電子輻照實驗 - 半導體晶體管電路設計須知（一）

　　2 電子輻照實驗

　　電子輻照能在硅中引入多種深能級， 這些能級將根據其在禁帶中的位置， 對電子空穴俘獲截面的大小以及能級密度的大小等均對非平衡載流子的復合起貢獻， 從而引起少子壽命、載流子濃度的降低，因此影響了與少子壽命有關的一些參數， 如晶體管的開關時間、電流放大系數( hFE )等。

　　實驗中我們把未經封裝的功率雙極晶體管APT13003E 圓片分為四組， 其中第一組作為對照組， 不做輻照處理， 其余三組經過10M eV 的電子輻照， 輻照劑量分別為5 kGy、10 kGy、15 kGy, 輻照完成后， 經過200℃2 h的高溫退火處理， 然后四組圓片經過封裝后成為成品。表1是四組晶體管的FT測試結果。

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　　表1 四組APT13003E 的FT測試結果

　　從表1中我們可以看到， 經過輻照后， 儲存時間ts 隨著輻照劑量的增大有很大幅度的減小， 下降時間tf 有所減小， 上升時間tr 有所增加; 電流放大系數隨著輻照劑量的增加而下降; 飽和壓降和擊穿電壓HBVceo隨輻照劑量的增大而增大。

　　3 系統(tǒng)測試結果

　　將四組不同的APT13003E 開關晶體管放入同一個使用BCD半導體公司研發(fā)的AP3765充電器系統(tǒng)中， 該充電器的功率是3W, 輸入交流電壓范圍是85V ~ 264 V, 輸出直流電壓是5 V.圖3所示為85 V、115 V、230 V 和264 V 交流輸入電壓下， 使用電子輻照后的APT13003E 與常規(guī)的APT13003E在輸出負載電流分別是0. 15 A、0. 30 A、0. 45 A、0. 60 A(即25%、50%、75%、100%負載)下的系統(tǒng)平均效率增加值。

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　　圖3 電子輻照后的APT13003E與常規(guī)的APT13003E在各個交流輸入電壓下系統(tǒng)平均效率增加百分比

　　從圖3 中可以看到， 在較低的交流輸入電壓(如85 V和115 V )下， 使用輻照后的APT13003E比使用未輻照的APT13003E 系統(tǒng)效率都有所提高， 而在較高交流輸入電壓下(如230 V 和264 V )， 輻照后的APT13003E 未能使系統(tǒng)效率提高。在85 V 交流輸入電壓下， 輻照劑量為10 kGy 的APT13003E的性能最好， 開關晶體管的總損耗由0. 209W 降低到0. 121W, 降低了42% , 使得系統(tǒng)整體效率提高了2. 1% , 若該開關晶體管采用TO - 92封裝， 這將使開關晶體管的結溫降低約11 ℃ ; 在115 V交流電壓下， 系統(tǒng)的整體效率也提高了約1. 4%, 開關晶體管的結溫將降低約7℃, 這就有效地提高開關晶體管的可靠性， 降低了開關電源的損耗。

　　當輻照劑量進一步增加到15 kGy后， 系統(tǒng)效率提高的幅度反而降低， 因此要獲得最佳的系統(tǒng)效率，需要采用最合適的輻照劑量。

　　我們對85 V 和264 V 交流輸入電壓， 輸出電流為0. 45 A 條件下四組APT13003E的集電極電壓電流波形進行了測試， 分析了開關晶體管工作的各個階段的損耗， 結果如表2所示， tON表示導通延時， toff表示關斷延時， Tw 為開關周期， P in為充電器輸入功率， P los STot為開關晶體管總的損耗， P loss tot /P in為開關晶體管損耗占系統(tǒng)輸入功率的百分比。

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　　表2 四組APT13003E在充電器系統(tǒng)中各個階段的損耗分析

　　從表2中可以看出， 在85 V 交流輸入電壓下，輻照之后的APT13003E 比未輻照的APT13003E 的關斷延時有了大幅的減小， 因此關斷損耗大幅的減小， 如輻照為10 kGy的管子的關斷損耗減小為未輻照管子的1 /6; 導通延時有所增加， 但增加的幅度較小， 導通損耗有較小的增加; 飽和壓降隨輻照劑量的增加而增加， 因此通態(tài)損耗隨輻照劑量的增加而增加。開通損耗、通態(tài)損耗的增加與關斷損耗的減小是一對矛盾， 因此必須選擇合適的輻照劑量， 才能使開關晶體管總的損耗最小。

　　而在264 V輸入電壓下， 輻照后關斷損耗只有較小幅度的減小， 因此總損耗基本不變， 系統(tǒng)效率也沒有改善。如圖4 和圖5 分別為未經輻照的APT13003E 在85 V 和264 V輸入電壓下基極電流、集電極電壓和電流的波形。比較圖4和圖5中可以看出， 在264 V 輸入電壓條件下導通時集電極電流的尖峰比起85 V 時要大很多， 這是因為導通時變壓器寄生電容充電電壓增大了2. 1倍， 但充電時間只增加了約0. 6倍， 所以充電電流就會大大增加， 這也導致了APT13003E 的導通損耗由85 V 下的0. 016W 變?yōu)?64 V下的0. 183W, 此時導通損耗占了總的損耗的大部分， 而電子輻照對導通損耗并沒有改善; 另一方面， 在APT13003E 關斷時， 集電極電壓并沒有直接降到0, 而是先經過一個近100 ns的電流“ 尾巴”之后， 才又下降到0, 此時集電極電壓已經比較大了， 因此這個電流“尾巴”所造成的損耗占關斷損耗的比例較大。產生這個“尾巴”的原因是， 關斷開關晶體管時， 由于管子的基區(qū)比較薄， 過大的基極電流引起較大的基區(qū)電位差， 使VBE 為負的情況下發(fā)射結局部正向偏置， 集電極電流遲遲降不下來。

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　　圖4 85 V交流輸入電壓下APT13003E基極電流、集電極電壓、集電極電流波形圖

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　　圖5 264 V 交流輸入電壓下APT13003E 基極電流、集電極電壓、集電極電流波形圖

　　而經過電子輻照后的APT13003E, 其集電極電流的這個“尾巴”并沒有減小， 所以造成了輻照后的APT13003E 的關斷損耗并沒有大幅的降低， 因此系統(tǒng)的效率并沒有改善。我們一方面可以優(yōu)化基極驅動電路， 使關斷初始時基極反向電流不至于太大， 避免產生電流“尾巴”, 而關斷的最后階段突增反向基極電流， 則在高輸入電壓下， 系統(tǒng)的效率就會有所提高; 另一方面， 通過分段繞制、使用介電常數小的絕緣材料、適當增加絕緣層厚度和靜電屏蔽等方法， 降低變壓器的寄生電容， 降低開關晶體管的導通損耗，系統(tǒng)效率也將提高。