2. 电子科技大学
2. University of Electronic Science and Technology of China
核事故往往伴随较大的放射性，会对设施及装备造成辐射损伤[1]。传感器是获取核设施运行工况的数据获取终端，提高传感器在辐射环境中的可用性和可靠性是提高核设施运行安全和应急效率的保障[2-3]。噪声分析技术能够很好地实现核设施运行状态的在线故障监测与诊断[4-6]。硅微电容式声压传感器具有灵敏度高、功耗低、输出稳定性好、便于微型化等特点，是良好的噪声信号采集装置。使用中常常要将它与后续的前置放大器集成在一起[7]。前置放大器核心器件场效应管主要有两种类型：金属-氧化物-半导体场效应管(MOSFET)和结型场效应管(JFET)[8]。早有研究发现[9]，γ射线作用于电子元件材料会形成瞬时电流，引起辐射瞬态效应；介质层内部辐照效应的累积，会引起电离辐射总剂量效应。大量研究表明[10-14]，γ射线电离效应会使MOS结构的栅氧化层介质内累积正电荷，造成阈值电压负向漂移，从而增大漏电流[15]。阈值电压的漂移将会引起MOSFET转移特性曲线的漂移，造成漏极电流显著变化，产生噪声。目前诸多研究主要关注MOSFET的辐射效应，对JFET放大器电离辐射效应的研究报道较少，目前研究结果表明，JFET的直流参数受γ射线电离辐照影响[16-20]，缺少深入的定量和定性分析。
文章从γ射线造成的电离辐射损伤效应的角度出发，设计了硅微电容式声压传感器以及结型场效应管γ射线辐照实验。通过分析γ射线辐照条件下，硅微电容式声压传感器声音信号的输出波形，以及结型场效应管辐照后直流参数的变化情况，研究辐照损伤机理。
1 材料与方法 1.1 实验环境及材料实验采用60Co γ射线放射源，活度约为2.5×105Ci，γ射线能量为1.173 MeV和1.332 MeV。放射源为双栅板结构，使用时通过升降系统从地下7m深的水井中将放射源吊出。辐照室内噪声较小，声源激励实验时采用普通电铃作为激励声源。实验所选取的声压传感器为Knowles Acoustics公司生产的SPM0404HE5H-PB型硅微电容式声音传感器，此种声音传感器集成有声学传感器、低噪声的输入缓冲区和输出放大器，放大器采用N沟道MOSFET放大电路；结型场效应管样品选取仙童半导体公司生产的PN4392型N沟道结型场效应管和J176型P沟道结型场效应管。每类JFET样品选取两个进行对照试验，分别标记为1#、2#。
1.2 实验方法 1.2.1 硅微电容式声压传感器γ射线辐照实验硅微电容式声压传感器放置于辐照室内，接受剂量率为1kGy/h的γ射线辐照，总辐照时间为37 h，累积剂量为37 kGy。期间，使用普通电铃作为声源激励，在0、5、60、120、600、1 560 min后分别记录时域波形。辐照实验结束后，测量电池电压。实验系统图如图 1所示。
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图 1 γ射线辐照声音传感器在线监测系统图 |
将四件JFET电路板置于辐照室内，辐照剂量率为1 kGy/h。在累积剂量分别达到120 Gy、1.5 kGy、12 kGy、72 kGy、192 kGy、432 kGy时在线测试并记录直流特性参数及夹断电压，并迅速放回辐照室继续辐照。测试电路采用开环电路，从而能够直观地反映出γ射线辐照对P沟道、N沟道JFET辐照后直流参数的影响。P沟道JFET性能测试时电压表 1(VGS)输出正电压，电压表 2(VDS)输出负电压；N沟道JFET性能测试时电压表 1(VGS)输出负电压，电压表 2(VDS)输出正电压。测试如图 2所示。
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图 2 JFET开环检测电路 |
硅微电容式声压传感器辐照实验时，采用YW-DA2000型数字光端机(广州天为电信)将声音传感器接受的声音模拟信号通过数字音频光端机的发射端转换成光信号，并使用40 m长的光缆作为介质将光信号传入光端机接收端，在接收端将光信号转换为模拟信号，由PC机的声卡读取并记录实验数据，为防止γ射线对信号传输器件的影响，辐照室内光端机发射端放置于铅屏蔽盒内；结型场效应管辐照实验时，采用BJ2922B型场效应管参数测试仪检测结型场效应管的直流参数。
2 结果 2.1 硅微电容式声压传感器辐照实验结果图 3为硅微电容式声音传感器在辐照前以及辐照5、60、120、600、1 560 min后的输出时域波形。从图中可以看出，辐照5min后，信号幅值下限达到-3×104mV，比未辐照前增大了15倍左右，信号幅值明显向负方向漂移；辐照60 min后，信号的幅值明显下降，幅值峰值降到3 500 mV以下，并且出现比较完整的波形；播放并分析采集的音频文件发现，随着辐照时间的延长，噪声明显增大；辐照1 560 min后噪声近乎掩盖了电铃的声音。
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图 3 硅微电容式声音传感器时域波形变化情况(电铃声源激励) 注：a—辐照前；b—辐照5min；c—辐照60min；d—辐照120min；e—辐照600min；f——辐照1560min。 |
实验采用的硅微电容式声压传感器中包含有声学传感器和输出放大器。由于声学传感器所包含元件的电离辐射效应均不明显，因此γ射线电离损伤特性主要体现在输出放大器中含有的N沟道MOS器件上。辐照开始后，电离能量在绝缘层氧化物中产生的电子空穴对因电场的作用而漂移运动，由于电子迁移率远大于空穴，因此在电场的作用下，电子很快被扫出氧化层，而未被复合的空穴则继续向着Si/SiO2界面漂移。由于电子俘获截面非常小，因此绝缘层氧化物中电子的俘获可以忽略不计，而接近界面态处存在的空穴缺陷能够俘获部分空穴，形成带正电的氧化物陷阱电荷并造成阈值电压向负向漂移。阈值电压的负方向漂移将会引起MOSFET转移特性曲线的漂移，在相同电压下将产生更大的漏极电流，因此经过放大后的输出信号的增益急剧增大，且在信号幅值的正半段，由于阈值电压漂移而使信号幅值超过了电路的动态范围，因此出现非线性失真，如图 3(b)所示。
另一部分空穴则与氧化层内部的含氧缺陷发生反应，释放出质子。带正电的质子在电场的作用下向Si/SiO2界面移动，与被氢纯化的三价硅悬挂键发生界面反应，对于N型MOSFET，界面态俘获电子形成带负电的界面态陷阱电荷，并引发“反弹”效应；而对于P型MOSFET，阈值电压漂移量将进一步增大。这个过程开始于空穴传输后几千秒，因此在77 min后观察声音输出信号可以发现，信号幅值不再发生漂移。而由于电池电压的下降造成信号衰减，因而随着辐照时间的延长，信号幅值缓慢降低。
2.2 结型场效应管辐照实验结果表 1为四件样品受到不同累积剂量后夹断电压的变化情况。从表中数据可以看出，γ射线辐照后，P沟道JFET夹断电压基本无变化，而N沟道JFET夹断电压有所减小。图 4、图 5给出了不同累积剂量下，N沟道、P沟道JFET的转移特性曲线。对比两幅图可以看出γ射线辐照使N沟道JFET的漏电流IDS及跨导gm有所降低，而P沟道JFET的IDS随累积剂量增大，并无明显变化。这与早先的实验研究结果[17-20]相似。
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表 1 夹断电压随累积剂量变化情况 |
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图 4 不同累积剂量下N沟道JFET转移特性曲线 |
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图 5 不同累积剂量下P沟道JFET转移特性曲线 |
通过对比图 6中N沟道MOSFET及N沟道JFET结构剖面图[7]可以看出，MOSFET与JFET结构上最大的不同是MOSFET在栅极与衬底间存在一层SiO2绝缘层，而γ射线照射在氧化物绝缘层中形成的氧化物陷阱电荷，正是造成MOSFET辐射损伤的主要因素。因此，JFET的固有结构在耐辐照方面具有优势。然而，由半导体材料构成的JFET仍然会受到γ射线电离效应的影响。Anderson等人在早先的研究中发现，对于N沟道JFET，载流子陷阱俘获会诱发产生耗尽层并夹断导电沟道，从而使漏电流IDS降低[21]。这可以很好地解释N沟道JFET辐照后IDS和gm下降的现象。从两种类型JFET辐照实验结果可以看出，P沟道JFET较N沟道JFET要更耐总剂量辐照，这与陈盘训在著作[22]中所阐述的结论相符，但其原因还需在将来的研究中进一步探讨。因此，我们可以认为，γ射线辐照对JFET直流参数的影响较小，且相较于N沟道JFET，P沟道JFET具有更好的耐辐照性能。
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图 6 两类N沟道场效应管结构剖面图 |
γ射线对硅微电容式声压传感器的辐照损伤效应主要体现在电离辐射对其集成的N沟道MOS器件的辐照损伤。辐照开始时，由于氧化物陷阱电荷累积，阈值电压向负压方向漂移，导致转移特性曲线漂移，产生更大的漏电流IDS，致使放大后的信号增益变大。同时，阈值电压的漂移还引起静态工作点漂移，造成输出信号正半段幅值超过电路动态范围，出现非线性失真。此外，静态工作点相对工作曲线的漂移将会导致漏极电流增大。继续辐照一段时间后，由于界面态陷阱电荷的产生，正空间电荷造成的影响得到补偿，阈值电压“反弹”近乎为零。
JFET电离辐照实验表明，由于JFET结构中并无氧化物绝缘层结构，辐照后不会形成氧化物陷阱电荷，因而γ射线所引起的电离效应对JFET的直流特性影响较小。但辐照仍会对N沟道直流参数产生影响，造成漏电流IDS及跨导gm的下降。因此，可以认为γ射线辐照对JFET直流参数的影响较小，且相较于N沟道JFET，P沟道JFET具有更好的耐辐照性能。
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