到 120 krad(Si)剂量后，晶体管3DG180C增益HFE出现明显降低：#1器件从86下降到82，#2器件从92下降到79，#3器件从84下降到78，#4器件从84下降到78。HFE参数对辐照非常敏感。图9中除2#外，其他曲线出现先上升后下降的原因是某些器件在试验初始阶段出现了轻微的退火，参数性能有一定的恢复。

图9 3DG180C参数HFE变化曲线Fig. 9 Curve of 3DG180C parameter HFE ’s variation

该器件的VCES随辐照剂量增大而变化较小（如图10所示），但变化具有波动性，说明该参数的变化不完全取决于剂量的变化，跟器件本身特性和工艺也有关。

图10 3DG180C参数VCES变化曲线Fig. 10 Curve of 3DG180C parameter VCES ’s variation

3.4 晶体管3DK9H

对于器件3DK9H，试验发现其增益HFE略有降低，达到120 krad(Si)剂量后，#1器件从33.4下降到31，#2器件从35.8下降到31.4，#3器件从33.6下降到31，#4器件从34.3下降到31.2。但HFE参数变化幅度较小，说明该器件对辐照不敏感（图11）。

图11 3DK9H参数HFE变化曲线Fig. 11 Curve of 3DK9H parameter HFE ’s variation

参数VCES出现不同程度的增大的情况：#1器件由257 mV变化到260 mV，#2器件由255 mV升到261 mV，#3器件由264 mV上升到269 mV，#4器件由267 mV上升到269 mV。该器件的VCES随辐照剂量增大而增大，在40～80 krad(Si)剂量区间增大幅度明显；在达到110 krad(Si)辐照剂量后，出现一定的恢复（如图12）。该器件的VCES变化较其他型号的器件出现多次反复，这说明在辐照过程中该参数变化不完全取决于剂量的增加，而跟器件的本身特性和工艺有关。

图12 3DK9H参数VCES变化曲线Fig. 12 Curve of 3DK9H parameter VCES ’s variation

4 分析与讨论

从4种器件的γ射线辐照效应结果，我们可以看到4种器件的HFE参数随辐照剂量的增加而有不同程度的退化：3DG111F、3DG162J与3DG180C这3种三极管在120 krad(Si)剂量辐照后，参数指标下降达到30%，退化非常明显； 3DK9H的HFE参数退化较小，在 120 krad(Si)辐照剂量时仅下降11%，可见其抗总剂量能力较高。

对于4种器件的参数VCES，同样随着辐照剂量的增加而出现退化：3DG111F、3DK9H和3DG180C均随剂量增加而增加，增加幅度比较小，但变化具有一定波动性，对辐照不够敏感；3DG162J则随辐照剂量增加而增大非常明显，最高较初始值增大57%，性能退化明显，表明该型号器件参数 VCES对辐照较敏感。

γ射线与物质相互作用的主要效应是康普顿散射效应、光电效应和电子对效应。60Co源γ射线的平均能量是 1.25 MeV，其康普顿散射效应占优。康普顿散射是光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子把部分能量转移给电子使其电离，产生电子-空穴对，而能量降低了的光子沿着与原运动方向不同的角度散射出去，当散射光子能量超过电离阈值时，会继续产生电离作用。对于双极器件，均采用SiO2绝缘层，电离辐射直接的结果使整个SiO2绝缘层内引入附加的正俘获电荷及在 Si/SiO2界面产生界面态[5]。

电离辐射在SiO2中产生电子-空穴对，无电场时，这些电子-空穴对将重新复合；存在电场时，电子-空穴逃逸复合的几率增加，逃逸复合的电子-空穴对被氧化物中以及 Si/SiO2界面处的缺陷所俘获的概率很大，由于电子在氧化物中的迁移率要远高于空穴，因此这些没有复合的大部分电子在氧化物中电场的作用下漂向电极，而大部分移动缓慢的空穴则被氧化物陷阱俘获形成正氧化物电荷，氧化物俘获正电荷分布于SiO2靠近Si/SiO2界面处约若干nm厚的薄层内，其改变了表面势位。

界面态的形成则是电离辐射在Si/SiO2界面的SiO2一侧使部分 SiO2价键断裂，另外电离空穴或H+到达界面引起相互作用，产生随机分布的3价硅原子，破坏了硅晶格势场的周期性，将硅导带、价带中的部分能态扰动至禁带中，在界面处引入了界面态。表面态可带负电，也可带正电，取决于和本征费米能级的关系。

双极晶体管增益HFE倒数的表达式为

式中：IRB为基区体复合电流，即注入电子通过基区时复合的电流；ID为由基区扩散入发射区的多数载流子电流；IRG为发射极—基极耗尽层的复合电流；IS为表面复合电流；ICBO为集电极—基极反向电流。

Si/SiO2界面性能退化而使器件失效的γ射线总剂量约为体内位移损伤引起失效的总剂量的1/50[5]。对于双极器件的电离辐射效应而言，以表面损伤为主，即不考虑IRB随辐射的变化；而ID受辐射的影响可忽略不计。电离辐射在界面产生的正电荷俘获和界面态，引起轻掺杂的基区表面耗尽，降低了少数载流子寿命，也使载流子表面复合速度增加，所以IRG和IS随着剂量的增加而增加，导致双极晶体管增益HFE随剂量增加而退化，最终导致器件失效。

5 结论

空间粒子辐射会引起双极晶体管氧化物俘获电荷和表面态密度增加，使表面势位增加，引起轻掺杂的基区表面耗尽，使载流子表面复合速度增加。复合速度的大量增加使晶体管增益HFE随剂量增加而明显下降，当试验辐照剂量达到120 krad(Si)时，除晶体管3DK9H外，其他3种双极晶体管全部失效，表明双极晶体管的HFE对总剂量辐照非常敏感。而它们的饱和管压降 VCES随辐射剂量增大也发生一定退化，在剂量达到 120 krad(Si)时，饱和管压降VCES增大5%左右，没有像增益HFE那样严重。通过上述试验研究，了解了这些器件的总剂量退化特性，为下一步进行含有这些器件的单机总剂量试验结果分析提供了依据。

（

）

[1] Bolin J A. Comparative analysis of selected radiation effects in medium earth orbits[D]. Naval Postgraduate School, California, USA, 1997

[2] Q/W 510A—2008, 地球静止轨道粒子辐射环境模型选用指南[S]

[3] 于庆奎, 唐民, 朱恒静, 等. 用10 MeV质子和钴60 γ射线进行CCD空间辐射效应评估[J]. 航天器环境工程. 2008, 25(4): 391

[4] 清华大学工程物理系. 辐射防护概论[M], 1997-07: 59-65

[5] 陈盘训. 半导体器件和集成电路的辐射效应[M]. 北京:国防工业出版社, 2005: 96-97