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GD4N24R型光电耦合器电子和质子辐射损伤效应研究

杨少卿  
【摘要】:光电耦合器作为电信号与光信号的转化器件,是航天器电路中广泛应用的重要器件。器件在轨服役期间,会遭受到空间带电粒子辐射环境的显著影响,导致其性能退化,直接影响航天器在轨高可靠性。因此,探究光电耦合器的辐射损伤效应具有重要的工程实际意义和学术价值。本文以GD4N24R型光电耦合器为研究对象,基于低能、高能电子和高能质子辐照,利用半导体器件性能参数测试仪测试电性能的变化规律,并对辐照后的光电耦合器进行深能级缺陷测试及等温退火试验,探究电子和质子辐照下光电耦合器电性能退化的影响因素及损伤机理。试验结果表明,150 keV及1 MeV电子辐照条件下,随辐照注量的增加,红外发光二极管的电性能基本保持不变;150keV电子辐照时,在较低注量条件下,光电三极管及光电耦合器电性能变化不大,随着辐照注量的增加,电荷积累产生放电现象,导致光电三极管击穿,光电耦合器电性能大幅下降。1MeV电子辐照下,随辐照注量的增加,光电三极管基极电流增加,集电极电流不变,电流增益迅速降低,理想因子趋近于n=1,光电耦合器的电流传输比下降。辐照前的浸泡氢气处理,会加剧光电三极管及光电耦合器的性能退化。50 MeV及90 MeV质子辐照下,光电耦合器电性能退化规律基本相同,并且在相同辐照注量下,50MeV质子辐照下器件的电性能退化更加严重。两种能量的质子辐照下,红外发光二极管的电性能均基本保持不变。然而,随辐照注量的增加,光电三极管的基极电流显著增大,集电极电流基本不变,电流增益逐渐退化,表面复合主要发生在中性基区。光电耦合器的电流传输比迅速下降。基于DLTS测试及退火试验分析表明,1 MeV电子辐照会使光电三极管内产生界面态陷阱及级联缺陷,导致电流增益迅速下降,进而使光电耦合器的电性能下降。50 MeV和90 MeV质子辐照造成光电三极管内产生氧化物正电荷和VP缺陷,使得电流增益下降,同时光电耦合的导光胶性能大幅下降,二者共同导致了光电耦合器性能下降。两种能量的质子产生的缺陷类型相同,故对光电三极管的损伤可以等效,两种能量的电子产生的缺陷类型不同,故对光电三极管的损伤不可以等效。


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