星用光电器件位移损伤评估方法

李 庆，韦锡峰，肖文斌，俞佳江

（上海卫星工程研究所，上海 201109）

0 引言

近年来，随着新型光电器件在卫星上的广泛应用，因位移损伤效应引起的航天器故障不断发生，例如：美国TOPEX/Poseidon卫星的光电耦合器受质子辐射产生位移损伤造成性能退化，在轨运行2年后失效[1]；Chandra太空望远镜的CCD相机因位移损伤导致分辨率降低[2]；我国“遥感八号”卫星反作用飞轮因光电编码器组件产生位移损伤导致在轨工作异常等。可见，位移损伤已经成为继电离总剂量、单粒子和充放电效应外决定卫星抗辐射能力的另一重要因素。

针对位移损伤效应，国内外学者开展了诸多研究工作。王祖军等[3]通过CCD质子辐照损伤实验，比较了不同能量质子辐照下CCD敏感参数的退化以及功能失效时的累积辐照注量，分析了CCD位移辐射效应的损伤机理。李铮等[4]选取了一种典型的光电耦合器GH302，在70 MeV以上高能量范围开展了质子辐照试验，获得了器件的电流传输比（CTR）随等效剂量的变化规律。此外，黄绍艳[5]、吴宜勇等[6]也分别选择光敏晶体管、GaAs/Ge太阳电池等光电器件开展了位移损伤辐照实验，获得了相应器件的退化曲线。邹德慧等[7]则从试验测量的角度对位移损伤监测系统进行了研究。除了实验研究外，Insoo Jun[8]、王传珊[9]等人利用 MCNPX、SHIELD等软件包，以太阳同步轨道的电子和质子能谱作为粒子源，对其在器件硅材料中的电离和非电离能损进行了计算机仿真，并与实验结果进行了对比。虽然目前针对器件位移损伤，已经取得较多的试验和仿真数据，但如何利用这些数据对星用光电器件的在轨性能退化进行评估，并在此基础上提出抗辐射加固设计的指标要求，是当前工程实践中亟需解决的问题。

为此，本文选取GaAs太阳电池、CCD、光电耦合器和光敏晶体管等星用典型光电器件，根据其在地面模拟辐照环境下的退化行为，对位移损伤效应进行了表征，并结合空间辐射环境的仿真分析结果，提出一种通用的位移损伤效应评估方法，最后通过应用实例证明了该方法的有效性。

1 典型光电器件位移损伤效应表征

位移损伤效应是入射粒子轰击半导体材料原子，通过弹性及非弹性碰撞，使之从晶格中原有的位置发生移位，造成晶格缺陷。这些缺陷会直接影响材料的电导率、载流子迁移率及载流子寿命等，而对于器件本身，则表现为某些电性能参数的衰降[10]。

1.1 GaAs太阳电池

GaAs太阳电池与Si太阳电池相比，由于具有更高的光电转换效率和更强的抗辐射能力，已经成为新一代高可靠、长寿命航天器的主电源。其性能主要通过开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF等3个基本参数来描述，由这3个基本的电学参数可以计算出最大功率Pmax和转换效率η。通过采用不同能量、注量的质子和电子对GaAs太阳电池进行辐照试验，可以观测到其Voc、Isc和Pmax都随着太阳电池发射区、基区和空间电荷区不同程度的损伤而出现相应的退化。这三者的退化规律可以通过动力学方程[6]

来表征。式中：X0和X分别为太阳电池辐照前、后的电性能值，可以是Voc、Isc和Pmax中的一种；C和D0为常数，一般通过试验数据拟合获得；Dd为位移损伤剂量，单位为Gy或MeV/g。

虽然Voc、Isc和Pmax都可用来表征太阳电池的电性能，但是Voc和Isc在质子辐照和电子辐照下的退化趋势明显不同，而Pmax在质子和电子辐照下的退化规律可以通过转换因子Rep进行等效，因此在进行太阳电池的在轨行为预测时，常采用Pmax（或η）的退化方程[11]。

1.2 CCD

CCD的电荷转移效率（CTE）、暗信号是衡量CCD性能好坏的重要参数。当CCD受辐照产生位移损伤效应后，这些参数会出现退化。通过大量的辐照实验，得到CTE的退化公式[3]为

式中：tm为航天器寿命；K为损伤系数，根据试验测试结果，当质子辐照注量为3×1010cm-2时，能量为10、5、2 MeV 的质子的损伤系数分别为 0.992×10-13、0.901×10-13、1.06×10-13g/MeV。

体暗电流增大的计算公式为式中：q为电子电荷量；W为耗尽区宽度；Kdark为暗电流损伤参数，其取值在文献[12]中进行了详细的介绍，这里不再赘述。

1.3 光电耦合器

光电耦合器分为输入（发光器）和输出（探测器）2部分。当输入部分受到电信号激励时，内部发光器发出红外光，使光电探测器产生光电流，输出部分导通，输出规定的电信号。其输出与输入电流的比值，即电流传输比（CTR）是表征光电耦合器性能的主要参数，该参数会随着粒子辐照注量的增加而降低，相应的退化方程[4]为

1.4 光敏晶体管

光敏晶体管是由光电二极管控制的双极型器件，其电流增益β的倒数随粒子注量的增加成线性增大，增大的速率与注入电流的大小有关，一般而言，注入电流越大，线性关系的斜率越小，其退化方程[5]为

式中：1/β0为原始电流增益的倒数；K'd为位移损伤系数，与入射粒子能量、种类及测试条件有关。

通过对上述4种光电器件退化方程的研究可以看出，器件典型电性能参数的退化都与位移损伤剂量Dd存在比例关系。因此，可以类比电离总剂量，将卫星在轨期间的Dd作为星用光电器件位移损伤评估的指标。

2 位移损伤评估方法及流程

星用光电器件位移损伤评估方法的关键就是将仿真分析得到的位移损伤剂量Dd和环境模拟试验得到的器件退化方程相结合，评估流程如图1所示。由于某些器件可能安装于卫星舱体内，需要根据卫星具体的防护结构，基于轨道根数和任务周期计算出卫星在轨期间的高能粒子能谱通量，进而根据不同器件材料的非电离能量损失（NIEL）计算出位移损伤剂量Dd。在此基础上，选择合适的地面模拟辐射源，分别对各种光电器件进行位移损伤辐照试验，绘制出各个器件的退化曲线，并按照式(1)～式(5)拟合出相应器件的关键电参数随位移损伤剂量Dd的退化方程。最后将环境分析得到的Dd代入到退化方程中对器件在轨期间的位移损伤情况进行评估。

图1 星用光电器件的位移损伤评估流程Fig. 1 Flow of evaluating the displacement damage effect for spacecraft photoelectric devices

2.1 空间辐射环境预示

地球辐射带质子与电子，太阳宇宙射线质子以及银河宇宙射线质子都会造成光电器件的位移损伤。其中银河宇宙射线质子通量极低（在太阳活动低年，通量为4 cm-2·s-1），较其他两者可以忽略，因此在计算总的粒子通量时通常只考虑地球辐射带质子、电子以及太阳质子。

常用的地球辐射带质子和电子通量模型为AP-8和AE-8，每个模型又包括太阳活动高年和低年2部分。基于该模型，地球辐射带粒子平均通量的计算公式为

式中：ΔT为由卫星轨道计算的辐射累计时间；Δt为采样时间间隔；n为ΔT时间内总的采样点数目；B为磁场强度；L为磁壳参量。

在典型航天器屏蔽情况下，ESP太阳宇宙射线质子模型对飞行周期内的位移损伤计算更为适用[13]。ESP模型的建立基于对第20、21、22个太阳活动周期内的探测数据的统计分析，利用式(7)计算在太阳活动高年中且飞行任务周期为T时，能量大于E的太阳质子累积注量不超过Φ的概率，给出一定置信度下的飞行任务周期内太阳质子累积注量能谱。

式中：F为太阳质子单向积分通量；E为太阳质子能量；T为飞行任务周期中处在太阳活动高年的时间（T≤7 a）；模型参数ΦRV和Φmean针对不同的能量范围给出；σ2=ln(1+ΦRV/T)，μ=ln(TΦmean)−σ2/2。

2.2 位移损伤剂量Dd计算

计算位移损伤剂量Dd的前提有2个：一是针对器件的组成材料计算带电粒子的非电离能量损失（NIEL）；二是根据具体的轨道环境参数计算空间带电粒子能谱。带电粒子与物质作用的基本形式是电离和位移，总的能量损失为这2部分之和。非电离能量损失是指产生电离效应以外的能量损失，几乎全部用于产生位移效应。带电粒子NIEL的计算公式[14]为

式中：σ(θ,E)为散射截面；T(θ,E)为反冲能；L[T(θ,E)]为 Lindhard分配因子；Td为反冲截止能量；dΩ为立体角元。

则空间带电粒子能谱可利用公式

转化为位移损伤剂量。式中：Φ(Ep)和Φ(Ee)分别表示能量为Ep的质子通量和能量为Ee的电子通量；Rep为质子和电子位移损伤剂量的转化因子；系数n用来修正不同能量电子对器件损伤的差异，通常取1＜n＜2。

3 应用实例

基于上述方法，以某太阳同步轨道卫星（轨道高度1200 km、倾角100°，设计寿命3年）为例，对星上反作用飞轮内的光敏三极管OP604-TXV进行位移损伤效应评估，辐射粒子来源主要考虑地磁捕获质子和太阳质子。

如图2所示，利用SPENVIS软件，选择AP-8和ESP模型，分析获得卫星在轨期间遭遇的高能质子能谱，进而利用式(9)计算得到寿命期内卫星在典型屏蔽情况下累积的位移损伤剂量。

图2 卫星在轨寿命期间辐射环境预示结果Fig. 2 The prediction result of radiation environment in the lifetime of orbit satellite

接着选取一定数量的元器件样本，在60Co辐射源下，先后以4.5 rad/s（0～60 krad(Si)范围内）和24.85 rad/s（60～100 krad(Si)范围内）剂量率进行辐照试验，并在每5 krad设置一个测试点，记录不同注量条件下光敏三极管CTR的变化情况，如图3所示。

图3 光敏三极管OP604位移损伤试验结果Fig. 3 The experimental results of displacement damage of OP604 phototransistor

由图3可以看出，当工作电流一定时，光敏三极管的CTR随辐照注量的增加而降低，且元器件在相同质量等级情况下，工作电流越大，抗位移损伤能力越强。利用式(4)对不同输入电流下器件参数随辐射粒子注量的退化关系进行拟合，结果如图4所示，可见归一化CTR倒数的增量，即与粒子注量呈线性关系。不同输入电流下CTR退化方程的拟合参数如表1所示。

图4 随辐照剂量的变化Fig. 4 as a function of irradiation dose

表1 不同输入电流下CTR退化方程的拟合参数Table 1 Fitting parameters for different operation currents

最后，将仿真预示的位移损伤剂量代入到拟合后的CTR退化方程中，即可对光敏三极管的在轨性能退化进行评估。图5所示为卫星不同寿命期内，等效铝屏蔽厚度为3 mm情况下，光敏三极管CTR的退化曲线。若已知该器件CTR的失效阈值为0.4，则通过评估，该器件在轨3年寿命期内，其CTR随辐射剂量的积累将逐步降低为初始值的21.9%，超过了该器件的失效阈值，可能出现位移损伤失效，需开展相应的防护设计。例如，在器件表面贴装铅皮或通过优化单机布局，将寿命期内器件受到的位移损伤剂量降低到12.2 krad(Si)以内（对应CTR的变化为40%），则该器件可在轨稳定工作。

图5 光敏三极管OP604在不同寿命期内的退化曲线Fig. 5 Degradation curves of OP604 phototransistor in different life periods

4 结束语

光电器件的位移损伤是其空间应用的一大约束条件，本文在调研的基础上，总结归纳了GaAs太阳电池、CCD、光电耦合器和光敏晶体管等典型光电器件的敏感电参数随位移损伤剂量Dd的退化方程，结合空间辐射环境仿真分析和位移损伤辐照试验，提出了一种通用的光电器件位移损伤评估方法。利用该方法对某太阳同步轨道卫星反作用飞轮内的光敏三极管OP604-TXV进行了位移损伤效应评估，获得了该器件在不同输入电流下CTR随辐射粒子注量的退化规律，并基于评估结果给出了抗辐射加固设计建议。相应地，设计师也可以利用本文提出的方法预示器件在轨寿命期间遭遇的位移损伤剂量，给出其对应的抗辐射指标要求，为器件选型提供技术支持。