OP604光敏管质子位移损伤效应研究

光敏晶体管是空间飞行器光电编码器中的重要组成部分,对空间高能质子引起的位移损伤效应较为敏感。文章通过试验获得了光敏管的核心参数输出电流与质子能量、位移损伤剂量、工作状态、屏蔽材料的关系。在50、60、70、92 MeV四种能量的质子辐照下,器件输出电流及光电转换效率最大下降80%。晶体管内部光敏二极管初始光电流的下降和晶体管电流增益的下降共同作用造成了输出电流随位移损伤剂量的增加不断衰减。不锈钢和三明治屏蔽结构对60 MeV能量质子几乎没有遮挡效果。通过提高输入光照强度,增大初始光电流,可以降低位移损伤效应的影响。另外,采用PIN型光电二极管,增大耗尽区面积,也是可行的加固方法之一。

多尺度模拟方法在材料位移损伤效应研究中的应用

介绍了材料位移损伤效应研究中的多尺度数值模拟方法,包括第一性原理、分子动力学和动力学蒙特卡罗方法,举例说明了3种方法的作用和模拟结果,指出了半导体材料位移损伤多尺度模拟研究中待研究的问题,为半导体材料的辐射效应研究提供参考。

基于光探测器位移损伤效应的卫星光通信误码率特性研究

分析了空间电离辐射的位移损伤效应影响下InGaAs PIN光探测器暗电流的损伤特性,在此基础上建立了强度调制直接检测模式的卫星光通信系统误码率模型。仿真结果表明:暗电流与辐照注量近似呈对数线性变化;误码率在辐照注量小于108 cm-2时维持在10-9之下,当辐照注量大于108 cm-2后加速上升。结合仿真结果,讨论了判决阈值对误码率的影响,得出在辐照强度为10-9 cm-2时,若判决阈值取5.7×10-7 A,则误码率降低约4个量级,较好地提高了通信质量。

3 MeV质子辐照条件下DC/DC位移损伤机理研究

针对DC/DC的质子位移效应,选取具有抗TID能力的DC/DC器件作为试验样品,在3 MeV质子辐照条件下获取了器件的失效位移损伤剂量。结果表明,DC/DC功能失效是PWM控制器输出异常导致的。通过等效^(60)Coγ辐照及退火试验,排除了TID效应的影响,确定器件功能失效是由位移损伤引起的。高温退火后器件功能恢复,并立即对该器件进行了测试。结果表明,输出电压、电压调整度、负载调整度、交叉调整度、纹波及负载跃变时的输出电压均大幅衰退。利用这些敏感参数,获取了位移损伤导致的电源性能衰退模式。根据位移损伤缺陷类型及退火温度,分析了DC/DC的退火规律,可为DC/DC质子辐射损伤模拟试验方法的建立及其空间应用提供依据。

CCD及CMOS图像传感器的质子位移损伤等效分析

对位移损伤敏感器件CCD及CMOS图像传感器进行了3,10,23MeV质子辐照试验,获得了电荷转移效率及暗电流退化程度分别随非电离能量损失(NIEL)变化的线性关系,验证了基于NIEL的位移损伤等效方法的可行性。为准确预测抗辐射加固工程中,器件屏蔽结构带来的能量崎离、次级粒子等非理想因素对器件参数退化的影响,利用Geant4计算了不同质子能量下的NIEL值。结果表明,随着质子能量降低,计算得到的NIEL值与解析法给出的理想NIEL值的差异增大。因此,对于结构复杂的器件,有必要建立器件结构模型,以便准确计算NIEL。

空间高速InGaAs-PIN光电二极管辐射损伤效应试验研究

利用质子、中子和伽马射线辐照空间激光通信系统拟选用的高速InGaAs-PIN光电二极管,对其辐射损伤效应开展研究,以评估PIN光电器件在空间辐射环境中的适用性。基于辐照前后器件的暗电流、光电流、光谱响应、电容等参数随辐照剂量变化的测试数据,对各参数受辐照影响的程度和不同辐照模拟源对光电器件造成的辐射损伤差异进行了比较分析。结果表明:PIN光电二极管的暗电流是受辐照影响最严重的参数,而光电流、光谱响应、电容等参数受辐照影响较小;暗电流增加主要与质子和中子辐照引入的非辐射复合中心有关,并与位移损伤剂量基本成线性关系。

空间辐射效应地面模拟等效的关键基础问题

空间辐射效应是影响航天器在轨长期可靠运行的重要因素,必须在地面利用模拟试验方法评价航天器在轨抗辐射性能。但由于地面模拟试验环境与空间真实辐射环境在能谱、粒子种类、辐照时间等方面存在较大差异,为此国内外已开展了大量的空间辐射损伤地面模拟试验方法研究。但在空间低剂量率辐射损伤增强效应的地面模拟试验方法、重离子能量与入射角度对单粒子效应试验方法和预估方法的影响、质子和反应堆中子位移损伤等效方法等方面还面临着诸多尚未解决的问题。本文从空间辐射环境和地面模拟试验环境的差异性出发,着重阐述了低剂量率辐射损伤增强效应、粒子能量与入射角度对单粒子效应的影响、空间位移效应地面模拟试验方法3个方面的研究现状和存在的问题,梳理给出辐射损伤天地等效试验需要解决的关键基础问题,为空间辐射效应地面模拟试验方法研究和完善提供参考。

COTS器件的空间辐射效应与对策分析

空间辐射环境是影响COTS(Commercial-off-the-shelf)器件的主要空间环境要素之一。通过分析空间辐射环境的主要来源,研究了空间辐射环境诱发的辐射效应,主要包括单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应等,提出了针对关键COTS器件的抗辐照的防护措施。

P型栅增强型GaN功率开关器件的中子辐照效应

对采用P型栅增强型技术的GaN功率晶体管进行了反应堆1MeV等效中子辐照效应实验。结果表明,在注量为1.5×10^(15)cm^(-2)的中子辐照后,器件的阈值电压没有发生明显变化;栅压较大时,辐照后的饱和漏电流变小,这与沟道电子迁移率降低和二维电子气2DEG的退化有关;当漏极电压小于200V时,器件的关态漏电流明显增加,表明中子辐照重掺杂P型栅发生的载流子去除效应弱化了P型栅在零栅压下对沟道电子的耗尽,但器件栅极反向泄漏电流在辐照后没有变化,说明其对中子辐照具有一定的免疫能力。

航天器空间辐射效应分析技术现状与思考

文章梳理了面向航天器总体设计的空间辐射效应分析技术现状,重点归纳了航天器空间辐射效应分析中需关注的总剂量效应、位移损伤效应、单粒子效应分析的要素、分析方法及软件工具,并结合近年来国际上空间辐射环境模型的最新进展,就辐射环境动态变化认知、在轨辐射风险表征、陌生轨道区域辐射环境影响分析等方面提出国内空间辐射效应分析技术的不足及后续发展建议。

SiC JBS二极管和SiC MOSFET的空间辐照效应及机理

基于第六代650 V碳化硅结型肖特基二极管(SiC JBS Diode)和第三代900 V碳化硅场效应晶体管(SiC MOSFET),开展SiC功率器件的单粒子效应、总剂量效应和位移损伤效应研究。20~80 MeV质子单粒子效应实验中,SiC功率器件发生单粒子烧毁(SEB)时伴随着波浪形脉冲电流的产生,辐照后SEB器件的击穿特性完全丧失。SiC功率器件发生SEB时的累积质子注量随偏置电压的增大而减小。利用计算机辅助设计工具(TCAD)开展SiC MOSFET的单粒子效应仿真,结果表明,重离子从源极入射器件时,具有更短的SEB发生时间和更低的SEB阈值电压。栅-源拐角和衬底-外延层交界处为SiC MOSFET的SEB敏感区域,强电场强度和高电流密度的同时存在导致敏感区域产生过高的晶格温度。SiC MOSFET在栅压偏置(U_(GS)=3 V,U_(DS)=0 V)下开展钴源总剂量效应实验,相比于漏压偏置(U_(GS)=0 V,U_(DS)=300 V)和零压偏置(U_(GS)=U_(DS)=0 V),出现更严重的电学性能退化。利用中带电压法分析发现,栅极偏置下氧化层内的垂直电场提升了陷阱电荷的生成率,加剧了阈值电压的退化。中子位移损伤会导致SiC JBS二极管的正向电流和反向电流减小。在漏极偏置下进行中子位移损伤效应实验,SiC MOSFET的电学性能退化最严重。该研究为空间用SiC器件的辐射效应机理及抗辐射加固研究提供了一定的参考和支撑。

锗硅异质结双极晶体管空间辐射效应研究进展

异质结带隙渐变使锗硅异质结双极晶体管(SiGeHBT)具有良好的温度特性,可承受-180~+200℃的极端温度,在空间极端环境领域具有诱人的应用前景。然而,SiGeHBT器件由于材料和工艺结构的新特征,其空间辐射效应表现出不同于体硅器件的复杂特征。本文详述了SiGeHBT的空间辐射效应研究现状,重点介绍了国产工艺SiGeHBT的单粒子效应、总剂量效应、低剂量率辐射损伤增强效应以及辐射协同效应的研究进展。研究表明,SiGeHBT作为双极晶体管的重要类型,普遍具有较好的抗总剂量和位移损伤效应的能力,但单粒子效应是制约其空间应用的瓶颈问题。由于工艺的不同,国产SiGeHBT还表现出显著的低剂量率辐射损伤增强效应响应和辐射协同效应。

975 nm量子阱激光二极管的质子位移损伤

针对典型卫星轨道辐射环境下激光二极管(LD)的可靠性评估问题,对自研的975 nm GaAs基量子阱(QW)LD开展了10 MeV质子、3×10^(8)~3×10^(11)cm^(-2)注量的地面模拟辐照实验。结合蒙特卡罗软件仿真模拟和数学分析方法,全面研究了器件位移损伤退化规律,以及不同注量、不同辐照缺陷对器件功率特性、电压特性和波长特性等关键参数的影响。结果显示,质子辐照会引入非辐射复合中心等缺陷并破坏界面结构,导致载流子浓度降低、光电限制能力下降,宏观上体现为器件阈值电流增加、输出功率下降、波长红移和单色性受损。同时,3×10^(10)cm^(-2)以上注量的10 MeV质子等效位移损伤剂量辐照会对975 nm QW LD性能产生较大影响。

中子辐照诱导CCD电荷转移效率降低的数值模拟与分析

运用半导体器件二维数值模拟软件MEDICI，分别对能量为1MeV和14MeV的中子，在注量范围为3×10^14～5×10^14cm^-2辐照下，对CCD器件电荷转移效率的变化规律进行数值模拟研究。建立了MEDICI软件模拟CCD电荷转移效率变化的器件物理模型、中子辐照模型，并对模拟结果进行了机理分析，得出中子辐照诱导CCD器件电荷转移效率降低的初步规律。

光电耦合器件在低地球轨道航天器中的运用评估

不同种类光电耦合器件(光耦)结构工艺对空间总剂量辐射的敏感性存在较大差异,故对其在航天器的使用应区别对待。文章分别对组成常见光耦的LED部分、光电耦合部分以及集成放大电路部分受电离总剂量辐射和位移损伤效应的影响进行分析,比较了光耦各个组成部分和不同工艺的光耦对辐射的敏感度。在地面辐照测试数据基础上,以3种典型光耦为原型,设计在轨验证电路,对器件在辐射环境下的长期工作情况进行了试验验证。结果表明,在适当的参数选择和合理的电路设计下,这些光耦能够满足低地球轨道航天领域的应用需求。

辐射导致CMOS图像传感器暗电流随机电报信号

针对空间和核工业应用中辐射引起CMOS图像传感器产生暗电流随机电报信号(DC-RTS)问题,对0.18μm CMOS图像传感器进行不同能量质子、γ射线的辐照试验,辐照后对DC-RTS特征参数进行分析。试验结果表明:由于位移损伤和电离总剂量效应产生的RTS缺陷不同,两种DC-RTS在台阶、最大跳变幅度、平均时间等参数存在差异。相比于位移损伤产生的DC-RTS,电离总剂量产生的DC-RTS具有跳变幅度小、平均时间长的波动特点,导致此类DC-RTS难以检测分析。像素积分期间传输栅电压会对电离总剂量诱发的DC-RTS产生影响。上述工作为深入认识CMOS图像传感器DC-RTS现象、探索相关抑制技术提供重要参考。

不同偏置下CCD器件γ射线及质子辐射研究

电荷耦合器件(CCD)是用于空间光电系统可见光成像的图像传感器,在空间应用环境下受辐射效应作用导致CCD性能退化甚至失效。对于CCD空间辐射效应的地面模拟试验研究,辐照试验中CCD采用合适的偏置条件是分析其空间辐射损伤的必要措施。由于CCD对质子辐照导致的电离总剂量效应和位移损伤效应均非常敏感,因此针对CCD空间应用面临的电离总剂量效应和位移损伤效应威胁,开展不同辐照偏置下CCD的辐射效应及损伤机理研究。针对一款国产埋沟CCD器件,开展不同偏置条件下的γ射线和质子辐照试验,获得了CCD的暗电流、光谱响应等辐射敏感参数的电离总剂量效应,位移损伤效应退化规律以及辐照偏置对CCD辐射效应的影响机制。研究表明,γ射线辐照下CCD的偏置产生重要影响,质子辐照下没有明显的偏置效应。根据CCD结构和辐照后的退火试验结果,对CCD的辐射效应损伤机理进行分析。

高能质子辐照导致电荷耦合器件性能退化研究

针对空间环境中高能质子辐射导致电荷耦合器件(CCD)性能退化评估问题,开展能量高于60 MeV的质子辐照试验,考察了CCD的重要性能参数暗电流和电荷转移效率受质子辐照的退化情况及质子辐照后CCD的热像素产生情况。研究表明:高能质子辐照导致CCD性能退化的敏感参数包括暗电流、电荷转移效率和热像素;对于60 MeV和100 MeV的质子能量,当辐照注量达到5×10^(10) cm^(-2)时,暗电流和电荷转移效率出现了一定的退化,更加显著的退化表现在热像素的产生。分析发现,60 MeV和100 MeV质子辐照导致暗电流和电荷转移效率的退化可通过NIEL进行等效,而热像素产生则不能等效。因此,在进行高能质子辐照导致CCD性能退化评估时,需重点考察热像素产生情况,且应针对实际应用的辐射环境,使用合适的质子能量进行更具针对性的辐照试验。

空间辐射环境危害综合监测原理样机研制

依据空间辐射环境的分布特性及具体空间辐射效应的特征判据,设计出多功能、模块化的航天器空间环境危害监测样机。该样机可针对不同运行轨道辐射环境采用不同的探测模块组合,能够实现单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应、表面充电效应和深层充电效应等辐射危害的综合监测,且具有高集成、低功耗的特性,可为卫星平台提供有效的辐射危害实时监测告警和故障诊断支持。

辐射敏感器件辐射设计裕量指标的计算

为了降低辐射对操作设备所产生的危害,在寿命周期内满足规定的连续性和可用性等可靠性指标要求。综合考虑设备所处位置的辐射特性,建立了总剂量效应敏感器件和位移损伤效应敏感器件RDM的一种计算方法。建设性地提出了辐射敏感器件施加不同RDM值所对应的风险等级,为在辐射环境下操作设备的设计工作寿命提供了保证。