蘇 晨，雷郎成，高煒祺

(中國電子科技集團(tuán)公司 第二十四研究所，重慶 400060)

0 引言

在衛(wèi)星的實時控制系統(tǒng)中，經(jīng)常使用高壓數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)對機(jī)械臂、陀螺、光學(xué)成像結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字控制。由于高壓DAC中使用了大量厚柵氧的高壓MOS器件，在γ總劑量輻照環(huán)境下，由于γ射線在柵氧化層中引起電離，導(dǎo)致正電荷在Si/ SiO2界面積累或引入表面態(tài)，使得MOS器件的閾值均負(fù)向偏移，NMOS器件漏電，嚴(yán)重時增強(qiáng)型NMOS器件甚至?xí)l(fā)生反型[1-3]。

根據(jù)以上效應(yīng)機(jī)理，γ總劑量輻照會造成高壓DAC中運(yùn)放直流工作點變化、偏置電流失配、開關(guān)阻抗失配、帶隙基準(zhǔn)漂移等多種效應(yīng)[4-5]。通常設(shè)計中采用NMOS器件環(huán)柵設(shè)計可避免漏電，但閾值負(fù)偏移效應(yīng)無法避免，只能靠工藝優(yōu)化氧化層質(zhì)量，減少氧化層缺陷引起的正電荷數(shù)量來降低閾值負(fù)偏移效應(yīng)[6-7]。

文章從γ射線激發(fā)的正電荷在電場作用下的遷移效應(yīng)出發(fā)，利用薄柵氧和低電壓條件下閾值負(fù)偏移效應(yīng)減弱的機(jī)理，進(jìn)行了高壓DAC的結(jié)構(gòu)設(shè)計。該設(shè)計方法利用高低壓混合工作的MOS器件[8-9]，可有效降低NMOS器件在γ總劑量輻照環(huán)境下的閾值負(fù)偏移，避免運(yùn)放直流工作點變化、偏置電流失配、開關(guān)阻抗失配、帶隙基準(zhǔn)漂移等效應(yīng)，從而保證高壓DAC具備較好的抗γ總劑量能力。

1 普通高壓DAC結(jié)構(gòu)

高壓DAC整體由控制邏輯、基準(zhǔn)、基準(zhǔn)緩沖、R-2R網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)、鎖存器、輸出運(yùn)放單元組成，控制邏輯控制鎖存器鎖存數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)單元為2.5 V帶隙基準(zhǔn)，基準(zhǔn)緩沖將2.5 V基準(zhǔn)提供給R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)，R-2R網(wǎng)絡(luò)輸出0～2.5 V模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓，輸出運(yùn)放按要求的輸出范圍放大模擬輸出并增強(qiáng)驅(qū)動能力。

2 抗輻照高壓DAC結(jié)構(gòu)

通常的高壓DAC中，無論基準(zhǔn)、基準(zhǔn)緩沖、R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)、控制邏輯、鎖存器和輸出運(yùn)放均使用高壓MOS管設(shè)計。但是，由于高壓MOS管柵氧厚度較大，在γ總劑量輻照環(huán)境下閾值負(fù)偏移嚴(yán)重，因此抗輻照能力很低，在沒有特殊工藝加固手段的情況下通常僅有20k rad(Si)的抗總劑量能力。鑒于MOS器件閾值負(fù)偏移的程度與柵氧厚度直接相關(guān)，因此使用薄柵氧的低壓MOS器件就成為提高抗輻照能力的重要手段[10-12]。

圖2 抗輻照高壓DAC結(jié)構(gòu)圖

在抗輻照高壓DAC中，增加了低壓差穩(wěn)壓器(LDO)，整個DAC除了LDO和輸出運(yùn)放外，其余電路均采用薄柵氧的低壓MOS器件。這樣，整個DAC核心的抗輻照能力大大提高。但是，輸出運(yùn)放的高壓MOS器件仍然可能限制電路總的抗輻照能力，因此，需要對通常的輸出運(yùn)放進(jìn)行一定的優(yōu)化[8-9]。

3 高壓DAC抗輻照機(jī)理

3.1 MOS器件閾值負(fù)漂移機(jī)理

電離射線，如γ光子，穿過MOS結(jié)構(gòu)時，在SiO2中產(chǎn)生電子-空穴對，在γ光子離開氧化層之后，一些電子會同空穴復(fù)合。沒有被復(fù)合的電子-空穴對為輻照生成的電荷。沒有被初始復(fù)合的空穴向Si/SiO2的界面，通過SiO2中的局域態(tài)跳躍輸運(yùn)，當(dāng)空穴到達(dá)界面，一些空穴將被陷阱俘獲，形成正的氧化層陷阱電荷。同時，氫離子(質(zhì)子)也可以作為空穴，通過氧化層進(jìn)行跳躍式輸運(yùn)，在Si/SiO2界面附近被陷阱俘獲。氫離子也能夠漂移到Si/SiO2界面，進(jìn)行反應(yīng)形成界面陷阱。由于陷阱電荷為正電荷，對于增強(qiáng)型MOS管來說相當(dāng)于施加了一個正的寄生電壓，因此會導(dǎo)致閾值發(fā)生負(fù)偏移[13-14]。

圖4 輻照引起的電荷生成過程圖

對于所有的粒子類型，隨著電磁場強(qiáng)度的增加，空穴同電子的復(fù)合比例降低，沒有被復(fù)合的比例增加。考慮生成的空穴和電子空穴對的效應(yīng)，在氧化層生成的、沒有被初始復(fù)合的空穴總數(shù)Nh由式(1)給出，為：

Nh=f(Eox)g0Dtox

(1)

其中，f(Eox)表示生成的空穴，作為氧化層電磁場的函數(shù)，D表示劑量，tox表示氧化層厚度，g0表示材料相關(guān)參數(shù)，給出每劑量率下初始電荷對密度(對于SiO2單個劑量，g0=8.1×1012對/cm3)。

可知，氧化層越厚，則同劑量γ光子引起的電子-空穴對越多，電磁場越強(qiáng)，被輸運(yùn)到Si/SiO2界面附近被陷阱俘獲的電荷越多。

3.2 高壓DAC抗輻照機(jī)理

為了提高高壓DAC抗γ總劑量的能力，分別從減少SiO2缺陷數(shù)量和提高空穴同電子的復(fù)合比例兩方面入手。

在圖1的電路中，由于采用了LDO對內(nèi)核進(jìn)行降壓，基準(zhǔn)、基準(zhǔn)緩沖、R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)、控制邏輯和鎖存器都可以采用5 V以下的薄柵氧MOS管進(jìn)行設(shè)計，這樣減少了γ光子在SiO2中掃出的電子-空穴對，也減少了被SiO2陷阱俘獲的空穴數(shù)量，降低了MOS器件的閾值變化。

圖1 普通高壓DAC結(jié)構(gòu)圖

在圖3的電路中，P1、P2、P3、N1、N2、N3仍然使用高壓管，保證了DAC的寬輸出范圍。由于P1、P2、P3管的閾值雖然發(fā)生負(fù)偏移，但這3個PMOS管的作用主要是作為匹配的有源負(fù)載，因此除了對增益略有影響外，并不會嚴(yán)重輸出運(yùn)放的性能。而N1、N2、N3管僅用于源極鉗位，VBIAS為低壓直流點，在這3個NMOS器件發(fā)生閾值負(fù)偏移時，反而會使輸出運(yùn)放的直流點更加穩(wěn)定。N4、N5、N6管仍然使用低壓NMOS管，這樣在輻照條件下閾值負(fù)偏移程度較小，能夠保證輸出運(yùn)放的正常工作。同時，低壓NMOS管少許的閾值負(fù)偏移有利于提高增益，可以補(bǔ)償高壓PMOS管輻照后的增益損失[14-15]。

圖3 高壓輸出運(yùn)放結(jié)構(gòu)圖

4 驗證效果

根據(jù)上述抗輻照高壓DAC的優(yōu)化方法，設(shè)計了一款15 V工作的8位D/A轉(zhuǎn)換器，輸出范圍0 V～10 V。通過增加LDO和在輸出運(yùn)放增加鉗位高壓NMOS管，在器件內(nèi)部實現(xiàn)了大范圍使用3.3 V低壓MOS器件。通過對優(yōu)化前后的高壓DAC進(jìn)行常規(guī)劑量輻照對比試驗，優(yōu)化后的DAC常態(tài)環(huán)境下參數(shù)性能與優(yōu)化前一致，滿度誤差±2.5 LSB，零點誤差±1 LSB，線性誤差±0.5 LSB，輸出范圍0 V～10 V，在劑量率30 rad(Si)/s，15 V電源條件下，抗總劑量水平從20k rad(Si)提高至50k rad(Si)。

5 結(jié)論

文章基于MOS器件在輻照環(huán)境下閾值負(fù)漂移的機(jī)理，通過分析造成閾值負(fù)漂移的兩個關(guān)鍵因素：氧化層缺陷數(shù)和空穴電子復(fù)合比例，得到了內(nèi)置LDO降壓和輸出運(yùn)放鉗位降壓的抗輻照設(shè)計方法，并對原始高壓DAC電路改進(jìn)后進(jìn)行驗證。通過輻照試驗證明，通過內(nèi)置LDO降壓和輸出運(yùn)放鉗位降壓，將高壓DAC抗輻照能力提高至50k rad(Si)。

為進(jìn)一步提高器件的抗輻照能力，后續(xù)將研究進(jìn)一步降低內(nèi)置LDO電壓的情況下對抗輻照能力的影響。通過LDO將高壓DAC內(nèi)核電壓降至3.3 V，在輸出運(yùn)放部分通過鉗位，使用3.3 V的薄柵氧MOS管進(jìn)行輸出放大，可能在不降低性能參數(shù)的情況下，將高壓DAC抗輻照能力提高至150k rad(Si)。