苏亚丽，朱胜利

（1. 西安石油大学 机械工程学院，西安 710065； 2. 西安交通大学 软件学院，西安 710049）

0 引言

航天器在空间环境中极易受到空间高能粒子的辐射；引发的辐射效应将直接或间接影响航天器用电子元器件的性能，导致器件退化甚至失效。电子元器件的空间辐射效应包括电离总剂量效应、单粒子效应[1-2]以及位移损伤效应[3-5]。空间环境中粒子辐射的剂量是逐渐累积的，会对航天器的可靠性及使用寿命产生不可预知的影响[6]。

临近空间的高能带电粒子与大气分子相互作用产生中子环境。受到中子辐射后，航天器中的部分元器件尤其是光电耦合器件会产生位移损伤效应，导致热载流子、器件暗电流增加，载流子寿命缩短等[6-7]。因此，需要通过地面辐照试验，得到与空间辐射环境下大致等效的器件位移损伤效应，为航天器用元器件的选型和加固设计提供参考。本文选取典型的光电耦合器件作为研究对象，分析中子辐照条件下器件的位移损伤敏感参数，得到不同中子注量下敏感参数的退化规律。

1 辐照试验

1.1 试验样品

试验样品采用瑞普北光生产的GH302型光电耦合器件，器件结构为间接耦合，内部无信号放大电路，输入端采用GaAs材料的红外发光二极管，输出端的光敏三极管采用硅材料。该器件内部结构及材料如图1所示。

图1 GH302光电耦合器件内部结构及材料Fig.1 Schematic diagram of structure and materials in GH302 opto-coupler

试验之前对所有15只样品进行编号，样品详细信息如表1所示。

表1 试验样品信息Table 1 Specifications of the photoelectric coupler samples

1.2 中子辐照源

选取西北核技术研究所的中子脉冲反应堆作为辐照源。模拟辐照试验中，依据GJB 33/19—2011[9]，选择1 MeV等效中子进行辐照，n/γ比为5×109n/cm-2rad-1，辐照总注量为 5×1011n/cm2，中子注量率不确定度小于10%。

辐照试验中，为验证光电耦合器件关键参数的退化与中子注量之间的关系，设置中子注量分别为0、1×1010、1.92×1010、5×1010、1×1011、2×1011、5×1011n/cm2，并测试对应辐照条件下器件的参数值，统计分析中子注量对光电耦合器件性能的影响规律。

1.3 电参数测试

采用原位测量法对试验样品的饱和压降、电流传输比、击穿电压以及正向电压等参数进行测试。辐照过程中样品不加电，辐照至规定注量时，停止中子辐照，并对15只样品分别进行电参数测试。

2 光电耦合器件位移损伤效应

2.1 发光二极管位移损伤

辐射产生的位移损伤效应使半导体材料晶格的完整性受到破坏，形成大量的辐射缺陷，造成材料物理性质的变化。在发光二极管中，位移损伤形成的缺陷能级在禁带中心形成一个非辐射复合中心，使导带中的电子和价带中的空穴发生非辐射复合，这种作用会缩短少数载流子（少子）寿命[7]。

光电耦合器受到中子辐照后，发光二极管中少子寿命为[10]

式中： τφ为受到注量为 φ的中子辐照后的少子寿命；τ0为辐照前的少子寿命；kg为发光二极管的寿命损伤系数。由式(1)可知，辐照后少子寿命 τφ与辐照注量成负相关，即少子寿命随着辐照注量增大而呈现减小的趋势。

发光二极管受到不同注量的中子辐照所引起的光功率退化满足关系式[11]

式中，PL(0)和PL(φ)分别为辐照前、后发光二极管的输出光功率。由式(2)可知，辐照注量越大，发光二极管的输出光功率越小。

2.2 光敏三极管位移损伤

光敏三极管根据其工作原理可等效成光电二极管和三极管的组合。因此，位移损伤效应对光敏三极管的影响包括：与少子寿命有关的扩散光电流的收集、扩散长度以及光电探测器的光吸收深度；晶体管的增益老化问题。光敏晶体管对中子辐照敏感度比较高，受到中子辐照后基区少子寿命缩短，晶体管的增益随之减小，同时集电极电流也会相应减小。中子辐射产生的载流子去除效应使集电区电阻增加，饱和压降随之增大[11]。

光敏晶体管的增益是少数载流子在基区的传输过程中实现的，其可表述为[10]

式中：µ为少子迁移率；E为基区电场；tr为载流子在基区的渡跃时间。光敏晶体管受到中子辐射后，增益发生改变[10]，

式中：hFE0为辐照前光敏晶体管的增益；hFEφ为受到注量为 φ的中子辐照后光敏晶体管的增益。由式(4)可知，辐照注量越大，光敏三极管的增益越小。

理论分析为辐照试验提供了坚实的理论基础，以及辐照试验后发光二极管和光敏三极管不同损伤程度的判断依据：当中子辐照试验中辐照注量逐渐增大时，发光二极管输出光功率会逐渐减小，根据输出光功率的不同可判断发光二极管的损伤程度；光敏三极管的作用在于电—光—电的转换，同时实现信号放大的功能，当辐照注量逐渐增大时，光敏三极管增益会降低。

3 试验结果及分析

试验得到了不同编号的光电耦合晶体管器件在不同中子辐照注量下的饱和压降、电流传输比、击穿电压以及正向电压特性的变化，并对数据进行了统计。

3.1 饱和压降随辐照注量的变化

当三极管中的发射结和集电结均为正偏时，晶体管处于饱和状态，集电极与发射极之间的电压降称为饱和压降。图2给出了试验中编号为1083、1113、1170的3只器件的饱和压降随中子辐照注量的变化。由图可以看出，随着辐照注量增大，器件的饱和压降均呈现增大的趋势，在最大辐照注量时饱和压降达到最高值。

图2 不同器件饱和压降随中子辐照注量的变化Fig.2 The saturation voltage drop of three different types of devices against the fluence of neutron irradiation

从其他器件的辐照试验数据来看，不同厂家、不同型号光电耦合器件的饱和压降都有同样的变化规律。如图3所示：对试验样品按照同样的方法进行辐照试验，并对试验数据进行统计分析，发现其变化规律与图2基本相同。即随着辐照注量的增大，同一器件的饱和压降会逐渐增大，在辐照注量达到试验中的最大数值时，器件的饱和压降达到最大值。

图3 不同器件的饱和压降随辐照注量的变化Fig.3 The saturation pressure drop of different types of devices against the fluence of neutron irradiation

由2.2节的位移损伤效应分析可知，受到中子辐射后，随着辐照注量的增大，光敏晶体管的增益会减小。在辐照试验中则体现为，随着中子辐照注量逐渐增大，集电极电流也会相应减小，导致饱和压降增大。

3.2 电流传输比随辐照注量的变化

电流传输比（CTR）是指光电耦合器输出管的工作电压为恒定值时，输出电流与发光二极管的正向电流之比，可用来衡量光电耦合器件的增益。在辐照试验中，测量得到不同型号器件样品的电流传输比，统计数据如图4、图5所示。

图4 编号为1083、1113及1170的器件电流传输比随辐照注量的变化Fig.4 The current transmission ratio of #1083, #1013 and#1170 devices against the fluence of neutron irradiation

图5 GH302光耦器件电流传输比辐照后的退化情况Fig.5 The current transmission ratio of different types of devices produced by the same manufacturer

分析图4和图5可得，光电耦合器件在不同辐照注量下的电流传输比具有如下特点：随着辐照注量的增加，电流传输比呈现下降趋势；在无辐照条件下，不同器件之间的电流传输比差别较大，但随着辐照注量的增加差别逐渐缩小，当辐照注量达到最大值5×1011n/cm2时，差距缩至比较接近。

研究表明，当光电耦合器件处于辐射环境中时，高能辐射粒子进入半导体材料，产生位移损伤效应，形成大量间隙原子-空位对，直到传递的能量低于晶格原子的位移阈值能量[12]。因此，当中子辐照注量增大时，器件中形成的间隙原子-空位对数量增加，电流传输比会明显降低。

受到中子辐照后，光电耦合器件发生位移损伤效应：在发光二极管中，位移损伤形成的缺陷能级在禁带中心形成一个非辐射复合中心；在光敏三极管中，辐照注量越大，光敏三极管的增益越小，导致了电流传输比的下降。

3.3 击穿电压随辐照注量的变化

击穿电压是衡量PN结可靠性与使用范围的一个重要参数，在PN结的其他参数不变的情况下，击穿电压的值越高越好。图6为本次试验中不同编号的光电耦合器件击穿电压随辐照注量的变化。

从图6可以看出：不同型号光电耦合器件的击穿电压随中子辐照注量的增大均呈现增大的趋势；当辐照注量达到最大值5×1011n/cm2时，击穿电压值亦达到最大。分析可知，当器件受到中子辐照时，位移损伤效应使器件的集电区电阻随辐照注量的增加而增大，导致器件的击穿电压增大。

图6 不同型号器件的击穿电压随辐照注量的变化Fig.6 The breakdown voltage of different types of devices against amount of irradiation

3.4 正向电压随辐照注量的变化

当电源的极性与器件的极性连接相同时，电压为正向电压。对辐照试验中所有器件正向电压的变化数据进行统计分析，其结果如图7所示。

图7 正向电压随辐照注量的变化Fig.7 The change of forward voltage vs.the fluence

由图可见，不同器件的正向电压会随中子辐照注量的不同而变化，同一光电耦合器件的正向电压会随辐照注量增大而减小，但变化幅度在mV量级。分析可知，受到中子辐照后，发光二极管产生位移损伤效应形成的缺陷能级在禁带中心形成一个非辐射复合中心，使导带中的电子和价带中的空穴发生非辐射复合，这种作用会降低光电耦合器件的正向电压。

4 结束语

本文对光电耦合器件进行地面中子辐照模拟试验，旨在获得航天器上光电耦合器件受到辐射后的等效损伤状况。模拟试验结果表明，受到不同注量的中子辐照后，产生的位移损伤效应导致光电耦合器件的电流传输比出现不同程度的退化。此外，光电耦合器件的饱和压降、击穿电压及正向电压也受位移损伤效应的影响出现不同程度的变化。本研究可为航天器用电子元器件尤其是光电耦合器件的设计人员提供一定的参考。