（材料物理与化学专业论文）基于vdmosfet的dcdc转换器辐射损伤预兆单元研究.pdf

摘要 摘要 d c d c 转换器作为二次电源广泛应用于太空辐射环境下，其辐射损伤可靠性 成为亟待解决的问题。传统的辐射加固设计和筛选方法存在生产周期长，成本高， 性能落后等缺点。本文探索采用e p h m 方法来解决d c d c 转换器辐射损伤可靠性 问题。 本文对d c d c 转换器及其内部易损单元之一v d m o s f t 的辐射损伤机理和 失效模式作了深入研究。设计并完成d c d c 转换器和v d m o s f e t 的y 射线辐照 实验。在深入分析参数退化机理的基础上优选了敏感表征参量。然后建立基于 v d m o s f e t 的d c d c 转换器辐射损伤预测模型。最后，依据此模型研制基于 v d m o s f e t 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元。 理论研究表明辐射后，v d m o s f e t 出现阈值电压负漂、跨导退化、噪声增大 等失效模式；d c d c 转换器出现效率降低、输出电压漂移、噪声增大等失效模式。 v d m o s f e t 阈值电压负漂引起d c d c 转换器失效有两种模式。一是v d m o s f e t 阈值电压低于p w m 输出电压低电位，不能脱离饱和区而失效；二是v d m o s f e t 阈值电压负漂引起漏端电流增加，致使d c d c 转换器转换效率降低。 本文设计并完成v d m o s f e t 和d c d c 转换器辐照实验，实验结果验证了理 论研究成果。对比分析电参数和噪声参数，依据辐射损伤敏感表征参量选取原则， 选取v d m o s f e t 的阈值电压和d c d c 转换器的输出电压、转换效率作为预兆单 元用辐射损伤敏感表征参量；选取噪声幅值b 为辐射损伤筛选、评价用敏感表征 参量。 在深入研究v d m o s f e t 辐射参数退化对d c d c 转换器影响的基础上，本文 建立了基于v d m o s f e t 的d c d c 转换器辐射损伤预测模型。理论计算和实验结 果表明所建立的辐射损伤预测模型是正确的，能准确的反映d c d c 转换器的辐射 损伤情况。 结合d c d c 转换器辐射损伤失效机理、失效模式与e p h m 实现方法，确定采 用参数监测的预兆单元方法。依据辐射损伤预测模型设计了基于v d m o s f e t 的 d c d c 转换器辐射损伤预兆单元电路原理图和版图，模拟和分析表明所设计的预 兆单元完全满足设计要求。设计的预兆单元在特许半导体成功流片，样品测试和 辐照实验表明所设计的预兆单元成功实现了报警，达到设计要求。 关键词：d c d c 转换器v d m o s f e t 辐射损伤预兆单元 a b s t r a c t a bs t r a c t d c d cc o n v e r t e r sa r ew i d e l yu s e da st h es e c o n dp o w e rs o u r c e si nt h es p a c e r a d i a t i o ne n v i r o n m e n t i t si r r a d i a t i o nd a m a g ei sa nu r g e n tr e l i a b i l i t yp r o b l e mn e e d e dt o b es o l v e d t r a d i t i o n a lr a d i a t i o nh a r d e na n d s c r e e n i n gm e t h o d sh a v es o m ed i s a d v a n t a g e s l i k el o n gp e r i o d s ，h i 曲e x p e n d i t u r ea n dl o wc a p a b i l i t ye t c t h e e p h mt e c h n i q u ew a s e x p l o r i n g l ya d o p t e dt os o l v et h ei r r a d i a t i o nd a m a g ep r o b l e mo fd c d cc o n v e r t e r s b a s e do nt h er a d i a t i o nd a m a g em e c h a n i s mo fd c d cc o n v e r t e ra n dv d m o s f e t , w h i c hi so n eo ft h em o s tv u l n e r a b l eu n i t si n c o n v e r t e r , i o n i z a t i o n i r r a d i a t i o n e x p e r i m e n t sw e r ed o n e a r c ra n a l y z i n gt h ed e g r a d a t i o no fp a r a m e t e r s ，t h em o s t s e n s i t i v e ，f a i t h f u la n dm e a s u r a b l eo n e sw e r es e l e c t e d t h e nb a s e do nv d m o s f e t ， d c d cc o n v e r t e r sr a d i a t i o nd a m a g ep r e d i c t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d f i n a l l y ， a c c o r d i n gt ot h i sm o d e l ，t h ep r o g n o s t i c sc e l lo fd c d cc o n v e r t e rr a d i a t i o nd a m a g ew a s d e s i g n e d t h e o r e t i c a ls t u d ys h o w st h a t ：a f t e ri r r a d i a t i o n ，t h ef a i l u r em o d e so fv d m o s f e t s a r e ：t h r e s h o l dv o l t a g ed r i f tn e g a t i v e l y , t r a n c o n d u c t a n c ed e g r a d e ，l o wf r e q u e n c y e l e e t r o n i c a ln o i s ei n c r e a s e dc t c ；d c d cc o n v e r t e r sa p p e a re f f i c i e n c yr e d u c e d ，o u t p u t v o l t a g ed r i f t ，l o wf r e q u e n c ye l e c t r o n i c a ln o i s ei n c r e a s e df a i l u r em o d e s v d m o s f e t s t h r e s h o l dv o l t a g en e g a t i v ed r i f tc a u s e dd c d cc o n v e r t e r st w of a i l u r em o d e s ，1 v d m o s f e t sc a nn o tb ed i v o r c e df r o ms a t u r a t i o ns t a t ew h e nt h et h r e s h o l dv o l t a g e l o w e rt h a nt h el o wp o t e n t i a lo fp w mo u t p u tv o l t a g e 2 c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo f d c d cc o n v e r t e r sr e d u c e dc a u s e db yl e a k a g ec u r r e n ti n c r e a s e sw h i c ho r i g i n sf o r m t h r e s h o l dv o l t a g en e g a t i v e l yd r i f t t h ei r r a d i a t i o ne x p e r i m e n t so fv d m o s f e ta n dd c d cc o n v e r t e r sw e r e a c c o m p l i s h e d t h e o r e t i c a lr e s e a r c hr e s u l t sw e r ev e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe l e c t r i c a lp a r a m e t e r sa n dn o i s ep a r a m e t e r ，t h et h r e s h o l dv o l t a g e o fv d m o s f e t ，d c d cc o n v e r t e r s o u t p u tv o l t a g ea n dc o n v e r s i o n a le f f i c i e n c yw e r e s e l e c t e df o rp r o g n o s t i c sc e l ld e s i g n i n g ，n o i s ea m p l i t u d ebw a ss e l e c t e da st h es e n s i t i v e c h a r a c t e r i z a t i o np a r a m e t e r sf o rs c r e e n i n ga n dr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n t h ed c d cc o n v e r t e r sr a d i a t i o nd a m a g ep r e d i c t i o nm o d e lb a s e do nv d m o s f e t w a se s t a b l i s h e db yt h ei n - d e p t hs t u d y i n go ft h er a d i a t i o nd a m a g er e l a t i o nb e t w e e n v d m o s f e t sa n dd c d cc o n v e r t e r t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o i l sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h er a d i a t i o nd a m a g ep r e d i c t i o nm o d e l t h er a d i a t i o nd a m a g eo fd c d c c o n v e r t e r s a c c o r d i i l gt ot h ef a i l u r em e c h a n i s m ，f a i l u r em o d e sa n dt h em e a s u r e so fe p h m t h e m o m t o rp 娥吼咖a l a r mm e t h o dw a ss e l e c t e d t h es c h e m a t i ca n d l a y o u to fp r o g n o s t i c s c e uw e r ed e s i g n e db a s e do nt h er a d i a t i o nd a m a g ep r e d i c t i o nm o d e l 。s i n l u l a t i o na n d 锄a l y s l ss h o wt h a tt h ep r o g n o s t i c sc e l ls a t i s f i e st h e d e s i g nr e q u i r 锄肌t s t 1 1 e p r o g n o s t i e sc e l lw a sf a b r i c a t e db yc h a r t e r e ds e m i c o n d u c t o r , s a m p l et e s t i n g 锄dt l l e l r r a d i a t i o ne x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h ep r o g n o s t i c sc e l lc a na l a r m s u c c e s s f u l l y , a 以如1 1 v m e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：d c i ) cc o n v e r t e r ，v d m o s f e t s ，r a d i a t i o n d a m a g e ，p r o g n o s t i c sc e 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：涛宙鹧辉 日期j 僻 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期羔! ! z ：兰2 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 d c d c 转换器空间应用可靠性问题 太空用电子设备不可避免受到各种宇宙射线和粒子的辐射，在辐射环境中半 导体器件和电子系统更容易失效，造成灾难性后果。欧洲粒子物理研究所( c e r n ) 研究表明，由辐射引起的空间电子设备的异常现象己达3 3 t 7 1 。器件及系统的辐射 效应、加固技术和可靠性监测技术已经成为各国航天局及高校等科研机构研究的 热点。 d c d c 转换器广泛用于航天器和太空设备中，为电子系统提供不同需要的电 压。国内外一些研究者对d c d c 转换器的总剂量电离辐射研究发现，相对于其他 电子器件而言，d c d c 转换器累积总剂量较低( 1 0 k r a d s 5 0 k r a d s ) 时，d c d c 转换 器就表现出输出异常甚至彻底损坏【2 9 3 03 1 1 。为了提高d c d c 转换器抗辐射性能，各 种辐射加固设计相继被提出来，例如选用辐射加固的m o s f e t 、光电耦合器，改 进电路拓扑结构，屏蔽设计等【3 2 3 3 1 。一些对比辐照实验表明，采用辐射加固设计 的d c d c 转换器的抗辐射性能有显著提高【2 3 洲，然而辐射加固设计的d c d c 转换 器，性能往往不如商用d c d c 转换器性能好，满足不了电子系统日益复杂化的要 求。商用d c d c 转换器用于航天等辐射环境下已成为了一种趋势，所以商用器件 辐射损伤可靠性是一个值得研究的课题【4 1 1 。 功率m o s 器件是在m o s 器件工艺基础上发展得到的新型功率器件，这种新 型功率器件具有输入阻抗高、开关速度快，工作频率高，热稳定性好等特点【l 2 j 。 其中，由于功率m o s 器件的转换速度快，使开关电源可工作到更高的频率，从而 使开关电源的体积减小，重量减轻，成本降低。所以含有v d m o s 器件的开关电 源非常适合于卫星和军用武器。但是卫星工作在太空辐射环境中，即使在近地轨 道在其工作的年限内累计辐射剂量达到1 0 0 g y ，而在远地轨道可以累积达 1 0 k g y 1 4 】。在苛刻辐射环境下，v d m o s 器件出现阈值电压漂移、漏电流增加、跨 导减小等失效模式【3 - 7 】，v d m o s 器件的抗辐射可靠性下降和辐射损伤引起的整个 d c d c 转换器性能退化成为科研人员关注的焦剧8 9 】。 1 1 2p h m 方法应用与意义 经过严格筛选和加固的器件可以达到一定可靠性要求，但还不能完全满足可 靠性的需要。所以就必须对其做出合理的可靠性预测。就是加固的器件而言也不 能说不会失效，所以预兆单元对电子系统和器件的可靠性提高都是有益的。预兆 单元技术最早用在机械领领，最近一段时间才用于电子系统【3 6 , 3 8 】，电子p h m 已成 2 基于v d m o s f e t 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元研究 为p h m 技术的一部分【3 引。国外已有几家结构做了试探性研究，并有一些带有预兆 单元的电子产品i 口- j 世【3 8 ，3 9 ，加1 ，国内还没有相关的报道 3 7 枷】。d c d c 转换器的可靠 性关系到整个航天器的可靠性，而v d m o s f e t 是d c d c 转换器的核心开关器件， 也是易损器件。v d m o s f e t 的辐射损伤和参数漂移将直接导致d c d c 转换器的性 能参数退化。在这种情况下，预兆单元技术用于d c d c 转换器辐射损伤可靠性预 测成为研究的新热剧4 2 1 。对v d m o s f e t 的辐射损伤敏感参数实施监测，在d c d c 转换器失效前给出报警，实现基于v d m o s f e t 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元 是本文研究的内容。 航天事业与微电子技术的迅速发展，都对器件和系统的可靠性提出严格的要 求。采用加固的器件和电路可以提高电子系统的可靠性，可是现在航天用器件选 用商用器件已成为一种趋势【4 l 】。如果可以实时掌控这些电路的工作状况，及时获 得电路异常的情报，在航天用d c d c 转换器失效前给出预警信号，可以有效预防 辐射损伤带来的灾难性后果。对于航天电源系统，v d m o s 器件的辐射损伤失效是 d c d c 转换器失效的一个重要原因。在d c d c 转换器中加入v d m o s 器件辐射损伤 预兆单元，即监测v d m o s 器件辐射损伤敏感参数的变化，根据寿命预测模型设定 报警阈值点，在辐射损伤参数漂移到到阈值点时，给出预警信号，从而保证了 v d m o s 器件辐射损伤这一环节不会导致系统失效，提高了系统的可靠性。 1 2 电子器件和系统p h m 方法的研究现状 p h m 技术在国内还是处于研究开发阶段的新技术，而在国外已有三十多年的 研究、开发历史【3 8 1 。从2 0 世纪7 0 年代起，故障诊断、故障预测、健康管理等系 统逐渐在工程中应用】。p h m 方法的核心思想是可靠性预测，可由经典的可靠性 浴盆曲线对这个概念进行说明【47 1 。产品的失效率与时间的关系如图1 1 所示，它 明显地分为三个区域。第一个区为早期失效区，失效率较高，但是随时间增加而 下降，通过合理的筛选可以在交付使用前把早期失效的产品筛选掉。第二个阶段 为产品的良好使用阶段，这一阶段的失效多为偶然失效，失效率较低，近似为一 个常数。第三个阶段为损耗失效阶段，失效率明显上升，大部分产品的寿命将终 止。p h m 方法的基本思想就是在设备进入损耗区前做出判断，计算产品的残余寿 命，向用户发出警报。 第一章绪论 3 l i f e t i m em o d e l b a r n血口r 赶伽 i ti 】i 妒和n u s 函1 i i l h 厂 r 一 1 图1 1 失效率浴盆曲线1 4 7 】 通过一定的监控手段捕捉到产品、设备的损耗信息，即触发点信息，随即发 出失效预报。触发点到器件发生故障的时间，即图1 1 中所示的“p r o g n o s t i cd i s t a n c e ” 为被监控设备在触发点的残余寿命。究竟需要争取到多少超前于故障的时间，应 根据不同系统类型而变化，在p h m 系统中，“p r o g n o s t i cd i s t a n c e ”是由用户自定义 的。r i d g et o p 研究所开发的基于预兆单元的故障预测单元在宿主器件剩余2 0 寿 命时发出失效预报口6 1 。 近年来p h m 技术蓬勃发展，已在机械系统中成功应用，电子系统的p h m 也 成为研究的一个热剧3 1 1 。国外对电子器件和系统p h m 技术研究较多，主要的研 究单位有美国马里兰大学、亚历桑那一& d g et o pg r o u pi n c 、美国i m p a c t t e c h u o l o 百e s 公司、法国的a m i n el a h y a n i ，p a s c a lv 锄e t 等都有相关的文章报道 3 6 - 4 5 】：国内的北京航空航天大学报道过对u 盘实施预兆和寿命监测【4 8 1 。其中最突 出的是美国马里兰大学p h m 研究中心和r i d g e t o p 研究所，对电子系统p h m 应用 的研究已是硕果累累。2 0 0 3 年，马里兰大学c a l c m 中心采用寿命预测方法( l c m ) 对机动车辆前盖中的电路设备进行研究，得到的寿命预测结果与热老化实验结果 非常吻合【4 7 1 。2 0 0 5 年r i d g et o p 研究所与j s f 的联合研发出了一整套d c d c 开关 电源的p h m 软硬件系统，也取得了很好的实验结梨4 0 ，4 2 】。近年来，r i d g et o p 研究 所对电子系统中的易损单元也已开发出了针对单一或多种失效机理的可靠性预兆 单元( p r o g n o s t i cb i s tc e l l ) ，目前已有很多商业化的产品【4 。 依据状态监控时采信的信息源不同，电子系统的状态监控和故障预报方法大 概有以下三种实现方案【3 9 ，4 5 1 。一是寿命损耗检测方法( l c m ) 。l c m 方法采信被 观测对象使用过程中所承受的环境应力和工作应力信息，基于电子系统的应力损 4 基于v d m o s f e t 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元研究 伤模型，得到该系统实时监控状态、损伤程度、进而估算该系统的剩余寿命。二 是失效征兆监控方法，基于观测对象使用过程中表现出来的异常信息即失效征兆 进行失效预报。失效征兆通常是失效前可测的变化，如电源输出电压变化可以反 映其内部反馈控制电路或光电耦合器等异常。通过建立被测失效征兆信号与随后 发生的失效之间的因果关系，建立推理算法，即可以实现状态监控和失效预兆。 第三种方法为金丝雀( c a n a r i e s ) 方法。设计一个预校准的半导体模块预兆单 元，与主器件、电路、系统集成在一起。预兆单元与被监控宿主电路由同一工艺 线生产，工作在相同的环境中，与宿主电路经历相同的环境应力，区别仅在于预 兆单元采用加速失效设计，失效率高于宿主电路。其先于主电路失效而为宿主电 路与系统提供失效预警，达到牺牲附加组件，保全整个系统的目的。电子系统性 能状态监控与故障预报需要根据系统属性及失效模式选择适当的实现方法，或综 合应用上述三种方法。如何实现d c d c 转换器状态监控与辐射失效预警是本文研 究的主要内容。 1 3 论文主要工作与结构 本文共分为五章，第一章介绍研究背景、研究意义和相关研究情况。第二章 研究了v d m o s f e t 和d c d c 转换器的电离辐射失效机理和失效模式，并设计完 成辐照实验。分析、对比参数退化得到所需的辐射敏感表征参量。第三章首先介 绍了v d m o s f e t 与d c d c 转换器之间的关系，然后以单端反激转换器例介绍了 v d m o s f e t 在转换器工作中的作用以及d c d c 转换器的工作原理和工作方式。 随后由基于v d m o s f e t 的d c d c 转换器的失效机理和预兆单元用辐射损伤表征 参量出发，建立了基于v d m o s f e t 的d c d c 转换器辐射损伤预测模型。然后， 对所建立的辐射损伤模型进行理论和实验验证。最后介绍了损伤预测模型在预兆 单元设计和d c d c 转换器辐射加固方面的应用。第四章首先确定了预兆单元的设 计要求和报警方案，然后设计预兆单元电路原理图和版图布局，模拟验证设计预 兆单元电路的正确性，最后对流片样品进行辐照实验验证。第五章简要总结论文 的研究内容，并对下一步工作进行展望。 第二章v d m o s 器件与d c d c 转换器辐射损伤表征技术 5 第二章v d m o s 器件与d c d c 转换器辐射损伤表征技术 2 1 辐射失效机理与失效模式研究 对电子器件和电子系统影响严重的太空粒子主要有质子、电子、伽马射线、 q 粒子、x 射线等，这些太空粒子主要来源于宇宙射线、太阳辐射、范艾伦带、 外层空间等【1 3 , 1 4 】。这些辐射粒子对半导体器件和电路的影响主要分为两个方面； 是电离辐射效应h 4 1 ，电离辐射效应是指辐射粒子进入物质，与物质内的电子相 互作用，把自身的能量传给电子。如果电子获得的能量大于原子的结合能，电子 就会脱离原子核的束缚，成为自由电子，原子电离成为离子。电离效应主要决定 于电子吸收的能量，与辐射类型无关。所以，电离辐射损伤可以用每单位体积的 物质吸收的能量来度量，常用的单位为r a d ( 拉德) 或者g v ( 戈瑞) 。二是位移辐 射效应【1 4 】，移辐射效应是指辐射粒子穿入固体物质，与晶格原子发生弹性碰撞， 使原子离开原来的晶格位置，从而产生晶体缺陷，改变器件的电学特性。下面分 别论述v d m o s 器件和d c d c 转换器的太空电离辐射效应。 2 1 i v d m o s f e t 辐射失效机理与失效模式 在太空辐射环境下，v d m o s 器件的辐射效应主要有总剂量效应和单粒子效 应。其中总剂量效应是本文研究的重点，图2 1 【8 】给出电离辐射在栅氧层中产生的 空穴一电子对的分布情况以及正栅电压下v d m o s 器件空穴俘获和移动示过程。 电离辐射时，由于b o d y 区和栅区的迁移率不同，在b o d y 区，电子和空穴迁移 率都很大，电子和空穴很快迁移出去，对器件影响不大。在栅区，电子和空穴迁 移率不相同，电子的迁移率大于空穴的迁移率，电子很快迁移出栅氧化层区而空 穴则被陷阱俘获形成正电荷。上述现象可用空穴迁移模型解释，空穴迁移模型【1 3 】 认为，电离辐射在二氧化硅薄膜中产生电子一空穴对，首先是相互复合，未复合 的电子和空穴在外电场作用下分离，各自漂移到相反极性的电极。正栅偏压下， 电子很快移出二氧化硅进入电极，大部分空穴移到s e s i 0 2 界面，并穿透它，进 入s i 体内，形成电流。只有部分被俘获于s u s i 0 2 界面附近的二氧化硅薄膜陷阱 中，形成空间正电荷，使阈值电压负向漂移。界面态是在s v s i 0 2 界面处存在的硅 禁带中的一些能级，它们由界面晶格失配、没有饱和的化学键或杂质构成，一般 表现为界面上三价硅悬挂键【1 3 , 1 4 】。界面态可以从晶体管的沟道俘获电荷，界面态 6 基于v d m o s f e t 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元研究 俘获的净电荷可以是正的、负的和零，只有在费米能级以下的界面态才会被载流 子填充。对于n v d m o s 器件，费米能级以下的受主态带负电，引起阈值电压正 向漂移；对于p - v d m o s 器件，费米能级以上的施主态带正电，起阈值电压负向漂 移【1 3 1 4 1 。 e l e c t l m n - 鼬l e 酬斟l t 帕糕 ： 蛳1 = = 竺2 二= 二气 _ _ - _ - - _ _ _ _ o t o i s t a n c e t h r uo x i l 畦 图2 1 正栅电压下v d m o s 器件空穴俘获和移动示意过程【8 】 综上所述，电离辐射在m o s 结构中产生空间电荷和界面态电荷，在这两种电 荷的作用下v d m o s 器件出现下面的失效模式：阈值电压负向漂移，跨导退化， 迁移率降低，静态漏电流的增加等【6 79 1 0 1 。 1 阈值电压漂移【6 1 5 1 辐射诱生的氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷使阈值电压负向漂移，其中氧化 层陷阱电荷是正电荷，它使1 1 型和p 型器件的阈值电压都负向漂移。而界面陷阱 电荷的情况就截然相反，对于n 型器件界面陷阱带负电荷而引起阈值电压正向漂 移，但是辐射时氧化层陷阱电荷占主要地位，总的结果使阈值电压负向漂移。对 于p 型器件，界面陷阱带正电荷，同样引起阈值电压负向漂移，所以总的效应是 阈值电压负向漂移。 2 跨导退化和迁移率降低【1 7 1 8 l 跨导是表征m o s 器件线性区特征的一个重要参数，它的性能直接反映了 s f s i o ：界面附近缺陷散射作用对沟道载流子有效迁移率的影响，它是反映 m o s f e t 电压增益的基本物理量。研究表明【1 6 1 ，跨导的退化起源于辐射感生的界 面电荷增加了晶格散射与库仑散射，使沟道载流子的迁移率| l 减小。所以跨导退 化和迁移率降低一致反映了器件沟道处的辐射损伤。 3 静态漏电流的增1 1 1 1 6 】 t t 型器件和p 型器件静态漏电增加的原因不同【l 6 1 。对于r i _ 型器件，静态漏电流 i s s 随辐射剂量增加而增大的主要原因是辐射引起阈值电压v t 下降，辐射诱生的氧 化层电荷使下面的p 型区改性而出现漏电沟道。而p 型器件不能用上述原理解释， 第二章v d m o s 器件与d c d c 转换器辐射损伤表征技术 7 由于p 型器件下面本来就是n 型区，不会改性而出现漏电沟道，所以p 型器件静 态漏电流增加的原因是辐射引起寄生漏电流增加。 除了上面这些主要的辐射效应外，一些研究者研究表明【1 6 1 凡亚阈曲线出现 小的鼓包，辐射后鼓包长大，而且鼓包位置的漂移比阈值电压漂移稍微大一点。 这个小的鼓包有三部分组成：反偏二极管电流、栅压调制电流、表面电流。 2 1 2d c d c 转换器辐射失效机理与失效模式 电子系统的电离辐射效应是由有内部分立器件的电离辐射效应引起，d c d c 转换器内部包含有功率m o s f e t 、p w m 集成控制芯片、肖特基二极管、光电耦合 器等诸多辐射易损单元。各易损单元对电离辐射效应分别表现出不同的敏感度， 因此d c d c 转换器的空间辐射效应表现出复杂而多样的特点。大量的辐照实验表 明，d c d c 转换器电离辐射失效模式主要有输出电压漂移、转换效率下降、输出 纹波增大、线性调整率和负载调整率增大等【3 0 3 1 ，3 3 1 。d c d c 转换器中的功率m o s 器件对总剂量效应尤其敏感，表现为阈值电压漂移、跨导退化、漏电流增加、开 启电阻增大等【56 】，这些参量的退化使d c d c 转换器的输出电压纹波增大，效率降 低。其它易损单元的总剂量辐射效应，如光电耦合器的电流传输比c t r 逐渐减小 和p w m 控制器的参量退化都会直接或间接影响d c d c 转换器的输出特性，使其 参量漂移或退化p 3 | 。 图2 2d c d c 转换器输出电压和 辐照剂量之间的关系 图2 3d c d c 转换器转换效率和 辐照剂量之间的关系洲 2 1 3 基于v d m o s f e t 的d c d c 转换器辐射失效机理分析 功率m o s 器件是一种理想的开关器件和线性放大器件。它具有开关速度高， 开关损耗小；工作频率高，频率响应好；热稳定性高，安全工作区宽；输入阻抗 高，增益大，驱动功率小，驱动电路简单等优点【l 】。其中，由于功率m o s 器件的 开关转换速度快，可以使开关电源工作到更高的频率，从而使开关电源的体积减 小，重量减轻，成本降低。 如上所述v d m o s f e t 在d c d c 转换器中用作开关作用，工作在太空辐射环 8基于v d m o s f e t 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元研究 境下的v d m o s f e t 和d c d c 转换器都出现了参数漂移现象。d c d c 转换器辐射 后参数退化是由内部半导体器件的参数退化引起的，v d m o s f e t 是d c d c 转换 器中的关键易损器件。如2 1 1 节所述，辐射后，v d m o s 器件出现阈值电压负漂， 跨导退化，漏端电流增加等失效现象。v d m o s f e t 在d c d c 转换器中用作开关 作用，在众多参数的退化中，阈值电压负漂影响最大。在d c d c 转换器中p w m 输出驱动v d m o s f e t 的开关，使其工作在饱和区和截至区，辐射后阈值电压负漂， 当阈值电压低于p w m 输出电压低电位值时，v d m o s f e t 不能脱离饱和区，开关 作用失效，使d c d c 转换器失效。在阈值电压负漂的过程中，当其还高于p w m 输出低电位时，阈值电压负漂引起漏端电流增加不可忽略。如图2 4 和2 5 。所示为 辐照后v d m o s f e t 漏端电流增加情况，关态漏电流增加量很小在微安数量级，故 对转换效率影响不大。辐照后，漏端饱和电流增加很大，在零点几安培到1 安培 左右。这对d c d c 转换器的效率影响时非常大的【2 43 4 】。v d m o s 器件辐照实验后， 关态漏电流和饱和漏电流随辐照剂量的变化趋势如图2 4 和2 5 所示 互 言 掌 j t m ji ) o m ji m d ( s l o z 图2 4v d m o s 肿关态漏电流随 辐照剂量变化关系1 6 】 r 奎酗跏麓( 谚) 然捌箍虢窦絮蜃i s 埔电流随辐照剂量变化关系i 2 2 v d m o s f e t 辐照实验和表征参量优选 太空辐射环境下v d m o s 器件出现参数退化或彻底损坏等失效模式。v d m o s 器件的辐射损伤退化参数有：阈值电压、跨导、漏端电流、关态漏电流等。在这 众多辐射损伤退化参数中选取一些敏感参数是本节工作的重点，确定v d m o s 器 件和d c d c 转换器辐射损伤敏感表征参量的作用有两个，一是对其进行筛选和抗 辐射能力无损评价；二是建立v d m o s 器件和d c d c 转换器之间的辐射损伤预测 关系。下面根据国内外研究和本次实验情况选取v d m o s 器件的辐射损伤表征参 量。 第二章v d m o s 器件与d c d c 转换器辐射损伤表征技术 9 2 2 1 辐照实验设计 本次实验方案根据实验目的，参照美军标m i l s t d 8 8 3 e 标准和国军标 g j b 7 6 2 2 8 9 标准【2 l 】进行设计。 鉴于目前航天应用中广泛选用市售商品的趋势，本此实验选用瓜公司生产的 三种塑封功率m o s 器件i r f 5 4 0 、i r f 5 2 1 0 和i r f d l1 0 。栅极接5 v 电压，辐照后 立即进行移位测试。 器件辐照实验在西北核技术研究所6 0 c oy 射线辐照源进行，实验中使用的y 射线的剂量率为5 0 r a d ( s i ) s ，辐照剂量率采用热释光法标定。由于卫星中应用的电 子器件在近地轨道几年内吸收的剂量可达到1 0 k r a d ，而在远地轨道这个值可以达 到1 0 0 0 k r a d t l 5 】，所以此次实验总剂量累计达到1 0 5 k r a d ( s i ) ，总剂量节点为5k r a d ( s i ) ，1 5k r a d ( s i ) ，3 5 k r a d ( s i ) ，6 5 k r a d ( s i ) ，1 0 5 k r a d ( s i ) 。辐照过程中，所 有器件都在加偏条件下辐照，源漏短接接地，栅极接+ 5 v ，辐照后进行移位测试。 噪声测试在西安电子科技大学噪声诊断与无损检测实验室自主开发的噪声测试系 统下完成。 2 2 2v d m o s f e t 电参数退化 v d m o s 器件的总剂量辐射效应参数退化严重的有阈值电压负漂，跨导退化， 转移曲线负漂掣1 51 6 1 。下面结合本次辐照实验分析这些辐射效应。 1 阈值电压退化分析 图2 6 是v d m o s 器件辐照后阈值电压随辐照剂量的变化趋势，从图中可以看 出随着辐照剂量的增加阈值电压持续减少。电离辐照后，m o s 结构中产生氧化层 空间电荷和界面态电荷，这两种缺陷电荷致使v d m o s 器件的电参数退化， 0柏1 1 卸 辐照总荆j t k r a d 删) 图2 6n 型器件阈值电压与辐照剂量之间的关系 阈值电压的负漂主要有两部分构成圪和g o t ，以n 型增强型功率m o s 器件 为例，这种漂移可以用下式表示 5 o 5 o 5 o 5 o 弘 = ； 拍 如 ” ，l罾粤菹 1 0 基于v d m o s f e t 的d c t ) c 转换器辐射损伤预兆单元研究 pp 巧= 一q d f + 产q j f = + 圪 ( 2 - 1 ) k o xl d r 02 d4 0801 0 01 2 0 辐照总剂魔k i n d ( s i ) 图2 7p 型器件阈值电压与辐照剂量之间的关系 式中q o ，是电离辐射在单位面积上产生的正空间电荷，是由氧化层陷阱电荷 导致的；q 是电离辐射在单位面积上产生的界面陷阱电荷，是由界面态导致的； 圪，是正空间电荷对阈值电压的影响；是界面陷阱电荷对阈值电压的影响。 2 跨导退化分析 跨导是表征v d m o s 器件线性区特征的重要参数，它的性能反映了氧化层界 面附近缺陷的散射作用对沟道载流子有效迁移率的影响。跨导的大小表征了栅压 对漏电流的控制能力，跨导是衡量器件质量和可靠性的重要指标之一。 实验结果表明，无论是1 1 v d m o s 器件还是p - v d m o s 器件，线性区跨导在辐 照后均发生负漂移。 图3 3 和3 4 分别给出了1 1 v d m o s 器件和p v d m o s 器件辐照后跨导随辐照 剂量的退化趋势，从图可以看出，随着辐照总剂量的增加，跨导的退化逐渐增加。 其主要原因是辐照诱生的界面陷阱增加了晶格散射与库仑散射，使沟道载流子的 迁移率卢减小。 在线性区v d m o s 器件的跨导表达式为 ，。= w , u _ e 疗c o x 一- a 矿( x ) ( 2 2 ) 0 5 d 5 o 5 0 5 o 4 4 彳 4 与 占 占 毒 彳 乏董粤罨璧 第二章v d m o s 器件与d c d c 转换器辐射损伤表征技术 1 1 o o袖明i o d1 2 0 # 舞总i 量，i ( r - d 哆d d2 01 0 01 2 ：0 囊卑簋_ ，k r a d ( s 0 图2 8n 型器件跨导随辐照剂量的变化 02 006 08 010 01 2 0 辐照总剂i 目k r a d ( s i ) 图2 9p 型器件跨导随辐照剂量的变化 式中，形和l 分别为沟道宽度和长度，为有效载流子迁移率， 化层单位面积电容。根据跨导的定义可知，跨导为漏源电压一定时， 微分增量与漏源电压微分增量之比。对上式求导可得 g 。= t w c o , v i , s 万 乞为栅氧 漏电流的 ( 2 3 ) 啦 哺 差| 哪 避轰loo晕，nn鹏a 如 拍 加 ” 仲 晒 0 o 0 0 o o 、i _ c o loiqnio 1 2 基于v d m o s f e t 的d c d c 转换器辐射损伤预兆单元研究 够。靠 ( 2 - 4 ) 式中m 为辐照所引起的陷阱数的变化，地为辐照前的迁移率，口为经验常 数。所以 协25 ， 。2 产_ l 一) 由上式可得 。= 箫f = 孚卜志，m 像6 ， 将( 2 5 ) 与( 2 6 ) 式进行对比，可以得到 等一惫f渤g 一= 一一，v i ，一 l m1 + 例v l o 从上式可以看出，跨导的变化与f 有关。当f 增加时，跨导的变化呈逐渐减 小的趋势。当辐照剂量逐渐增大时，在栅极产生的，数目也增大，因而跨导就随 着辐照剂量发生退化。 2 2 3 v d m o s f e t 噪声参数退化 贫 主 嫠 霉 唇 1 01 0 0 频率( h z ) 图2 1 0n 型器件的功率