CN107356856A - 一种三通道电压反馈式vdmos器件单粒子效应高精度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三通道电压反馈式VDMOS器件单粒子效应高精度检测装置，包括主控模块、通信模块、数据采集模块、电源模块、矩阵开关模块、试验子板群模块；本发明兼具数据采集记录和图像显示功能，能够有效、直观检测垂直双扩散金属‑氧化物半导体场效应晶体管单粒子栅穿与单粒子烧毁现象，同时结合非结构化数据保存功能，提供足量数据进行试验分析。试验子板群兼容各类封装形式试验器件，且系统具有多通道巡检功能，可实现三只器件同步开展试验，缩减试验成本。本发明系统组成简单，通用性强、检测精度高，具有工程化特点。

Description

一种三通道电压反馈式VDMOS器件单粒子效应高精度检测 装置

技术领域

本发明涉及一种VDMOS器件单粒子效应检测装置。

背景技术

当半导体器件应用在空间环境中时，空间高能粒子会穿透半导体器件内部并在路径上产生电离，电路节点会吸收电离产生的电子和空穴从而导致电路错误，这种效应称为单粒子效应。在地面上验证半导体器件的抗单粒子效应能力主要依靠地面重离子加速器来模拟单粒子试验，由于试验现场需要在真空辐射环境下进行，对测试系统的抗干扰、实时性、体积等提出了更高要求，且限制了一些先进大型仪器设备的使用，因此相比于普通实验室的半导体器件测试，往往需要自行研发搭建不同类型半导体器件的单粒子效应检测系统。

垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管(VDMOS)关注的单粒子效应主要分为单粒子栅穿(SEGR)和单粒子烧毁(SEB)，单粒子栅穿效应指由于单粒子辐照产生的空穴在电场作用下堆积在器件的Si-Si0₂界面处，在氧化层上附加一个瞬态电场，导致氧化层内的电场超过临界击穿电场，栅氧化层被击穿，栅极的泄露电流增加，导致器件失去栅控制能力；单粒子烧毁效应指沿入射离子径迹产生大量电子空穴对，形成电离的等离子体丝流，在飘移和扩散效应双重作用下，该等离子体丝流形成的瞬发电流的一部分是空穴通过横向基区进入源区；另一部分电子通过横向基区流向收集极。当瞬发电流在pp+体硅片电阻上的压降增加到一定值时，使n+pnn+构成的寄生BJT导通，负反馈作用使源-漏短路，导致器件发生SEB。。单粒子栅穿效应主要是对器件的栅源电流进行监控，而单粒子烧毁效应的检测主要是对器件的漏源电流进行监控。

垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管共有栅极、源极和漏极三个电极，采用立体结构，使源极和漏极分别在芯片上下两面，形成垂直导电沟道，不仅利于散热，而且有利于提高装配密度，同时便于可在漏结边缘采用各种钝化技术以提高击穿电压，因此得到快速发展。垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管具有开关速度快，高频特性好，输入阻抗高，驱动功率小，热稳定优良，安全工作区宽以及跨导线性度高等显著特点，广泛应用于航空航天领域。常用的单粒子效应检测方式包含器件输出串联电流表的机械化测试方法和基于NI集成板卡自动化测试方法。

基于现有的垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管单粒子效应检测方法进行单粒子效应检测主要存在着以下两个不足：一是机械化测试方法中串联电流表精度往往难以满足试验要求，通常以电流表示数是否发生突变对试验器件状态进行判断，因此无法获取试验过程中的监测数据；二是基于NI集成板卡自动化测试方法，该方法是能够实现对试验过程中数据的采集，但是由于采集板卡成本较高，且需要集成具有通信兼容性的程控电源，应用范围易受到局限。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种三通道电压反馈式VDMOS器件单粒子效应高精度检测装置，用于垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管的单粒子效应检测，能够有效、直观的检测垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管的单粒子栅穿与单粒子烧毁效应。

本发明的技术解决方案是：一种三通道电压反馈式VDMOS器件单粒子效应高精度检测装置，包括主控模块，通信协议模块、数据采集模块、电源模块、矩阵开关模块、试验子板群模块；

主控模块发送电源控制指令、通道选择指令至通信协议模块，接收数据采集模块发送的VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息，并对VDMOS器件的实际工作电压信息、栅源电流、漏源电流信息进行存储和实时数据显示；

通信协议模块将主控模块发送的电源控制指令、通道选择指令分别发送至电源模块、矩阵开关模块；

矩阵开关模块接收通信协议模块发送的通道选择指令，控制矩阵开关中相应的通道闭合，将电压信号传递至试验子板群模块，控制试验子板群模块中VDMOS器件处于栅偏或漏偏状态；

电源模块接收通信协议模块发送的电源控制指令，根据主控模块中的设定电压值输出相应的电压信号至矩阵开关模块；电源模块采集试验子板群模块中各VDMOS器件的实际工作电压，并将各VDMOS器件的实际工作电压信息反馈至数据采集模块；

数据采集模块采集试验子板群模块中各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息发送至主控模块；试验子板群模块搭载VDMOS器件，为VDMOS器件提供电压。

所述的数据采集模块包括n路检测通道，每路检测通道包含微弱信号放大单元、模数转换单元、数据采集单元；微弱信号放大单元对接收的各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息进行处理，使各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息幅值处于模数转换单元输入电压范围内，并将各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息转化为LVDS格式的差分信号，微弱信号放大单元将LVDS格式的差分信号和各VDMOS器件的实际工作电压信息发送至模数转换单元进行模数转换；数据采集单元接收经模数转换单元转换后的各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息，发送至主控模块，其中，n为正整数。

所述主控模块包括数据采集卡、显示单元、FPGA芯片；FPGA芯片控制数据采集模块将模数转换后的各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息发送至FPGA芯片储存；数据采集卡根据设定的时间周期，分别接收FPGA芯片发送的数据采集模块内不同检测通道中的VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息，并发送至显示单元，使得显示单元在相应的时间周期内对该时间周期内数据采集卡采集到的栅源电流、漏源电流数据进行波形显示，对实际工作电压信息进行数字显示。

所述电源模块包括程控电源单元、电源伺服反馈检测单元；程控电源单元接收通信协议模块发送的电源控制指令，根据主控模块中的设定电压值输出相应的电压信号至矩阵开关模块；电源伺服反馈检测单元采集试验子板群模块中各VDMOS器件的实际工作电压，并将各VDMOS器件的实际工作电压信息反馈至数据采集模块。

所述矩阵开关模块包括嵌入式控制单元、矩阵开关；嵌入式控制单元接收通信协议模块发送的通道选择指令，控制矩阵开关中相应的通道闭合；矩阵开关中各通道开关分别与试验子板群模块中各VDMOS器件供电电源通道对应。

所述程控电源根据待测VDMOS器件的类型对输出的电压值、电压极性进行相应调节。

所述试验子板群模块包括PCB母板、PCB子板，PCB子板满足TO-254AA、TO-257AA、SMD-0.5、SMD-1、SMD-2、TO-39、LCC18封装形式的VDMOS器件的电路连接，PCB母板接收电源模块输出的电压信号为PCB子板提供工作电压。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明能够有效、直观的检测垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管的单粒子栅穿与单粒子烧毁效应，检测系统将待测器件采集数据以图形曲线方式实时显示，有利于试验过程监测；系统信号采集电路进行阻抗匹配、去噪滤波等手段处理，试验检测精度达到10nA，检测精度高于现有检测方法；

(2)本发明数据采集模块中每路通道具有两个输入端口，可同步采集试验器件栅源电流和漏源电流信号，实时反馈，能够对器件单粒子栅穿效应和单粒子烧毁效应进行同时监测，避免效应覆盖，同时检测系统能够在三路检测通道间进行自主切换，可保证三只器件同时进行试验时的检测能力，可减少2/3的试验成本；

(3)本发明检测兼容N型、P型各规格型号试验器件，可实现对N型与P型场效应管加电极性的调整，无需对程控电源部分进行操作，便捷安全；试验子板群模块结合试验现场环境限制条件的特点加工了包括TO-254AA、TO-257AA、SMD-0.5、SMD-1、SMD-2、TO-39、LCC18等7种不同封装形式的试验夹具，能够满足不同类器件的试验要求，通用性强。

附图说明

图1是本发明检测装置结构原理图；

图2是本发明检测装置信号采集通道的示意图；

图3是本发明检测装置工作流程图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种三通道电压反馈式VDMOS器件单粒子效应高精度检测装置，包括主控模块，通信协议模块、数据采集模块、电源模块、矩阵开关模块、试验子板群模块；

主控模块发送电源控制指令、通道选择指令至通信协议模块，接收数据采集模块发送的VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息，并对VDMOS器件的实际工作电压信息、栅源电流、漏源电流信息进行存储和实时数据显示；

通信协议模块将主控模块发送的电源控制指令、通道选择指令分别发送至电源模块、矩阵开关模块；通信协议模块基于RS485实现上位机与下位机之间链路搭建，进行指令传递、数据采集以及信息反馈；

矩阵开关模块接收通信协议模块发送的通道选择指令，控制矩阵开关中相应的通道闭合，将电压信号传递至试验子板群模块，控制试验子板群模块中VDMOS器件处于栅偏或漏偏状态；

电源模块接收通信协议模块发送的电源控制指令，根据主控模块中的设定电压值输出相应的电压信号至矩阵开关模块；电源模块采集试验子板群模块中各VDMOS器件的实际工作电压，并将各VDMOS器件的实际工作电压信息反馈至数据采集模块；

数据采集模块采集试验子板群模块中各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息发送至主控模块；试验子板群模块搭载VDMOS器件，为VDMOS器件提供电压。

数据采集模块包括n路检测通道，每路检测通道包含微弱信号放大单元、模数转换单元、数据采集单元；微弱信号放大单元对接收的各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息进行处理，使各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息幅值处于模数转换单元输入电压范围内，并将各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息转化为LVDS格式的差分信号，微弱信号放大单元将LVDS格式的差分信号和各VDMOS器件的实际工作电压信息发送至模数转换单元进行模数转换；数据采集单元接收经模数转换单元转换后的各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息，发送至主控模块，其中，n为正整数。本实施例中数据采集模块包含三路检测通道，通过轮循检测可满足三只器件同时开展试验，每路通道可同时采集栅源电流和漏源电流两路信号，每路信号采集通道均依次进行微弱信号放大、信号调理、模数转换及FPGA芯片采集存储流程。

所述主控模块包括数据采集卡、显示单元、FPGA芯片；FPGA芯片控制数据采集模块将模数转换后的各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息发送至FPGA芯片储存；数据采集卡根据设定的时间周期，分别接收FPGA芯片发送的数据采集模块内不同检测通道中的VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息，并发送至显示单元，使得显示单元在相应的时间周期内对该时间周期内数据采集卡采集到的栅源电流、漏源电流数据进行波形显示，对实际工作电压信息进行数字显示。

所述电源模块包括程控电源单元、电源伺服反馈检测单元；程控电源单元接收通信协议模块发送的电源控制指令，根据主控模块中的设定电压值输出相应的电压信号至矩阵开关模块；电源伺服反馈检测单元采集试验子板群模块中各VDMOS器件的实际工作电压，并将各VDMOS器件的实际工作电压信息反馈至数据采集模块。所述程控电源根据待测VDMOS器件的类型对输出的电压值、电压极性进行相应调节。根据VDMOS器件结构的不同，VDMOS器件的类型可分为N型和P型，两种场效应管对电源电压的需求极性相反，且在实际单粒子试验中不同型号器件的考核条件不同，需要的电源电压也存在差异，可根据试验器件的具体要求，通过程控电源提供相应的电压极性以及电压输出值。

所述矩阵开关模块包括嵌入式控制单元、矩阵开关；嵌入式控制单元接收通信协议模块发送的通道选择指令，控制矩阵开关中相应的通道闭合；矩阵开关中各通道开关分别与试验子板群模块中各VDMOS器件供电电源通道对应。

所述试验子板群模块包括PCB母板、PCB子板，PCB子板满足TO-254AA、TO-257AA、SMD-0.5、SMD-1、SMD-2、TO-39、LCC18封装形式的VDMOS器件的电路连接，PCB母板接收电源模块输出的电压信号为PCB子板提供工作电压。

在本实施例中，试验子板群模块包含7种不同封装形式器件试验子板，按照行业标准考核试验3(0)的要求，每块子板具有3只器件安装夹具，与矩阵模块进行信号互通。

矩阵开关模块使实现检测系统轮询检测的关键部分，结合试验子板群模块达到多路器件同时开展试验的目的，矩阵开关与试验子板群模块接口相连，检测系统利用嵌入式控制单元控制矩阵开关选通指定试验子板监测通道，进行数据采集，通过设定轮询时间间隔实现不同监测通道间的自动切换检测功能。

如图3所示，本发明的检测装置的具体操作如下：

(1)进行通信接口连接，设定相应串口信息；

(2)选取待测VDMOS器件的类型(P型或N型)，设定试验器件加电极性；

(3)依次控制程控电源为VDMOS器件加栅极电压和漏源电压，根据主控模块显示的电压返回值确定电压是否到位，当检测电流值实时返回至波形显示区，打开重离子加速器开始对试验子板群模块中搭载的各VDMOS器件进行粒子辐照；

(4)设定检测时间周期，如60s，通过嵌入式控制单元对矩阵开关模块进行试验子板通道定时切换，将数据采集通道与指定试验子板检测通道连接，通过波形显示区获取的各路试验器件采集数据判断器件状态，下一时间周期，切换至下一检测通道，进行采集数据显示，依次类推；如果当采集返回数据超出VDMOS器件参数判据设定值，警示灯亮起，表明器件功能异常，可停止粒子辐照，否则粒子辐照累积至1E7。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (7)

1.一种三通道电压反馈式VDMOS器件单粒子效应高精度检测装置，其特征在于：包括主控模块，通信协议模块、数据采集模块、电源模块、矩阵开关模块、试验子板群模块；

主控模块发送电源控制指令、通道选择指令至通信协议模块，接收数据采集模块发送的VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息，并对VDMOS器件的实际工作电压信息、栅源电流、漏源电流信息进行存储和实时数据显示；

通信协议模块将主控模块发送的电源控制指令、通道选择指令分别发送至电源模块、矩阵开关模块；

矩阵开关模块接收通信协议模块发送的通道选择指令，控制矩阵开关中相应的通道闭合，将电压信号传递至试验子板群模块，控制试验子板群模块中VDMOS器件处于栅偏或漏偏状态；

电源模块接收通信协议模块发送的电源控制指令，根据主控模块中的设定电压值输出相应的电压信号至矩阵开关模块；电源模块采集试验子板群模块中各VDMOS器件的实际工作电压，并将各VDMOS器件的实际工作电压信息反馈至数据采集模块；

数据采集模块采集试验子板群模块中各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息发送至主控模块；试验子板群模块搭载VDMOS器件，为VDMOS器件提供电压。

2.根据权利要求1所述的一种三通道电压反馈式VDMOS器件单粒子效应高精度检测装置，其特征在于：所述的数据采集模块包括n路检测通道，每路检测通道包含微弱信号放大单元、模数转换单元、数据采集单元；微弱信号放大单元对接收的各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息进行处理，使各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息幅值处于模数转换单元输入电压范围内，并将各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息转化为LVDS格式的差分信号，微弱信号放大单元将LVDS格式的差分信号和各VDMOS器件的实际工作电压信息发送至模数转换单元进行模数转换；数据采集单元接收经模数转换单元转换后的各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息，发送至主控模块，其中，n为正整数。

3.根据权利要求1或2所述的一种三通道电压反馈式VDMOS器件单粒子效应高精度检测装置，其特征在于：所述主控模块包括数据采集卡、显示单元、FPGA芯片；FPGA芯片控制数据采集模块将模数转换后的各VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息发送至FPGA芯片储存；数据采集卡根据设定的时间周期，分别接收FPGA芯片发送的数据采集模块内不同检测通道中的VDMOS器件的栅源电流、漏源电流信息、实际工作电压信息，并发送至显示单元，使得显示单元在相应的时间周期内对该时间周期内数据采集卡采集到的栅源电流、漏源电流数据进行波形显示，对实际工作电压信息进行数字显示。

4.根据权利要求3所述的一种三通道电压反馈式VDMOS器件单粒子效应高精度检测装置，其特征在于：所述电源模块包括程控电源单元、电源伺服反馈检测单元；程控电源单元接收通信协议模块发送的电源控制指令，根据主控模块中的设定电压值输出相应的电压信号至矩阵开关模块；电源伺服反馈检测单元采集试验子板群模块中各VDMOS器件的实际工作电压，并将各VDMOS器件的实际工作电压信息反馈至数据采集模块。

5.根据权利要求4所述的一种三通道电压反馈式VDMOS器件单粒子效应高精度检测装置，其特征在于：所述矩阵开关模块包括嵌入式控制单元、矩阵开关；嵌入式控制单元接收通信协议模块发送的通道选择指令，控制矩阵开关中相应的通道闭合；矩阵开关中各通道开关分别与试验子板群模块中各VDMOS器件供电电源通道对应。

6.根据权利要求4所述的三通道电压反馈式VDMOS器件单粒子效应高精度检测装置，其特征在于：所述程控电源根据待测VDMOS器件的类型对输出的电压值、电压极性进行相应调节。

7.根据权利要求1或2所述的三通道电压反馈式VDMOS器件单粒子效应高精度检测装置，其特征在于：所述试验子板群模块包括PCB母板、PCB子板，PCB子板满足TO-254AA、TO-257AA、SMD-0.5、SMD-1、SMD-2、TO-39、LCC18封装形式的VDMOS器件的电路连接，PCB母板接收电源模块输出的电压信号为PCB子板提供工作电压。