光电耦合器辐照损伤的噪声检测_图文

1、收稿日期 :2008-01-09. 光电器件光电耦合器辐照损伤的噪声检测李应辉 1,2, 陈春霞 2, 蒋 城 2, 李 冰 2(1. 电子科技大学 光电信息学院 , 四川 成都 610054; 2. 重庆光电技术研究所 , 重庆 400060摘 要 : 分析了光电耦合器辐照噪声特性 , 提出了光电耦合器辐照噪声的检测方法 , 搭建了光电耦合器噪声测试电路 。 实验结果表明 , 噪声参量比电参量更能灵敏真实地反映光电耦合器的 辐照损伤程度 。关键词 : 光电耦合器 ; 辐照 ; 噪声检测 中图分类号 :TN36 文献标识码 :A 文章编号 :1001-5868(2008 03-0332-03N

2、oise Diagnosis for R adiation Damage of OptocouplerL I Y ing 2hui 1,2, C H EN Chun 2xia 2, J IAN G Cheng 2, L I Bing 2(1. School of Optoelectronic I nform ation , U niversity of E lectronic Science and echnology of , 610054, CHN;2. Chongqing Optoelectronics R esearch , , Abstract : Based on t he ana

3、lysis of t , a met hod for noise diagnosis is A The result s show t hat it s noise parameter is fact to se t he radiation damage of optocoupler.K ey w ords ; radiation ; noise diagnosis1 引言噪声检测方法以其测试条件接近电路正常工作条件 、 非破坏性和灵敏度高等优点而引起人们重 视 1,2。 近年来的研究结果表明 2,3, 低频噪声通常 是由器件中的杂质和缺陷 (如氧化层陷阱 、 晶格位 错 、 界面态等 所引

4、起 , 与器件可靠性密切相关 , 而这 些缺陷正是影响光电耦合器件可靠性的重要因素 , 又是辐照在光电耦合器中引入的主要缺陷 4,5, 故 用低频噪声来检测光电耦合器的辐照损伤具有可行 性 , 低总剂量下用低频噪声来检测光电耦合器的辐 照损伤可能要比电参数优越 , 且对器件损伤较小 。 本文在光电耦合器的辐射效应及损伤机理研究的基 础上 , 结合载流子数涨落的 1/f 噪声理论 , 分析了 光电耦合器总剂量辐照的噪声特性 , 提出了一种新 的光电耦合器辐照损伤检测方法 , 为光电耦合器件 的抗辐射研究及辐射可靠性评估提供了理论及测试 依据 。2 理论分析半导体光电耦合器件是由半导体发光元件 (

5、通 常为发光二极管 ,L ED 和光敏元件组成的一种新型 器件 。 根据其工作原理 1,6, 本节首先分别讨论光 电耦合器件各组成部分的辐照噪声机理 , 在此基础 上 , 再通过耦合方式得到整个器件的辐照噪声机理 。受电离辐照时 ,L ED 氧化层因电离效应而产生 电子 2空穴对 , 在外加电场下 , 电子在极短时间内被 扫出氧化层 , 多数电子会逃脱原来位置而相对较慢 地输运到达氧化物 /半导体界面 , 部分空穴被界面处 的氧化物空穴陷阱俘获形成稳定的辐射感生陷阱正 电荷 , 引起氧化层陷阱中载流子数涨落 , 载流子数涨 落通过调制表面产生 2复合中心的界面态而引起表 面复合速度的涨落 。

6、由于表面复合速度的涨落正比 于载流子数涨落 , 故表面复合速度涨落的噪声功率 谱密度正比于氧化层陷阱中载流子数涨落的噪声功 率谱密度 。 又由于氧化层陷阱密度 N t 正比于表面 产生 2复合中心密度 , 从而也就正比于表面复合速233 SEMICON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS V ol. 29No. 3June 2008度 。 所以总剂量辐照引起 L ED 中的噪声主要来源 于载流子数涨落 。 而载流子数涨落的功率谱密度正 比于氧化层陷阱密度涨落 , 根据 p n 结表面 1/f 噪 声理论 ,L ED 的电流噪声功率谱密度可表示为 7S L ED (f =(qp

7、 1A s 2exp (qV 1/k T f(1 式中 , q 为电荷电量 , p 1是 V =0时界面态陷阱密 度 , A s 为有效复合面积 , V 1是表面复合处的电势 , N t 是 L ED 氧化层陷阱密度 。电离总剂量辐照主要在晶体管钝化层中引入氧 化层陷阱电荷 , 氧化层陷阱电荷的涨落调节表面势 , 引起基区表面和发射结空间电荷区表面复合电流涨 落 , 从而导致基极电流 I b 的涨落 , 产生表面 1/f 噪 声 。 因此晶体管的辐照噪声主要来源于基极电流的 涨落 。 根据复合理论 、 基极电流功率谱密度和表面 载流子数涨落模型 7, 可得晶体管基极电流功率谱 密度为S I b

8、 (f =Dk T ln (2/1 f(2D =q 3L E W BS s 0n i exp (u BE -1exp (u s +u BE -u F -exp (u F -u s /2+exp (u s +exp (u F -u s (s / 23式中 , L E , W BS 为基区表面宽 度 , u s =q s /k T 、 u BE =qV BE /k T 、 u F =q F /k T 分别是 基区表面势 s 、 发射结偏压 V BE 和基区表面费米势 F 的 归 一 化 表 示 , n i 是 本 征 载 流 子 浓 度 , s 0=s th k T D it (Ei 为基本表面复

9、合速度 , 其中 s 和 D it 分别是界面产生 2复合中心的有效俘获界面和密度 ,th 为载流子热运动速度 , 1、 2是氧化层陷阱宽范围 分布的时间常数 , N t (E F 为光敏管氧化层陷阱密 度 。由式 (1 、 (2 可得光电耦合器的电流功率谱密 度为S I (f =A 2S L ED (f +S Ib(f (4 式中 , A 2为发光二极管噪声耦合到光敏三极管处的 耦合系数 , 则光电耦合器电压功率谱密度为S V (f =S I (f R 2(5 即S V (f =(Aqp 1A s 2exp (qV 1/k T f+Dk T ln (2/1 fR 2(6 其中 , R 为负载

10、电阻 。由式 (6 可知 , 电压功率谱密 度随 L ED 及光敏管的氧化层陷阱密度的增大而增 大 , 而氧化层陷阱密度与辐射总剂量有关 :随总剂量 的增大而增大 , 故电压功率谱密度 S V (f 随辐射总 剂量增大而增大 , 两者正关联 。3 测试电路光电耦合器的低频噪声十分微弱 , 为能有效地 检测这种噪声 , 测试系统必须具有足够高的灵敏度 。 为此 , 本文采用如图 1所示的结构 , 测试系统包括器 件适配器 、 偏置器 、 低噪声前置放大器 、 数据采集卡 和计算机谱采集分析软件五部分 。 器件适配器和偏 置器主要是根据待测器件噪声测试的具体要求 , 提 供偏置电压 、 偏置电流

11、、 源电阻 , 使之处于相应的测 试状态 。 待测的噪声信号经过前置放大器和数据采 集卡被送至微机进行数据的分析处理 。图 1 光电耦合器噪声测试系统框图本文的测试电路样品是基于发光二极管和光敏 三极管结构的光电耦合器 , 如图 2所示 。 调节 V in 以 获得相应的偏置电流 , R 1为前端保护电阻 , 前端驱 动信号通过 V in 的调节得到合适输入信号 。后采样 端采用固定负载电阻采样方式 , 从负载电阻 R L 采样 噪声信号并送入低噪声前置放大器 , 经过放大后的 信号通过计算机控制的数据采集系统拾取并完成参 数提取和相应的分析 。图 2 光电耦合器测试电路原理图4 实验及分析讨

12、论本实验采用两只同种型号同批次的试验样品 A 和 B , 使用 60C o 源作为辐照源 , 为了对比和分析 , 分 别进行了高剂量辐照和低剂量辐照两种试验 。 分别 测量不同剂量下的电流传输比和电压噪声功率谱密 3 33半导体光电 2008年 6月第 29卷第 3期 李应辉 等 : 光电耦合器辐照损伤的噪声检测度 。器件 A 在高总剂量下噪声电压功率谱密度 S V (f 和电流传输比 CTR 随辐照总剂量的变化趋 势如图 3所示 , 其中图 3(a 为电压噪声功率谱密度 图 , 图 3(b 为电流传输比图 。由图 3(b 可知 , 随着 总剂量增强电流传输比下降 , 这一结果与文献 5, 8

13、11报道结果基本一致 , 可作为本文试验方案的 可行性与实验数据正确的佐证之一 。 噪声功率谱密 度 S V (f 是 1/f 噪声通常所采用的分析参量之一 , 是器件内部缺陷的集中反映 7, 是其可靠性灵敏表 征参量之一 。 内部缺陷增多导致 S V (f 增大 , 器件 的可靠性降低 。 由图 3(a 可知 , 随着辐照总剂量增 强 , S V (f 上升 , 说明总剂量辐照引起光电耦合器缺 陷增多 , 根据总剂量辐照理论可知 4,12,13, 此时增多 的缺陷主要是氧化层正空间电荷和界面态陷阱缺 陷 , 进而导致 L ED 及光敏管氧化层陷阱密度增大引 起 S V (f 上升 , 噪声电

14、压功率谱密度 S V (f 可作为 光电耦合器辐照损伤检测参量之一。 器件 B 在低 总剂 量下噪 声电 压功率 谱密 度 S V (f 和电流传输比 CTR 随辐照总剂量的变化趋势如图 4所示 , 其中图 4(a 为电压噪声功率谱密度 图 , 图 4(b 为电流传输比图 。由图 4(a 和 (b 对比 可知 , 在低的总剂量下 , 器件的电流传输比处于潜伏 期 , 比值几乎不变 , 而电压噪声功率谱密度却缓慢上 升 , 说明在低总剂量下 , 噪声参量比电参量更能敏感 地检测光电耦合器的辐照损伤程度 。 噪声检测不仅 在效果上优于传统的电参数 , 还可以在对器件微损 伤的条件下进行辐照研究 ,

15、 并可以间接节约试验费 用。5 结论本文在研究光电耦合器工作原理 、 辐照理论及 1/f 噪声理论的基础上 , 分析了光电耦合器辐照噪 声特性 , 提出了光电耦合器辐照噪声检测方法 , 搭建 了光电耦合器噪声测试电路 。实验结果表明 , 噪声 参量比电参量更能敏感地反映光电耦合器的辐照损伤程度 。 噪声无损检测在表征 、 检测器件损伤方面 具有较广的发展及应用空间 。(下转第 378页 433响 , 应变状态转变为压应变 。样品 p 型电学性能的 变化趋势与应变状态的改变趋势类似 。此外 , 在该 二次退火过程中 (退火温度 750 , 位错对应变的 影响是不明显的 。 倒易空间衍射扫描结果表

16、明外延 层 p 型 GaN 与模板层本征 GaN 之间存在应变梯 度 , 且 p 型 GaN 的应变弛豫明显 。本文对 Mg 掺杂 p 型 GaN 在二次退火过程中 的应变进行了一些相关的探讨和分析 , 由于 p 型 GaN 内的杂质和缺陷行为特性复杂 , 其应变的一些 具体机制及与电学性能的内在联系还需进一步研究 和确认 。参考文献 :1 施锦行 . G aN 中杂质和缺陷的特性 J.半导体情报 , 1998,35(1 :42244.2 Akasaki I ,Amano H , Kito M ,et al. Photoluminescence of Mg 2doped p 2type G a

17、N and electroluminescence of G aN p 2n junction L ED J.J. L umin. ,1991,48(49 : 666.3 丁志博 , 姚淑德 , 王 坤 , 等 . Si (111 衬底上生长有多 缓冲层的六方 GaN 晶格常数计算和应变分析 J.理学报 ,2006,55(6 :2977. 4 Zhao D G ,Xu S J ,Xie M H ,et al. Stress and its effect on optical properties of G aN epilayers grown on Si (111 , 6H 2SiC (000

18、1 , and c 2plane sapphireJ.Appl. Phys. Lett. ,2003,83(4 :677.5 吴学华 , 吴自勤 . 高质量 G aN 外延薄膜的生长 J.物 理 ,1999,28(1 :44251.6 吴自勤 , 王 兵 . 薄膜生长 M .北京 :科学出版社 , 2001. 96.7 周晓滢 , 郭文平 , 胡 卉 , 等 . 不同 Mg 掺杂浓度的 GaN 材料的光致发光 J.半导体学报 ,2002,23(11 :11682 1172.8 Kaufmann U , Schlotter P , Obloh H , et al. Hole conductivi

19、ty and compensation in epitaxial G aN Mg layersJ.Phys. Rev. B ,2000,62(16 :10867.9 Darakchieva V , Birch J , Schubert M , et al. Strain 2 related structural and vibrationalproperties of thin epitaxial AlN layers J.Phys. Review , 2004, 70(4 : 5411.作者简介 : (-, , 主要研究方 2126. com(上接第 334页 参考文献 :1 Dai Y i

20、song ,Xu Jiansheng. The noise analysis and noise reliability indicators of optoelectron coupled devices J.Solid 2State Electron. ,2000,44(12 :1495.2 J evtic M M. Noise as a diagnostic and predication tool in reliability physics J .Microelectron. Reliab. , 1995,35(3 :1925.3 Ursutiu D ,Jones B K. Low

21、2f requency noise used as a lifetime test of L EDs J .Semicondctor Science and Techno1. ,1996,24(11 :1133.4 宋钦歧 , 李德孚 . 电子学抗核加固基础 M .北京 :原子 能出版社 ,1986.5 LaBel K A , Kniffin S D , Reed R A , et al. A compendium of recent optocoupler radiation test data Z.IEEE Rad. Eff. Data Workshop , 2000. 1232124. 6 田浦延 , 陈蒲生 . 光电耦合器的结构设计及封装胶特性 分析 J.固体电子学研究与进展 , 2005, 25(3 :3402 343,397.7 庄奕琪 , 孙 青 . 半导体器件中的噪声及其低噪声化技 术 M .北京 :国防工业出版社 ,1993.8 Johnston A H , Rax B G. Proton dama