一种高压直采ADC的抗总剂量辐照设计.pdf

第 卷 第 期 年 月空 间 电 子 技 术 .收稿日期:修回日期:引用格式:曹梦琦王晓晖高炜祺.一种高压直采 的抗总剂量辐照设计.空间电子技术():.():.:./.一种高压直采 的抗总剂量辐照设计曹梦琦王晓晖高炜祺(.重庆吉芯科技有限公司重庆.西安电子科技大学西安)摘 要:由于 射线对 的电离作用会引起 管阈值电压负漂移和二极管死区漏电变化负漂移和漏电变化程度随 管栅氧厚度增加而加大 这样在设计高压直采 时实现稳定基准和低漏电开关是个难点通常的解决方法是优化电路参数裕量和版图但很少考虑 管的反型和二极管的死区漏电 重点研究了 器件阈值和二极管死区漏电流变化对器件参数影响的机理并提出一种不同电源电压 管结合设计思路同时考虑了减小二极管死区漏电的影响最后通过使用不同电源电压 管设计和二极管死区漏电流分析高压 在 ()总剂量条件下仍能达到设计要求关键词:高压直采 管阈值电压二极管死区漏电总剂量中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.().:引言 在星用数据采集系统中高压直采模数转换器()因输入阻抗和带宽高常用于对位置、角度等传感器传输的模拟信号进行直接采样后转换为数字量送控制系统处理 由于电源电压和输入模拟信号幅度的限制高压直采 中使用的 晶体管通常栅氧厚度较大这样在总剂量辐照试验时由于 射线在栅氧化层二氧化硅材料空间电子技术 年第 期中的电离效应可以产生部分正电荷最终在硅/二氧化硅界面积累或引入表面态使得 晶体管的阈值电压发生较大的负偏移工作于栅源电压较高状态的增强型 晶体管直接导通反型成耗尽型 同时 中的基准由于 射线影响了二极管的空间电荷分布死区漏电流变大也导致基准发生严重漂移 根据以上效应机理 射线会造成高压直采 中采样开关和转换开关漏电、基准电压漂移引起精度下降等参数变化 国内外常用的设计方法是 晶体管环栅设计但这种设计只可以避免 管的“鸟嘴”漏电增强型 晶体管反型则无法避免只能靠提升电路参数裕量来降低阈值负偏移的影响另外二极管死区漏电流的辐照影响一直研究较少 根据 射线电离 引起 阈值负漂移及二极管死区漏电变化的程度与栅氧厚度成正比的原理本文采用薄栅氧器件进行了高压直采 的结构设计 该设计方法利用不同厚度栅氧的 器件组合进行电路设计避免了高压 管反型引起的器件功能失效降低采样开关的漏电并保证采样开关高压工作的可靠性同时通过对辐照后二极管死区漏电的评估优化设计降低带隙基准的漂移 通过以上方法保证了高压直采 在总剂量辐照后仍然具有良好的参数性能 普通高压直采 结构通常高压直采 整体结构如图 所示该结构由控制逻辑、基准、基准缓冲、采样开关、内核、输出接口单元组成控制逻辑控制采样开关采样宽输入范围的模拟信号基准单元为与模拟输入范围匹配的带隙基准基准缓冲将基准提供给 内核 内核将采样得到的模拟电压转换为数字量通过输出接口输出图 通常高压直采 结构图.抗辐照高压直采 结构 通常的高压直采 中基准、基准缓冲、采样开关、内核均使用厚栅氧 管设计仅控制逻辑和输出接口采用低压 管 但是由于厚栅氧 管本身栅氧化层的厚度较大其中的 管在总剂量试验后很容易出现反型的情况仅通过电路参数裕量的优化无法避免其影响因此抗辐照能力普遍偏低 如果没有进行特殊的栅氧处理一般总剂量在 ()总剂量试验后即会出现参数变化()总剂量试验后容易出现功能异常 而 以下的低压 管由于栅氧厚度一般在 以内阈值偏移较小因此可以用来提高抗辐照能力图 是目前国内一些单位采用的抗辐照高压直采 结构其中电源电压并不直接提供整个 工作而是通过低压差稳压器()为 供电除低压差稳压器和采样开关外其余所有单元均采用 以下栅氧厚度的 晶体管 通过 管的环栅设计可降低整个 核心的阈值负漂移很容易提升抗辐照能力图 抗辐照高压直采 结构图.但是在图 的结构中为了直接采样模拟电压采样开关仍然需要使用高压管通常仍然使用标准的 开关 这时辐照后采样开关中高压 晶体管漏电和低压基准电压的漂移成为影响抗辐照能力的关键因素因此限制了器件整体抗总剂量能力的进一步提升很少有人对高压 开关的结构和带隙基准的死区漏电进行研究和优化本文通过实践对通常的 采样开关和带隙基准进行了针对性的优化 优化的高压采样开关结构如图 所示在图 的结构中为高压 管、年第 期曹梦琦等:一种高压直采 的抗总剂量辐照设计为衬底浮动的低压 管 在模拟输入 附近即使因 射线引起反型但是由于、截止仍可以实现保持阶段对模拟输入的可靠截止图 高压采样开关典型结构图.在图 带隙基准电路中虽然使用了低压 晶体管实现.基准电压输出但由于三极管存在低剂量倍增效应将严重影响三极管的漏电和电流增益因此从、管的集电极 发射极漏电流将改变发射极 基极二极管特性影响基准电压的稳定 本文将、三极管替换为、二极管这样基准电压辐照后输出仅受二极管死区电流变化的影响 鉴于死区电流的变化是 结在总剂量辐照后的固有特性因此在设计上采用减小补偿比例电阻、阻值增加带隙回路电流的方法优化 初步验证得知带隙回路电流增加一个数量级辐照后基准电压的漂移对应降低一个数量级图 带隙基准典型结构图.高压直采 抗辐照机理.晶体管阈值负漂移及二极管死区电流增加机理 根据目前业界的研究 射线在穿过 晶体管时将在栅氧层中产生电子 空穴对在 射线离开栅氧层之后产生的部分电子会同空穴复合其中没有复合的空穴在外部电场作用下向硅/二氧化硅的界面输运并在界面形成正的氧化层陷阱电荷 对于增强型 管相当于提前施加正寄生电压从而引起增强型 管阈值发生负偏移根据相关研究在氧化层生成的、没有被初始复合的空穴总数 由下式给出:()()其中()表示生成的空穴 表示 射线的剂量表示栅氧化层厚度为与材料相关的系数给出每单位剂量下初始电荷对密度(对于二氧化硅单位剂量.对/)因此可知栅氧层越厚虽然提高了栅氧的击穿电压但是同剂量辐照引起的电子 空穴对更多同时由于高电源电压电场强度大则输运到硅/二氧化硅界面附近的电荷也更多 因此高压 管的厚栅氧层既会引起电子 空穴对增加也会因工作于高压状态导致硅/二氧化硅界面陷阱正电荷更多阈值的负偏移程度远远大于低压 管 在大量的工程实践中我们发现除非经过特殊加固工艺的处理一般 以上击穿电压的 管在 ()剂量条件下 管就会发生反型硅/二氧化硅界面陷阱正电荷的另一个影响是在硅/二氧化硅界面形成界面态这些界面态会成为新增加的复合中心从而导致二极管死区电流增大.高压直采 抗辐照机理提高高压直采 抗 总剂量的方法除了在工艺上减少栅氧层 缺陷数量外还可以在线路设计上尽量使用低压 晶体管并工作在低压状态可以大幅度减小阈值的负偏移在图 的电路中 可将电源电压降至 这样除 和采样开关外的所有部分都直接使用耐压 的 晶体管由于 的 晶体管栅氧化层较薄根据公式 可等比例减少总剂量试验中电离产生的电子 空穴对同时由于所有晶体管工作于 以下的低电压这样引起的阈值负偏移效应大幅降低可有效避免 管反型 这样只要稍微增加电路的设计裕量就可以实现良好的抗辐照能力在图 的电路中、仍然使用高压管、空间电子技术 年第 期管采用衬底浮动的低压管以保证采样开关能够采样宽输入范围的模拟信号 在采样小幅度模拟输入信号时管已无法导通而 管由于辐照的影响可能出现反型引起采样的模拟输入信号无法进入保持状态 此时通过低压电平转换使得、管进入截止状态确保高压采样开关进入保持状态 在采样大幅度模拟信号时管作为高压管保持状态下本身截止阻抗远大于低压管因此不会引起、管发生击穿图 带隙基准电路中由于全部使用了低压 晶体管阈值偏移较小因此功能能够保持正常主要需要考虑二极管死区电流随辐照变化引起基准电压偏移 我们知道带隙基准的原理是通过正温度系数的 对负温度系数的 进行补偿 当二极管死区电流变大后那么在对应的补偿比例电阻上将产生额外的电压导致带隙基准电压产生辐照后偏移 我们在.代工线进行流片验证一般认为二极管的死区漏电流为设计的补偿比例电阻为一阶温度补偿后温度系数约/基准电压精度.但是()辐照后基准电压偏移 可以判断其死区漏电流达到百纳安级 解决方案是减小补偿比例电阻该方法等效于增加二极管的静态电流从而减小死区电流变化的影响将补偿比例电阻降为十千欧级后辐照后基准电压偏移降至 验证效果按照上述抗辐照高压直采 的电路结构设计了一款工作电源电压 的 位直接采样 模拟输入范围 通过增加 对内核降压在采样开关部分增加低压 晶体管进行补充关断在电路内部大范围使用 晶体管从而大幅度提高了电路的抗辐照能力 对优化前后的高压直采 进行总剂量辐照试验验证优化后的高压直采 在辐照试验前参数性能与优化前相当整个模拟输入范围内非调整误差 按照剂量率()/的条件进行试验 电源条件下优化前电路在 ()时非调整误差参数即超过 ()时对于.以下的模拟输入信号无法正确转换优化后的电路 ()时仍能达到非调整误差 的设计要求 结论本文基于 射线引起 晶体管阈值负漂移和二极管死区电流增大的机理通过在线路设计上使用 降压、高低压 晶体管串联组成高压采样开关、降低基准补偿比例电阻的综合设计方法来提高整体电路的抗辐照能力 通过辐照试验验证证明 通过以上设计方法 基于特征尺寸/电压兼容 工艺设计的/转换器低压 管栅氧厚度约.高压 管栅氧厚度约 在新疆理化所进行 ()/剂量率条件()总剂量辐照试验后器件的参数仍然满足设计要求为了在 ()总剂量辐照试验后器件参数仍然满足要求后续将研究在基准、基准缓冲、采样开关、内核等单元中采用.晶体管后阈值漂移和死区漏电对器件参数的影响由于.晶体管的栅源击穿电压较低可能需要重新设计低压电平转换单元参考文献:周锌陈浪涛乔明等.抗辐射高压集成电路技术现状与发展.微电子学与计算机():.赵阔文陈桑洁等.空间电子产品辐照被动防护技术.空间电子技术():.封国宝崔万照刘纯亮等.空间电子辐照介质材料带电效应研究进展.空间电子技术():.吴建超王俊琦纪志坡等.宇航高可靠宽占空比磁隔离 驱动电路研究.空间电子技术():.():.():.王鹏崔占东邹学锋等.硅双极器件及电路电离总剂量辐照损伤研究.强激光与粒子束():.胡永菲王忠焰杨洋等.一种抗总剂量辐射带隙基 年第 期曹梦琦等:一种高压直采 的抗总剂量辐照设计准电压源.微电子学():./.:():.陈海波吴建伟李艳艳等.总剂量加固对 器件抗辐射特性的影响.电子与封装():.褚忠强徐曦.现代工艺集成电路的总剂量效应及加固技术.现代电子技术():.张涛陈远龙王影等.一种低功耗亚阈值全 管基准电压源的设计.电子元件与材料():.徐佳丽杨阳黄文刚.一种.抗辐照运算放大器的版图设计.微电子学():.高博刘刚王立新等.低剂量率辐射损伤增强效应研究.原子能科学技术 ():.作者简介:曹梦琦()陕西西安人学士工程师 主要研究方向为微波技术:.欢迎订阅空间电子技术空间电子技术创刊于 年由中国航天科技集团有限公司西安空间无线电技术研究所主办国内公开发行双月刊本刊内容涵盖卫星通信、微波遥感、天线及其展开技术、卫星测控、数据传输与处理、电磁环境与可靠性、计算机应用、航天工艺及材料、空间站与载人航天、深空探测等空间电子学领域及其交叉学科 凡在理论与应用实践上具有创新的代表我国最新空间电子学科技研究水平的学术论文、有科学依据和可靠数据的技术报告、阶段性成果报告以及属于前沿学科并对学科发展有指导意义的展望评论性文稿均可投稿本刊被中国核心期刊遴选数据库、中国学术期刊综合评价数据库()、中国期刊全文数据库()、中文科技期刊数据库()全文收录已被“万方数据”、“中国知网”即中国学术期刊(光盘版)以及中文科技期刊数据库(维普)、超星网络等平台全网搜索 本刊国内外公开发行空间电子技术为双月刊 开本彩色印刷定价:每期.元、全年.元联系电话:传真:.通信地址:西安市东长安街 号空间电子技术编辑部邮编: