CN103344897A - 一种非破坏性功率mos管单粒子烧毁效应检测电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应检测电路及方法，电路包括栅极偏置电路、漏极偏置电路和信号采集电路，方法包括对功率MOS管施加一定的偏置，在重离子辐照的情况下检测MOS管的源极电流，通过电流变化曲线来判断MOS管单粒子烧毁（SEB，single-event burnout）现象是否发生。本检测方法根据MOS管器件性能参数，设置器件的源极和漏极限流电阻和充放电电容，来保证SEB现象发生时的源极电流在可被检测的范围内，同时又确保器件未被烧毁而造成MOS管的破坏性失效。本发明方法简单，可以检测一只MOS管SEB效应的多次发生，同时又具有非破坏性的特点。

Description

一种非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应检测电路及方法
技术领域
本发明涉及一种非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应检测电路及方法。
背景技术
功率MOS管是一种利用电场效应来控制电流的一种半导体器件，它具有很快的开关速度，在控制端上基本上不需要输入栅极电流，且具有良好的线性导通电阻、大的电流能力等特点；另外，它受外界环境影响小，便于集成，广泛地应用于卫星的电子系统中。因此，其空间环境的辐射效应也引起了人们的广泛关注。
单粒子烧毁效应是功率MOS管在空间环境发生的一种灾难性失效方式，目前地面模拟试验方法一般采用美军标MIL-STD-750E方法1080，同时，国内也编制了相应的宇航标准YHYB B0202/002-2012。根据这些标准进行MOS管单粒子烧毁效应的地面模拟试验都是破坏性的，器件不能多次复现MOS管的单粒子烧毁效应，无法确定MOS管发生单粒子烧毁效应的栅极控制电压和漏极电压的阀值。因此，开发一种非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应的检测方法具有较强的实际意义。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有方法的不足，提供了一种非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应检测电路及检测方法。
本发明的技术解决方案是：
一种非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应检测电路，包括：栅极偏置电路、漏极偏置电路和信号采集电路；
栅极偏置电路包括栅极电源、栅极电源监测电路、电阻R5和电容C2，漏极偏置电路包括漏极电源、漏极电源监测电路、电阻R1、R2、R4和电容C1，信号采集电路包括电流采集显示电路和电阻R3；
栅极电源的正极通过电阻R5连接到被测MOS管的栅极，同时，被测MOS管的栅极还通过电容C2与栅极电源的负极以及被测MOS管的源级连接在一起，被测MOS管的漏极连接到漏极偏置电路中电阻R4的一端，电阻R4的另一端通过电阻R1连接到漏极电源的正极，同时，所述电阻R4的另一端还通过电容C1连接到信号采集电路中的电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接到栅极电源的源级，电流采集显示电路并联到电阻R3的两端，用于测量并显示流经电阻R3的电流，漏极电源的负极通过电阻R2连接到信号采集电路中的电阻R3的一端；漏极电源的监测电路并联在漏极电源的两端，用于监测漏极电源输出电压的稳定性，栅极电源的监测电路并联在栅极电源的两端，用于监测栅极电源输出电压的稳定性。
一种基于权利要求1所述的非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应检测电路的检测方法，步骤如下：
（1）对被测MOS管进行开帽处理，并确定管芯的中间为辐照敏感位置；
（2）确定辐射源；
（3）设置栅极电源输出电压给被测MOS管的栅极，然后设置漏极电源输出电压给被测MOS管的漏级，使得被测MOS管处于截止状态，通过信号采集电路对源极采样电阻R3上的电流进行实时采集，并对采集的数据波形进行实时监测显示；
（4）使用辐射源产生的高能粒子照射已经开帽的被测MOS管内的辐照敏感位置；
（5）通过信号采集电路对被测MOS管的源极电流值进行采集并对其波形进行实时显示，若电流出现瞬时变化的脉冲，则表明器件发生单粒子烧毁现象。
栅极偏置电路的R5选择1K欧姆0.25W，C2为0.1μF/50V；漏极偏置电路的R1和R2均选择1K欧姆10W，R4为2K欧姆10W，C1选择10μF/250V；信号采集电路中R3选择100欧姆50W。
所述步骤（5）中发生单粒子烧毁现象时源极电流出现瞬时变化的脉冲幅值为10%。
所述辐射源为回旋加速器或串列静电加速器。
所述辐射源产生的高能粒子在硅中的射程大于60μm，LET值大于30MeV.cm2/mg。
本发明与现有技术相比的优点在于：
（1）本发明可以使被测MOS管发生单粒子烧毁效应的瞬间漏极和源极电流得到有效的控制，这样确保MOS管发生SEB现象时未被烧毁而造成MOS管的破坏性失效，器件还能多次进行SEB效应试验。
（2）本发明可以用同一只MOS管在不同的栅-源控制电压和漏-源电压的组合下进行SEB效应试验，确定不同条件下SEB效应的敏感度以及发生SEB效应的栅-源控制电压和漏-源电压的阀值。
（3）本发明对MOS管的源极电流通过电阻进行采集，比起采用感应探头检测方法操作简单，而且能直观显示MOS管发生SEB现象时瞬时电流变化情况，对于分析SEB现象发生时MOS管的烧毁过程具有指导意义。
附图说明
图1为本发明MOS管SEB效应检测电路的原理框图；
图2为本发明MOS管SEB现象发生时的电流变化典型波形图；
图3为本发明MOS管SEB效应检测方法流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应（SEB，single-event burnout）检测电路及检测方法，电路如图1所示，该电路包括：栅极偏置电路、漏极偏置电路和信号采集电路。
栅极偏置电路包括栅极电源、栅极电源监测电路、电阻R5和电容C2，漏极偏置电路包括漏极电源、漏极电源监测电路、电阻R1、R2、R4和电容C1，信号采集电路包括电流采集显示电路和电阻R3；
栅极电源的正极通过电阻R5连接到被测MOS管的栅极，同时，被测MOS管的栅极还通过电容C2与栅极电源的负极以及被测MOS管的源级连接在一起，被测MOS管的漏极连接到漏极偏置电路中电阻R4的一端，电阻R4的另一端通过电阻R1连接到漏极电源的正极，同时，所述电阻R4的另一端还通过电容C1连接到信号采集电路中的电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接到栅极电源的源级，电流采集显示电路并联到电阻R3的两端，用于测量并显示流经电阻R3的电流，漏极电源的负极通过电阻R2连接到信号采集电路中的电阻R3的一端；漏极电源的监测电路并联在漏极电源的两端，用于监测漏极电源输出电压的稳定性，栅极电源的监测电路并联在栅极电源的两端，用于监测栅极电源输出电压的稳定性。
栅极偏置电路给MOS管的栅极（G）施加不同的偏置电压，使MOS管在单粒子辐照期间处于截止状态；漏极偏置电路提供MOS管处于截止状态时漏极和源极之间的电压，同时该电路又确保在MOS管发生SEB现象时，不会因为电流太大而使漏极供电电源发生输出负载太大而损坏；信号采集电路通过对采样电阻上的电压采集，计算获得MOS管的源极电流，从而判断器件是否发生SEB现象。
本发明实例中，栅极偏置电路的R5选择1K欧姆0.25W，C2为0.1μF/50V；漏极偏置电路的R1和R2均选择1K欧姆10W，R4为2K欧姆10W，C1选择10μF/250V；信号采集电路中R3选择100欧姆50W。被试的器件为IR公司生产的IRF640型功率MOS管。
若漏极电源电压设置为84V，设置栅极电源电压为0V，当MOS管未发生SEB现象时，器件漏源之间处于截止状态，电源C1两端被充电为恒定的直流电压UC1=84V；当器件发生SEB现象时，MOS管出现瞬时导通且导通电阻近似为零，此时R3电阻中的电流IR3为：IR3=UC1/(R3+R4)=0.04(A)。
如图2所示为本发明按所述实例进行试验时，功率MOS管发生SEB现象时的电流瞬时变化的典型波形图。从图中可以看出典型波形图的瞬变宽度为1μS左右，幅值为4V，可以计算R3上实际流过的最大瞬时导通电流为I3=4/100=0.04A，此时，漏极电源电压为84V，则MOS管的瞬时导通电阻为Ron=(84-0.04*(1000+10))/0.04=0，即发生SEB现象时漏极和源极之间近似短路，由于此时MOS管漏源之间的最大瞬时电流比较小，不会烧毁器件，因此器件发生瞬时导通后很快（持续约1μS左右）恢复到正常截止状态，而没有造成破坏性失效。
如图3所示，本发明基于MOS管SEB效应检测电路实现的非破坏性SEB检测方法，其步骤如下：
（1）对被测MOS管进行开帽处理，并确定管芯的敏感位置；
本实施例中MOS管为IR公司生产的IRF640型功率MOS管。试验前，对样品进行开帽，开帽过程不损伤器件内部结构，并确定管芯的中间为辐照敏感位置。
（2）选择辐射源；本发明中辐射源为回旋加速器或串列静电加速器，要求辐射源产生的高能粒子在硅中的射程大于60μm，LET值大于30MeV.cm2/mg。回旋加速器或串列静电加速器的LET值分别为31MeV.cm2/mg和37MeV.cm2/mg。
本发明实施例中，辐射源选择兰州中科院近代物理研究所回旋加速器，粒子为Kr离子。试验在大气环境中进行。回旋加速器产生的高能粒子通过25微米的Ni窗，进入大气中，照射试验样品。试验用粒子的LET值和射程见表1。
表1试验用粒子的有效LET值
Figure BDA00003330116900061
（3）设置MOS管栅极偏置电压，本实例中设定的栅极偏置电压（VGS）为0V、-5V、-10V、-15V等四种，第一次设置0V，在以下设定的漏极偏置电压均已辐照后再进行下一栅极偏置电压下的辐照；
（4）设置MOS管漏极偏置电压，本实例中设定的漏极偏置（VDS）电压为60V、70V、80V、90V等四种。第一次设置60V，辐照完后依次进行下一漏极偏置电压下的辐照。
（5）启动信号采集电路开始采集，本实例中既将采集的数值存在远程的计算机系统中，又通过示波器采集典型的数据波形。
（6）使用辐射源产生的高能粒子照射已经开帽的被测MOS管的敏感位置；
（7）信号采集电路将辐照后的实时采集电压值进行分析，若源极电流出现瞬时变化的脉冲幅值大于稳态输出时的10%时，则表明该辐照敏感区域内发生了SEB现象，并对SEB次数加1，通过示波器记录典型的波形。
（8）当高能粒子辐照的注量达到105～107个/cm2的范围时或者器件发生功能失效时，停止辐照，使信号采集电路停止采集。
（9）设置下一个漏极偏置电压，重复第（5）～（8）步骤，直到四种漏极偏置电压条件下的辐照完成。
（10）设置下一个栅级偏置电压，重复第（4）～（9）步骤，直到四种栅极偏置电压条件下的辐照完成。
（11）选择下一种粒子进行辐照试验，重复第（3）～（10）步骤，直到两种粒子均已完成辐照后，试验结束。
按以上的步骤，完成对MOS管的辐照。MOS管编号为2#的试验结果如表2所示。
表2单粒子效应检测实验结果
Figure BDA00003330116900091
从上表数据中可以看出，编号为2#的MOS管器件在VDS=60V以下（含60V）没有发现SEB现象；在VDS=70V以上（含70V）具有SEB敏感；且随着LET值的增加，器件的SEB效应更明显。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应检测电路，其特征在于包括：栅极偏置电路、漏极偏置电路和信号采集电路；
栅极偏置电路包括栅极电源、栅极电源监测电路、电阻R5和电容C2，漏极偏置电路包括漏极电源、漏极电源监测电路、电阻R1、R2、R4和电容C1，信号采集电路包括电流采集显示电路和电阻R3；
栅极电源的正极通过电阻R5连接到被测MOS管的栅极，同时，被测MOS管的栅极还通过电容C2与栅极电源的负极以及被测MOS管的源级连接在一起，被测MOS管的漏极连接到漏极偏置电路中电阻R4的一端，电阻R4的另一端通过电阻R1连接到漏极电源的正极，同时，所述电阻R4的另一端还通过电容C1连接到信号采集电路中的电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接到栅极电源的源级，电流采集显示电路并联到电阻R3的两端，用于测量并显示流经电阻R3的电流，漏极电源的负极通过电阻R2连接到信号采集电路中的电阻R3的一端；漏极电源的监测电路并联在漏极电源的两端，用于监测漏极电源输出电压的稳定性，栅极电源的监测电路并联在栅极电源的两端，用于监测栅极电源输出电压的稳定性。
2.一种基于权利要求1所述的非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应检测电路的检测方法，其特征在于步骤如下：
（1）对被测MOS管进行开帽处理，并确定管芯的中间为辐照敏感位置；
（2）确定辐射源；
（3）设置栅极电源输出电压给被测MOS管的栅极，然后设置漏极电源输出电压给被测MOS管的漏级，使得被测MOS管处于截止状态，通过信号采集电路对源极采样电阻R3上的电流进行实时采集，并对采集的数据波形进行实时监测显示；
（4）使用辐射源产生的高能粒子照射已经开帽的被测MOS管内的辐照敏感位置；
（5）通过信号采集电路对被测MOS管的源极电流值进行采集并对其波形进行实时显示，若电流出现瞬时变化的脉冲，则表明器件发生单粒子烧毁现象。
3.根据权利要求2所述的一种非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应检测方法，其特征在于：栅极偏置电路的R5选择1K欧姆0.25W，C2为0.1μF/50V；漏极偏置电路的R1和R2均选择1K欧姆10W，R4为2K欧姆10W，C1选择10μF/250V；信号采集电路中R3选择100欧姆50W。
4.根据权利要求2所述的一种非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应检测方法，其特征在于：所述步骤（5）中发生单粒子烧毁现象时源极电流出现瞬时变化的脉冲幅值为10%。
5.根据权利要求2所述的一种非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应检测方法，其特征在于：所述辐射源为回旋加速器或串列静电加速器。
6.根据权利要求2或5所述的一种非破坏性功率MOS管单粒子烧毁效应检测方法，其特征在于：所述辐射源产生的高能粒子在硅中的射程大于60μm，LET值大于30MeV.cm2/mg。
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