可靠性技术资料— 电子元器件的抗辐射应用 9.4 电子元器件的抗辐射应用 9.4.1 抗辐射加固电子系统的器件选择抗辐射加固电子系统的器件选择 抗辐射加固电子系统的器件选择抗辐射加固电子系统的器件选择 在抗辐射加固电子系统的设计中，一个首要的任务是如何合理地选择电子元器件。选择的一 般原则是，所选用的器件既能实现系统的电气性能指标，又具有较好的抗辐射潜力。为了正确地 选用抗辐射能力强的电子元器件，尽可能避免使用抗辐射能力差的器件，掌握以下给出的一些规 律是十分重要的应该指出的是，这里对不同器件抗辐射能力的比较是在其它条件相同或相当的前 提下进行的，只具有相对的意义，不要把它们绝对化。 1. 双极型器件抗中子辐照的能力差，最敏感的参数是电流放大系数hFE ；MOS 器件抗电离辐 照的能力差，最敏感的参数是阀值电压VT 。MOS 场效应管的抗中子辐射能力比双极晶体管高1～ 2 个数量级，但它的抗电离辐射能力却比双极晶体管低2～3 个数量级。 2. 在分立半导体器件中，闸流管、单结晶体管和太阳能电池的抗辐射能力最差，所以应该尽 可能避免在辐射环境中使用此类器件。 3. 在二极管中隧道二极管的抗辐射能力最强，其次为电压调整二极管和电压基准二极管，普 通的整流二极管最差。 4. 在具有不同的参数指标、结构或管芯材料的双极二极管中，大功率晶体管的抗辐射能力优 于小功率晶体管，高频晶体管优于低频晶体管，开关晶体管优于放大晶体管，锗晶体管优于硅晶 体管，npn 晶体管优于pnp 晶体管。 5. 在不同类型的器件中，半导体二极管的抗辐射能力优于晶体管三极管，结型场效应管的抗 辐射能力优于双极晶体管，由分立器件构成的电路的抗电离辐射能力优于实现相同功能的单片集 成电路，数字集成电路的抗中子辐射能力模拟集成电路。 6. 在相同类型的器件中，工作频率越高，工作电流越大，开关时间越短，或者额定电源电压 越高，则抗辐射能力越强。例如，用相同工艺和材料制作的微处理器电路，要求10V 电源的电路 比要求5V 电源的电路抗辐射能力强，因为10V 电源有3V 的噪声容限，而5V 电源只有1.5V 的 噪声容限。 表表9.3 常用半导体分立器件抗辐射能力的比较常用半导体分立器件抗辐射能力的比较 表表 常用半导体分立器件抗辐射能力的比较常用半导体分立器件抗辐射能力的比较 2 器件类型 抗中子辐射能力( 中子数/cm ) 抗稳态电离辐射能力(rad(Si)) 10 11 5 6 低频功率晶体管 10 ~10 10 ~10 12 13 5 6 中频晶体管 （50~150MHz ） 10 ~10 10 ~10 13 14 5 6 高频晶体管(150MHz) 10 ~10 10 ~10 14 15 6 7 结型场效应管 10 ~10 10 ～10 微波GaAs 晶体管 1014~1015 第1 页 网址： e-mail:market@ 电线传线- 可靠性技术资料— 电子元器件的抗辐射应用 整流二极管 13 14 6 7 10 ~10 10 ～10 电压调整和电压基准二极管 13 14 6 7 5 ×10 ~5 ×10 10 ～10 14 15 7 8 隧道二极管 5 ×10 ~5 ×10 10 ～10 11 12 4 单结晶体 5 ×10 ~5 ×10 10 闸流管 5 ×1013 10 7. 在采用不同材料或结构的器件中，采用介质隔离的集成电路的抗辐射能力优于采用pn 结 隔离的集成电路，以蓝宝石为衬底的CMOS/SOS 电路或者以绝缘体为衬底的CMOS/SOI 电路的 抗辐射能力优于以硅为衬底的 CMOS/Si 电路，砷化镓器件与电路的抗辐射能力优于硅器件与电 路。 8. 对于集成电路，在抗中子辐射方面，CMOS/SOS 电路最好，其次是CMOS/Si、ECL 和NMOS 2 电路，再次是肖特基TTL 电路和I L 电路，最差的属双极型线性电路。在抗稳态电离辐射方面， 2 ECL 电路最好，其次是肖特基TTL 电路和I L 电路，再次是CMOS 电路，最差的是NMOS 电路。 2 在抗瞬态电离辐射方面，CMOS/SOS 电路最好，CMOS/Si 和I L 电路次之，NMOS 、ECL 和肖特 基TTL 电路最差。 9. 在未来，GaAs 器件及电路和以绝缘体为衬底的CMOS/SOI 电路是最有发展前途的抗辐射 器件。 电子元器件的抗中子辐照能力通常用中子通量 （亦称中子剂量）来表征，它定义为单位面积 2 物质允许通过的中子数，单位为中子数/cm 。电离辐射可分为稳态辐射和瞬态辐射两种，器件抗 稳态电离辐射的能力用总剂量来表征，它定义为单位质量的指定材料允许吸收的辐射能量，单位 为rad （材料）或Gy （材料），1rad=10－15J （焦耳），1Gy=100rad；器件抗瞬态电离辐射的能力则 用剂量率来表征，它定义为单位时间内指定材料所吸收的能量，单位为rad （材料）/s 或Gy （材 料）/s 。 表9.3 所列数据对常用半导体分立器件的抗辐射能力进行了比较，表9.4 则分别对未加固和加 固过的各种集成电路的抗辐射能力作了比较，一般而言，器件经加固后抗辐射能力可增加 0.5~2 个数量级。 表表9.4 常用集成电路抗辐射能力的比较常用集成电路抗辐射能力的比较 表表 常用集成电路抗辐射能力的比较常用集成电路抗辐射能力的比较 抗中子辐射能力 抗电离辐射能力 抗瞬时辐射能力 集成电路类型 2 ( 中子数/cm ) (rad (Si)) (rad (Si) / s) 未加固 加固 未加固 加固 未加固 加固 14 15 6 7 8 7 8 9 10 TTL、LSTTL 10 10 10 ～10 10 10 ~10 10 ~10 2 13 5 6 7 8 9 9 10 I L 10 10 10 ~10 10 ~10 10 ~10 15 7 8 8 9 9 10 ECL 10 10 10 10 ~10 10 ~10 第2 页 网址： e-mail:market@ 电线传线- 可靠性技术资料— 电子元器件的抗辐射应用 CMOS 1015 16 4 6 8 9 10 10 10 10 10 10 ~10 CMOS/Si 15 16 4 6 7 9 10 11 10 10 10 10 ~10 10 ~10 10 NMOS 15 16 4 5 6 5 6 8 9 10 10 10 ～10 10 10 ~10 10 ~10 PMOS （静态） 15 16 4 5 7 6 8 9 10 10 10 ～10 10 10 10 ~10 PMOS （动态） 15 16 4 5 7 3 5 5 6 10 10 10 ～10 10 10 ~10 10 ~10 双极型线 GaAs 电路 15 7 8 8 10 10 10 ～10 10 ~10 9.4.2 系统设计中的抗辐射措施系统设计中的抗辐射措施 系统设计中的抗辐射措施系统设计中的抗辐射措施 1. 提高参数的设计容差 在线路设计中，适当提高辐射敏感参数的设计容差，可使器件在较高的辐照水平下正常工作。 双极电路设计中，应注意提高电流放大系数 hFE 的设计余量，并且使双极晶体管的直流工作点选 择在电流放大系数 hFE 随收集极电流变化的峰值附近。这是因为晶体管

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