不同辐射源下模拟数字转换器(ADC)辐射效应及损伤机理的研究

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计算机技术、通信技术和微电子技术的高速发展,很大程度上促进了模拟数字转换器(ADC)技术的发展,ADC是模拟数字混合信号系统中的重要模块—作为模拟量与数字量接口的关键部件,被广泛应用于雷达、通讯等现代化电子设备的重要环节。特别是随着我国航天技术的快速发展,对于高速、高精度、低功耗的ADC器件需求日益增加。近些年来研究表明,运行于空间环境中的电子设备不可避免的会受到各种高能带电粒子和宇宙射线的影响。作为其接口电路之一的ADC器件,也会受到电离辐射的作用,造成转换器内部晶体管的增益下降,使得ADC精度大大降低,严重时甚至引起功能失效,给卫星、空间站等航天器的可靠性带来极地大安全隐患。因此,对于运用于卫星等空间系统的星用电子器件,进行抗辐射能力的测试和评估以及器件的辐射损伤特性和失效机理的研究是非常有必要的。本文以10位CMOS工艺AD7910和10位双极工艺AD571为研究对象,对此类模拟混合信号电路在不同偏置条件、不同辐照源下的辐射损伤效应进行了研究。首先研究了CMOSAD7910在不同电子能量和不同辐照源下的辐射损伤差异,研究结果表明:在5V偏置条件下,1.8MeV电子辐照的损伤程度要大于1.0MeV电子;在0V偏置条件几乎无明显变化。辐照后的室温退火表明:5V偏置条件下的损伤都表现出一定程度的退火现象,但退火程度很小,且无后损伤现象发生。不同辐照源(电子和60Coγ射线)辐照下,不同偏置条件下的损伤差异很大,都表现为5V偏置条件比0V偏置条件损伤严重,且在相同辐照总剂量、相同偏置条件下,可近似认为CMOSAD7910在不同辐照源辐照下具有辐射损伤等效性。其次,在空间电子系统中,部分电路处于工作状态,部分电路处于备用状态,而ADC作为接口电路之一,其数字输出端必然会外接一些带载元件。因此,考虑电阻偏置情况更有利于完善偏置效应对其产生的影响。为此,本文针对双极工艺AD571进行了不同偏置、不同剂量率、不同辐照源的辐照实验和室温退火实验,以期了解此类模数混合电路最坏的偏置条件、不同剂量率和不同辐照源下的辐射响应规律。研究结果发现:在60Coγ射线辐照下,双极AD571不仅表现出低剂量率损伤增强(ELDRS)还表现出时间相关效应(TDE),且在高剂量率辐照下,5V偏置条件的损伤明显大于电阻偏置,0V偏置无变化;而在低剂量率辐照下,0V偏置是最劣偏置条件,5V偏置条件和电阻偏置无明显变化。双极AD571在不同电子能量(1.8MeV和1.0MeV)辐照下,在相同偏置相同总剂量下,高电子能量辐照的辐射损伤明显要大于低电子能量的辐射损伤,随后的室温退火其损伤很快就恢复至初始值。为了研究器件封装的影响,我们对双极AD571进行了开盖和不开盖电子辐照实验,研究发现二者存在很大差异,前者在较低总剂量下参数就开始显著变化,当总剂量累积到3500Gy时,前者的功能参数和性能参数已经严重超出器件手册的标准。而后者几乎无没明显变化。基于上述实验,我们进一步研究了双极AD571在不同辐照源辐照下的辐射损伤等效性,对其进行开盖电子辐照和不开盖60Coγ射线辐照对比实验(前提是电子辐照换算成Si吸收剂量率要与60Coγ射线辐照的剂量率相同),研究结果表明,在相同偏置条件、相同的高剂量率和相同辐照总剂量下,电子辐照的损伤明显要大于60Coγ辐照,且两种辐照源下都是5V偏置为最恶劣偏置、电阻偏置其次、0V偏置对辐射最不敏感。其室温退火研究结果表明,60Coγ辐照下的辐射损伤在很短时间内就恢复至初始值,而电子辐照下的辐射损伤虽然有一些恢复,但恢复很慢。且没有后损伤现象发生。最后本文结合科学的实验手段和数据分析方法,探讨了此类模拟数字转换器辐照敏感参数变化的原因,并分析了不同偏置和不同辐照源下的损伤机理,为提高此类模拟混合电路的性能提供理论依据和实验支持。
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