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随着航天事业和半导体集成电路的迅速发展,在航天器设计中,作为模拟系统和数字系统之间的接口电路-模数转换器(ADC)已经越来越受到重视。特别是高速、高分辨率的ADC在航天器设计中的需求量日益增加。近年来研究显示,ADC器件在空间受到电离辐射的作用,其影响ADC器件的电气参数,使其内部数字功能电路中MOSFET阈值电压漂移和模拟单元发生变化,造成器件的功能失效,给卫星、空间站等电子系统的可靠性带来极大的隐患。因此,开展ADC在辐射环境中的响应规律研究,全面了解ADC的辐射损伤特性和失效机制,并对其抗辐射水平做出系统评估,是抗辐射电子学领域的重要课题。
本文以10位CMOS ADC7910和10位双极ADC571为研究对象,对模数混合电路的总剂量辐射效应及辐射损伤机理进行研究,并对低剂量率损伤增强效应(ELDRS)的评估方法进行了探讨。主要的研究工作与结论如下:
ADC辐照效应测试系统的建立是进行总剂量辐射效应研究及低剂量率损伤增强效应的评估方法探讨的前提和基础。不同类型的ADC器件,其管脚功能和典型应用均不同且辐照前后,同一种ADC器件的电学特性也不相同,因此,测试不同类型的ADC器件需要建立相应的辐照效应测试系统。基于AMIDA3000集成电路综合测试仪,我们建立了一种ADC辐照效应测试系统,该系统性能优良,所测得的参数能准确反映器件的辐照损伤程度。获得的数据与国外文献报道吻合良好。该系统的建立为研究ADC器件的辐照效应提供了良好的实验平台。
为了更好的研究ADC混合电路的总剂量辐射效应,文中对ADC的多个电特性参数和功能参数的辐射响应特性进行了分析,确立了其辐照敏感参数(DNL、INL、Eg、Pw、MissCode)。同时通过电特性参数和功能参数的相关性研究,我们获得了不同工艺ADC电路的总剂量失效水平。
为了探索ADC混合电路是否具有ELDRS效应,我们研究了两种工艺的ADC在高低剂量率条件下的电离辐射及退火效应。结果表明:1.CMOS ADC7910电路具有时间相关效应(TDE)。2.双极ADC571电路存在ELDRS效应。该研究首次揭示了ADC7910和ADC571的电离辐射响应特性,给ADC电路辐射效应的研究提供了数据支持。
在卫星等空间飞行器中,部分电路处于工作状态、部分处于备用状态,而电路对电离辐射的敏感性是与其所处的工作状态密切相关的,因此,非常有必要对不同偏置条件下的ADC的辐射效应进行研究。本文在零偏置和加电偏置条件下,进行了两种工艺ADC的总剂量辐照实验及退火实验。实验结果表明:1.CMOS ADC7910高剂量率辐照时,在零偏置条件下的辐射损伤最严重。2.双极ADC571低剂量率辐照时,在零偏置条件下的辐射损伤最严重。3.不仅要关注ADC器件工作状态下的电离辐射损伤特性,对没有工作的备用器件(零偏)的辐射效应也要给予足够的重视。
由于ELDRS效应的存在,双极ADC571的电离辐射损伤不能通过美军标实验室方法来模拟。为了探索ELDRS效应的评估方法,本文进行了双极ADC571的变温辐照实验。实验结果表明:变温辐照法不仅可以较真实地模拟甚至保守地评估双极电路的ELDRS效应,还可以保守地评估电路是否具有剂量率效应。同时,该种方法提出了一种全新的快速地鉴别双极ADC电路是否具有ELDRS效应的实验方法。