CN108152705A - 一种基于晶体管的辐射效应在线测试系统及其测试方法 - Google Patents

一种基于晶体管的辐射效应在线测试系统及其测试方法 Download PDF

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鲁艺
邱东
荣茹
邹德慧
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Abstract

本发明公开了一种基于晶体管的辐射效应在线测试系统及其测试方法，包括测试电路、工控机、屏蔽电缆、辐照板；从晶体管直流增益与受照中子注量呈线性关系出发，使用晶体管作为辐照效应参数测量探测器，建立了辐照效应参数在线测试系统；在CFBR‑II堆和钴源上，分别利用“瞬态和稳态不同辐照模式的损伤异同性试验”和“中子、γ不同辐照顺序的损伤等效性试验”进行了测试系统验证，实现了瞬态和稳态辐照下样品效应参数的实时测量。本发明的优点在于：测试系统充分发挥虚拟仪器的灵活性、通用性、扩展性和强大的软件功能等优点，尽量减少外围硬件的数量。在硬件设备以及连线不变的前提下，改变软件程序就可以实现各种晶体管特性曲线的绘制和参数测试。

Description

一种基于晶体管的辐射效应在线测试系统及其测试方法
技术领域
本发明涉及辐射效应测试技术领域，特别涉及一种基于晶体管的辐射效应在线测试系统及其测试方法。
背景技术
在中子辐射效应试验研究中，电子元器件受中子辐照后产生的损伤不仅与中子注量有关，而且与中子能量和中子作用时间有关。核爆产生的中子能谱和中子作用时间与稳态辐照环境下的中子能谱和中子作用时间不同，在相同的中子注量下，对电子元器件和材料造成的损伤不同。为研究其损伤差异，确定不同辐射源间的辐照损伤等效关系是十分重要的。
CFBR-II快中子临界装置作为抗辐射加固性能验证和考核的重要实验平台，既可以模拟核爆辐射环境工作在脉冲状态(瞬态)下，又可以稳功率运行(稳态)。在利用其进行中子辐照损伤效应研究时，为了确定不同辐射模式(瞬态、稳态)下，相同中子注量对电子元器件和材料造成的损伤差异，在线监测电子元器件的效应参数随中子注量的变化规律，有必要研制一套辐照效应参数在线测量系统，为中子辐射效应敏感参数、规律分析提供必要的手段，而目前还没有一种辐照效应参数在线测量系统存在。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于晶体管的辐射效应在线测试系统及其测试方法，能有效的解决上述现有技术存在的问题。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于晶体管的辐射效应在线测试系统，包括测试电路、工控机、屏蔽电缆、辐照板、外部电源；
所述辐照板用于放置辐照样品，辐照板上安装晶体管通过屏蔽电缆与测试电路连接，测试电路与工控机连接，所述晶体管为晶体三极管和/或场效应管；
所述测试电路包括晶体三极管效应参数测试电路和场效应管效应参数测试电路；
所述晶体三极管效应参数测试电路包括电阻、电容、测试点、信号接口，外部电源通过测试电路给晶体三极管施加合适的集电极工作电压和基极偏置电压，由电阻将电压转换为相应的集电极电流和基极电流；
所述场效应管效应参数测试电路包括电阻、电容、测试点、信号接口，外部电源通过测试电路给场效应管施加合适的漏源电压和栅源电压；
所述工控机包括：矩阵开关、多通道数据采集系统、嵌入式控制驱动器、同步机、显示器、数据处理模块。
所述矩阵开关与测试电路连接用于切换样品轮流扫描；
所述多通道数据采集系统用于同时采集多个样品在受照期间的电参数；
所述数据处理模块对采集到的电参数进行计算，并通过显示器实时显示效应参数随辐照时间的变化情况；
所述嵌入式控制驱动器为其他硬件提供控制信号，有利于计算机控制。
所述同步机用于给出外触发信号，启动测试系统对晶体管信号进行连续采集。
作为优选，将测试电路放置于远离辐照环境的测试间，通过屏蔽电缆与辐照板上的晶体管连接，从而排除电阻受中子辐照的影响带来的测量误差。
本发明还公开了一种基于晶体管的辐射效应在线测试方法，包括仪器控制、效应参数在线显示和电路测试，仪器控制实现对矩阵开关的切换动作控制、通道配置信息存储、数据采集卡控制、数据读取、处理和存储功能，保证对晶体三极管放大倍数以及场效应管阈电压的实时有效测量；在线显示主要完成数据文件的读取显示、信息查询、实时数据分析处理功能，读取仪器控制部分生成的数据文件并以图形的方式显示出来，即得到实时效应参数，所述电路测试是三极管效应参数电路测试和场效应管效应参数电路测试，所述测试方法有瞬态辐射模式和稳态辐照模式两种。
进一步地，进行三极管效应参数电路测试，需根据公式：
Δ(1/hFE)＝/hFE(φ)-1/hFE(0)＝K′·t·φ＝K·φ；
式中,Δ(1/hFE)为辐照前后晶体三极管直流增益倒数的变化量，为中子辐照后晶体管直流增益，hFE(0)为中子辐照前晶体管直流增益，K’为硅材料损伤常数(cm2·s-1)，t为电流无限大时基极渡越时间(s)，K为晶体管实验增益损伤常数(cm2)，为辐照中子注量(cm-2)；
测试时选取合适的集电极电流IC，将测量的电流信号转化为电压信号，在晶体三极管的集电极和发射极之间加一固定电压VCC，基极和发射极之间加一锯齿波，得到晶体三极管的直流增益：
进一步地，进行场效应管效应参数电路测试，需根据公式：
式中，ΔVGS为栅-源阈电压的变化量，tOX为氧化物厚度；D为γ总剂量；
受γ总剂量辐照后，场效应管的阈电压向负方向漂移，漂移的数值不仅与接受的总剂量有关，还与辐射期间所加的栅压极性和量值有关，正栅压下的漂移比负栅压下要大；
测试时在栅极加0～5V的锯齿波输入信号，在漏极加一固定电压，并通过取样电阻将其转换为漏极电流，采用适当的电流限制措施固定漏极电流，实现场效应管的阈电压测量。
进一步地，瞬态辐射模式下，辐照样品不多于10只器件；测试中以固定基极电流为限制条件，采用同步机给出外触发信号，启动测试系统对晶体管信号进行连续采集，采样频率设置为1MHZ，以获得与瞬态累计中子注量时间相对应的效应参数；所有待测器件在辐照期间始终处于工作状态，输出效应信号后，信号通过瞬态转接电路到达多路数据采集系统，计算机通过控制多路数据采集系统的采集卡完成数据采集、处理、显示和贮存。
进一步地，稳态辐照模式下，辐照样品为4组，每组10只器件。4组器件可在晶体三极管和场效应管间任意选择。由于辐照时间达数小时，测试频率可根据试验要求在1HZ至0.01HZ间选择，为此以“固定集电极电流”为限制条件，利用矩阵开关的切换实现不同类型样品的测量。该模式下，矩阵开关按控制软件的要求选通一组器件，每组器件输出的效应信号通过测试转接电路到达多路数据采集系统，由计算机控制采集卡采集数据并完成处理。
与现有技术相比本发明的优点在于：满足指标要求的、可同时测量瞬态辐照效应信号和稳态辐照效应信号的辐照效应在线测试系统，实现快速响应、高效率采集、实时数据处理、存储及显示，确保系统对晶体管效应参数变化的准确测量。
该测量系统通过对测试软件的选择，实现在稳态辐照环境和瞬态辐照环境下的辐照效应测量，并通过矩阵开关的引入，将系统测试通道拓展为128个通道，实现了对40只器件的效应参数测量，并通过试验验证了该系统的可靠性，完成了研究目标，为器件级或系统级的中子辐射效应加固及评估技术研究提供了重要的测试手段。
测试系统充分发挥虚拟仪器的灵活性、通用性、扩展性和强大的软件功能等优点，尽量减少外围硬件的数量。在硬件设备以及连线不变的前提下，改变软件程序就可以实现各种晶体管特性曲线的绘制和参数测试。
附图说明
图1为本发明实施例三极管直流增益倒数与中子注量的线性关系图；
图2为本发明实施例测试系统结构框图；
图3为本发明实施例测试系统硬件结构示意图；
图4为本发明实施例晶体管直流增益测试电路图；
图5为本发明实施例场效应管阈电压测试电路图；
图6为本发明实施例测试系统流程图；
图7为本发明实施例辐照过程中稳态与瞬态的直流增益变化比对图；
图8为本发明实施例拟合结果和测量结果的比对图；
图9为本发明实施例CFBR-II堆稳态辐照试验验证图；
图10为本发明实施例钴源稳态辐照试验验证图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明做进一步详细说明。
1晶体管的辐射损伤机理；
1.1辐射对双极晶体管性能的影响；
中子辐照和γ射线辐照都会引起双极晶体管直流增益hFE下降和漏电流增加，但中子辐射的影响程度更大，且两者作用机理不同。中子辐射对双极晶体管的影响程度与器件的工作电流、工作频率、基区宽度以及低掺杂区掺杂浓度大小等都有密切关系。在小注入条件下，少子复合作用对器件直流增益hFE起主要支配作用，所以辐射对双极晶体管工作在小电流下的电流增益影响显著。对于一个理想的突变结、均匀基区的双极晶体三极管，当中子注量在109cm-2～1016cm-2，集电极注入电流在1mA～100mA范围时[1]，中子辐照引起的直流增益变化为：
Δ(1/hFE)＝1/hFE(φ)-1/hFE(0)＝K′·t·φ＝K·φ (1)
式中,Δ(1/hFE)为辐照前后晶体三极管直流增益倒数的变化量，为中子辐照后晶体管直流增益，hFE(0)为中子辐照前晶体管直流增益，K’为硅材料损伤常数(cm2·s-1)，t为电流无限大时基极渡越时间(s)，K为晶体管实验增益损伤常数(cm2)，为辐照中子注量(cm-2)。
可以看出，晶体三极管直流增益的倒数随中子注量的变化具有很好的线性关系，如图1所示。
1.2辐射对MOS场效应管性能的影响；
MOS场效应管属于多数载流子导电的表面效应器件，故以体效应为主的中子辐射对其影响不大，即使辐射中子高达1014cm-2～1015cm-2，场效应管主要电参数(阈电压VT)变化也不明显。但它对γ射线引起的电离辐射却比双极晶体管敏感得多。当外加栅极偏置电压时，其阈电压发生负向漂移，所有电参数产生退化。
栅阈电压与氧化物厚度有关，阈电压漂移可以表示为：
式中，ΔVGS为栅-源阈电压的变化量，tOX为氧化物厚度；D为γ总剂量。
受γ总剂量辐照后，MOS场效应管的阈电压向负方向漂移，漂移的数值不仅与接受的总剂量有关，还与辐射期间所加的栅压极性和量值有关，正栅压下的漂移比负栅压下要大[2]。
2辐照效应在线测试系统研制；
2.1系统总体设计；
在利用CFBR-II快中子脉冲堆进行辐照效应研究时，为了提高试验效率，降低试验成本，通常在试验时需要一次布放多种类、多数量的样品。结合试验要求，测试系统应具备以下功能：
1)测试装置通过上位机设定测试条件；
2)具有内触发/外触发功能，可根据需要选择手动/自动测量；
3)可实时显示效应曲线；
4)测试用限流电阻可分段设定；
5)可分段测量4种器件，每段同步测量10只器件的效应参数；
6)在瞬态辐射环境下能够对辐射脉冲全过程下10只器件的效应参数进行捕捉。
根据测试特点和功能要求，采用典型的基于虚拟仪器平台的测试系统结构，充分发挥虚拟仪器的灵活性，通用性，扩展性和强大的软件功能等优点，尽量减少外围硬件的数量。在主硬件设备不改变的情况下，通过改变软件程序就可以实现各种晶体管特性曲线的绘制和参数测试，有效降低系统硬件成本。测试系统结构框图如图2所示。
系统采用Labview为开发平台设计了效应参数测试软件系统，控制测试系统完成所有的测试任务，包括:利用采集卡上的硬件资源完成多组测量器件的切换、多通道同步数据采集、采集数据的处理、采集数据的存储、以及测试波形显示。
2.2系统硬件设计；
辐照效应参数在线测试系统由矩阵开关、多通道同步高分辨率数据采集卡、信号源、电源、工控机、屏蔽电缆、测试转接电路、以及数据采集分析软件组成，如图3所示。
辐照样品通过100米屏蔽双绞电缆与系统相连，由计算机控制矩阵开关的切换对4组样品切换，轮流扫描，由多通道数据采集系统采集每组样品(10只同步)在受照期间的电参数，利用系统后期处理模块计算每只器件的效应参数，并实时显示效应参数随辐照时间的变化情况。
为有效的由计算机控制这些硬件设备，采用Ancen-PXI系列高速采集驱动控制器，为其它硬件提供控制信号，以LabVIEW为开发平台，建立一套多通道同步数据采集测试控制系统，完成所有的测试任务，包括：利用采集卡上的硬件资源进行多通道同步数据采集、通过对矩阵开关的控制实现4组辐照样品间的切换测试、采集数据的处理、数据存储、测试结果的波形显示等功能。本测试系统设计的核心思想是充分发挥虚拟仪器的灵活性、通用性、扩展性和强大的软件功能等优点，尽量减少外围硬件的数量。在硬件设备以及连线不变的前提下，改变软件程序就可以实现各种晶体管特性曲线的绘制和参数测试。
根据GJB548B-2005的相关要求，在进行辐射损伤研究中，每个区域的辐照样品数量不得少于10只，所以辐照板上每组受照样品均选用10只经过严格筛选的、静态电参数一致性好的同种类器件。考虑到对不同器件及封装形式的晶体管的实验要求，选用了4种不同形式的晶体管器件，包括贴片式N沟道场效应管、P沟道场效应管、插接式小功率三极管、开关管。
2.2.1晶体三极管效应参数测试电路；
根据公式(1)，晶体三极管直流增益测试电路如图4所示：
图中，电阻RB和RC由测试转接电路板提供，放置于远离辐照环境的测试间，通过长电缆与辐照板上的晶体管连接，从而排除电阻受中子辐照的影响带来的测量误差。
测试时选取合适的集电极电流IC，将测量的电流信号转化为电压信号，在晶体三极管的集电极和发射极之间加一固定电压VCC，基极和发射极之间加一锯齿波，可以得到晶体三极管的直流增益：
2.2.2场效应管效应参数测试电路；
根据公式(2)，场效应管阈电压测试电路如图5所示：
测试时在栅极加0～5V的锯齿波输入信号VGS，在漏极加一固定电压VDS，并通过取样电阻RD将其转换为漏极电流ID，采用适当的电流限制措施固定漏极电流，可以实现场效应管的阈电压测量。
2.3不同辐照模式下的电流限制
瞬态辐射模式下，辐照样品不多于10只器件。考虑到瞬态辐射下的脉冲特性(脉冲持续时间仅为数毫秒)，为了获得全脉冲下(包括坪长)器件受脉冲中子辐照的瞬时损伤行为，测试中以“固定基极电流”为限制条件，采用多路同步机给出外触发信号，启动测试系统对晶体管信号进行连续采集，采样频率设置为1MHZ，以获得与瞬态累计中子注量时间相对应的效应参数。所有待测器件在辐照期间始终处于工作状态，输出效应信号后，信号通过瞬态转接电路到达多路数据采集系统，计算机通过控制多路数据采集系统的采集卡完成数据采集、处理、显示和贮存。
稳态辐照模式下，辐照样品为4组，每组10只器件。4组器件可在晶体三极管和场效应管间任意选择。由于辐照时间达数小时，测试频率可根据试验要求在1HZ至0.01HZ间选择，为此以“固定集电极电流”为限制条件，利用矩阵开关的切换实现不同类型样品的测量。该模式下，矩阵开关按控制软件的要求选通一组器件，每组器件输出的效应信号通过测试转接电路到达多路数据采集系统，由计算机控制采集卡采集数据并完成处理。
2.4系统软件设计
系统控制软件采用labVIEW开发平台，由仪器控制部分和效应参数在线显示部分组成。仪器控制部分主要实现对矩阵开关的切换动作控制、通道配置信息存储、数据采集卡控制、数据读取、处理和存储等功能，保证对晶体管放大倍数的实时有效测量。在线显示部分主要完成数据文件的读取显示、信息查询、实时数据分析处理等功能，读取仪器控制部分生成的数据文件并以图形的方式显示出来，即得到实时效应参数。系统软件流程如图6所示。
效应参数在线显示部分完成数据文件的读取显示、信息查询、及时的数据分析处理等功能，能够读取仪器控制部分所生成的数据文件，并以图形的方式在屏幕上得到实时效应参数。
3辐照效应在线测试系统的验证试验；
分别利用“瞬态和稳态不同辐照模式的损伤异同性试验”和“中子、γ不同辐照顺序的损伤等效性试验”进行了测试系统的验证考核。
异同性试验中，分别选用经过筛选的3DK9D各5只作为辐照试验样品。测试时，选取合适的基极电流IB，采用测试软件进行同步在线测量，利用系统中的数据后期处理软件计算出每只样品在辐照过程中的放大倍数，并由波形实时显示出直流放大倍数的变化情况。
试验测得的晶体管在瞬态和稳态辐照模式下的直流增益随辐照注量的变化示于图7。
分别将瞬态和稳态辐照模式下直流增益随辐照过程变化的测量结果与理论拟合结果进行了对比，如图8所示。可以看出，两个结果符合得很好。
等效性试验中，试验样品是经过严格电参数筛选的三极管3DK7E、3DG121C以及场效应管MFN05T、MFP06T(每种器件均为10只，共40只)。测试时，选取合适的集电极电流IC和漏极电流ID，采用稳态测试软件进行在线测量，通过软件对矩阵开关的控制，实现40只器件间的切换。利用系统中的数据后期处理软件计算出三极管的放大倍数以及场效应管的阈电压，并由波形实时显示出参数的变化情况。图9和图10分别示出了利用该系统获得的CFBR-II堆及钴源上的稳态辐照试验结果。
4结论
利用晶体三极管直流增益与受照中子注量呈线性变化关系这一原理，选用晶体三极管作为辐照效应参数在线测量探测器，以labview为开发平台，成功研制了满足指标要求的、可同时测量瞬态辐照效应信号和稳态辐照效应信号的辐照效应在线测试系统。该系统通过程序高效控制，使矩阵开关、数据采集卡、信号源、电源和测试转接电路快速协调工作，实现快速响应、高效率采集、实时数据处理、存储及显示，确保系统对晶体管效应参数变化的准确测量。
该测量系统通过对测试软件的选择，实现在稳态辐照环境和瞬态辐照环境下的辐照效应测量，并通过矩阵开关的引入，将系统测试通道拓展为128个通道，实现了对40只器件的效应参数测量，并通过试验验证了该系统的可靠性，完成了研究目标，为器件级或系统级的中子辐射效应加固及评估技术研究提供了重要的测试手段。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于晶体管的辐射效应在线测试系统，其特征在于包括：测试电路、工控机、屏蔽电缆、辐照板和外部电源；
所述辐照板用于放置辐照样品，辐照板上安装晶体管通过屏蔽电缆与测试电路连接，测试电路与工控机连接，所述晶体管为晶体三极管和/或场效应管；
所述测试电路包括晶体三极管效应参数测试电路和场效应管效应参数测试电路；
所述晶体三极管效应参数测试电路包括：电阻、电容、测试点、信号接口，外部电源通过测试电路给晶体三极管施加合适的集电极工作电压和基极偏置电压，由电阻将电压转换为相应的集电极电流和基极电流；
所述场效应管效应参数测试电路包括电阻、电容、测试点、信号接口，外部电源通过测试电路给场效应管施加合适的漏源电压和栅源电压；
所述工控机包括：矩阵开关、多通道数据采集系统、嵌入式控制驱动器、同步机、显示器、数据处理模块；
所述矩阵开关与测试电路连接用于切换样品轮流扫描；
所述多通道数据采集系统用于同时采集多个样品在受照期间的电参数；
所述数据处理模块对采集到的电参数进行计算，并通过显示器实时显示效应参数随辐照时间的变化情况；
所述嵌入式控制驱动器为其他硬件提供控制信号，有利于计算机控制；
所述同步机用于给出外触发信号，启动测试系统对晶体管信号进行连续采集。
2.根据权利要求1所述的一种基于晶体管的辐射效应在线测试系统，其特征在于：所述测试电路放置于远离辐照环境的测试间，通过屏蔽电缆与辐照板上的晶体管连接，从而排除电阻受中子辐照的影响带来的测量误差。
3.根据权利要求1所述的一种基于晶体管的辐射效应在线测试系统的测试方法，其特征在于包括：仪器控制、效应参数在线显示和电路测试，仪器控制实现对矩阵开关的切换动作控制、通道配置信息存储、数据采集卡控制、数据读取、处理和存储功能，保证对晶体三极管放大倍数以及场效应管阈电压的实时有效测量；在线显示主要完成数据文件的读取显示、信息查询、实时数据分析处理功能，读取仪器控制部分生成的数据文件并以图形的方式显示出来，即得到实时效应参数，所述电路测试是三极管效应参数电路测试和场效应管效应参数电路测试，所述测试方法有瞬态辐射模式和稳态辐照模式两种。
4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于：所述三极管效应参数电路测试，需根据公式：Δ(1/hFE)＝1/hFE(φ)-1/hFE(0)＝K′·t·φ＝K·φ；
式中,Δ(1/hFE)为辐照前后晶体三极管直流增益倒数的变化量，hFE 为中子辐照后晶体管直流增益，hFE(0)为中子辐照前晶体管直流增益，K’为硅材料损伤常数(cm2·s-1)，t为电流无限大时基极渡越时间(s)，K为晶体管实验增益损伤常数(cm2)，为辐照中子注量(cm-2)；
测试时选取合适的集电极电流IC，将测量的电流信号转化为电压信号，在晶体三极管的集电极和发射极之间加一固定电压VCC，基极和发射极之间加一锯齿波，得到晶体三极管的直流增益：
5.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于：所述进行场效应管效应参数电路测试，需根据公式：
式中，ΔVGS为栅-源阈电压的变化量，tOX为氧化物厚度；D为γ总剂量；
受γ总剂量辐照后，场效应管的阈电压向负方向漂移，漂移的数值不仅与接受的总剂量有关，还与辐射期间所加的栅压极性和量值有关，正栅压下的漂移比负栅压下要大；
测试时在栅极加0～5V的锯齿波输入信号，在漏极加一固定电压，并通过取样电阻将其转换为漏极电流，采用适当的电流限制措施固定漏极电流，实现场效应管的阈电压测量。
6.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于：瞬态辐射模式下，辐照样品不多于10只器件；测试中以固定基极电流为限制条件，采用同步机给出外触发信号，启动测试系统对晶体管信号进行连续采集，采样频率设置为1MHZ，以获得与瞬态累计中子注量时间相对应的效应参数；所有待测器件在辐照期间始终处于工作状态，输出效应信号后，信号通过瞬态转接电路到达多路数据采集系统，计算机通过控制多路数据采集系统的采集卡完成数据采集、处理、显示和贮存。
7.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于：稳态辐照模式下，辐照样品为4组，每组10只器件；4组器件可在晶体三极管和场效应管间任意选择；由于辐照时间达数小时，测试频率可根据试验要求在1HZ至0.01HZ间选择，为此以“固定集电极电流”为限制条件，利用矩阵开关的切换实现不同类型样品的测量；该模式下，矩阵开关按控制软件的要求选通一组器件，每组器件输出的效应信号通过测试转接电路到达多路数据采集系统，由计算机控制采集卡采集数据并完成处理。
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