三极管三端电流波形、退火效应测量系统及方法、中子注量测量方法与流程
本发明涉及一种脉冲中子辐射条件下三极管退火效应测量系统，具体涉及一种在固定发射极电流的情况下，三极管三端电流波形、退火效应测量系统及方法、中子注量测量方法。
背景技术：
在脉冲中子辐照下，半导体中会产生大量位移损失缺陷(簇)：空位和间隙原子对。初始形成的简单缺陷(簇)会通过与自身、杂质原子、掺杂原子等多种粒子发生重组的方式形成复杂缺陷(簇)，这种缺陷演化过程在半导体中子辐射效应的研究中具有重要的基础地位，而测量脉冲中子辐照条件下三极管的退火效应是从试验上研究该缺陷演化的绝佳手段。
稳态中子辐照下，通常采用电压扫描或者电流扫描的方法测量三极管在固定集电极电流下的放大倍数，从而实现三极管退火效应的测量，测量原理如图1所示。扫描法中一个扫描周期内输入的电压或电流是变化的，因此三极管三端电流也是变化的，而脉冲中子辐照也会引起三极管三端电流变化，因此在脉冲中子辐照条件下，若采用扫描法，很难判断辐照引起的电流变化是多少，除非一个扫描周期的时间长度远远少于脉冲中子的宽度。但是，若扫描时间过短，三极管响应不过来。因此，扫描法不适用脉冲中子环境下三极管三端电流的测量，因此需要建立新的测量系统用于准确测量脉冲中子辐照下三极管的三端电流和/或退火效应。
另外，通过准确测量脉冲中子辐照下三极管的三端电流还可以实现对未知辐照场中子注量的测量。
技术实现要素：
本发明解决的问题之一是在脉冲中子辐照下，准确测量三极管三端电流，从而提供了一种三极管三端电流波形测量系统及方法。
本发明解决的问题之二是在脉冲中子辐照下，准确测量三极管退火效应，从而提供了一种三极管退火效应测量系统及方法。
本发明解决的问题之三是在辐射环境中，准确测量中子注量，从而提供了一种中子注量测量方法。
本发明的技术解决方案是：
一种三极管三端电流波形测量系统，用于在脉冲中子辐射条件下实现三极管三端电流波形的测量；其特殊之处在于：包括计算机、三极管电流测量回路和触发回路；
三极管电流测量回路包括数据采集卡、低压电源、测试板和辐照板；低压电源用于向待测三极管提供偏压，保证待测三极管的be结正偏、bc结反偏；
触发回路包括中子探测器和高压电源；中子探测器用于监测脉冲中子时间波形，为三极管电流测量回路提供触发信号；高压电源用于为所述中子探测器提供偏压；
辐照板和中子探测器设置在辐照间，数据采集卡、低压电源、测试板和高压电源设置在测试间；测试板与辐照板之间、高压电源与中子探测器之间通过传输线连接；
计算机与数据采集卡相连，用于控制数据采集卡，实现数据采集卡的参数配置、电流测量、数据保存，以及根据数据采集卡采集的数据生成三极管三端电流波形；
辐照板用于放置待测三极管；
测试板上设置用于测量待测三极管三端电流的所述三极管电流测量电路，所述三极管电流测量电路必须满足条件：1)保证辐照前后待测三极管工作在放大状态；2)保证待测三极管发射极电流固定；3)保证脉冲辐照期间待测三极管的bc结始终处于反偏状态，be结始终处于正偏状态。
进一步地，所述触发回路还包括设置在测试间的示波器，示波器与中子探测器、数据采集卡之间分别通过传输线连接；所述计算机还用于实现示波器的参数配置。
进一步地，所述中子探测器为金刚石中子探测器或无机闪烁体探测器。
进一步地，所述三极管电流测量电路包括分流二极管d1、恒流二极管d2、采样电阻rb、re和rc，以及分压电阻rs；
采样电阻rb的一端接待测三极管的基极，采样电阻rb的另一端接地，采样电阻rc的一端接待测三极管的集电极，采样电阻rc的另一端接vcc；采样电阻re的一端接待测三极管的发射极，采样电阻re的另一端接所述恒流二极管d2的一端，所述恒流二极管d2的另一端接vee，所述vcc和vee由所述低压电源提供，vcc和vee的大小使得待测三极管的be结正偏、bc结反偏；
分流二极管d1的一端接待测三极管的基极以及采样电阻rb的一端，分流二极管d1的另一端通过所述分压电阻rs接vss，所述vss由所述低压电源提供，vss保证脉冲辐照期间待测三极管的be结正偏、bc结反偏；
采样电阻rb两端的电压vrb1、vrb2，采样电阻re两端的电压vre1、vre2，采样电阻rc两端的电压vrc1、vrc2，分压电阻两端rs的电压vrs1、vrs2，分别送入所述数据采集卡的四个模拟输入通道。
进一步地，采样电阻rb、re、rc和分压电阻rs任一端的电压不超过10v，rb、re、rc和rs两端的电压差小于等于10v。
进一步地，电压vss的取值不能高于vcc-(iγ+ic)rc-iγrs-vd2，不能低于vee-iere-iγrs-vd2+vd1，其中：iγ代表辐照期间光电流的大小，vd2代表恒流二极管d2两端的电压差，vd1代表分流二极管d1两端的电压差，ic代表三极管的集电极电流，ie代表三极管的发射极电流。
进一步地，测量过程中，所述数据采集卡处于单次触发状态，模拟输入通道设为差分输入。
本发明还提供了一种三极管三端电流波形测量方法，用于在脉冲中子辐射条件下实现三极管三端电流波形的测量；其特殊之处在于，包括步骤：
1)搭建电流测量电路：
在待测三极管的发射端串联采样电阻re和恒流二极管d2，并使恒流二极管的d2另一端接vee；在待测三极管的基极串联采样电阻rb，并将采样电阻rb的另一端接地；在待测三极管的基极和采样电阻rb之间接分流二极管d1的一端，将分流二极管d1的另一端通过分压电阻rs接vss；在待测三极管的集电极串联采样电阻rc，将采样电阻rc的另一端接vcc；
2)将待测三极管置于辐照间内的辐照板上，将其余器件置于位于辐照间外的测试板上；辐照板和测试板之间通过传输线连接；中子探测器放在辐照间，高压电源和示波器放置在测试间，中子探测器的输入、输出分别通过传输线与高压电源、示波器采集通道连接；示波器的触发输出端与数据采集卡的输入触发端连接；
3)辐照前利用数据采集卡测量采样电阻rb两端的电压差vrb，采样电阻re两端的电压差vre，以及采样电阻rc两端的电压差vrc并保存；
4)打开高压电源给中子探测器供电，并使示波器处于单次自触发准备状态，数据采集卡处于单次触发准备状态，等待脉冲中子的到来；
5)数据采集卡被成功触发后采集并保存采样电阻rb两端的电压差vrb，、采样电阻re两端的电压差vre、采样电阻rc两端的电压差vrc、分压电阻rs两端的电压差vrs这四个电压波形；
6)根据步骤5)所得电压采样值，计算脉冲中子辐射条件下，各采样时刻待测三极管基极、发射极和集电极的电流值，从而得到待测三极管基极、发射极和集电极的电流波形。可根据分压电阻rs两端的电压差vrs估算光电流的大小，作为vss选择的参考。
进一步地，步骤1)中：电压vss不低于vee-iere-iγrs-vd2+vd1，且不高于vcc-(iγ+ic)rc-iγrs-vd2；其中：iγ代表辐照期间光电流的大小，vd2代表恒流二极管d2两端的电压差，vd1代表分流二极管d1两端的电压差，ic代表三极管的集电极电流，ie代表三极管的发射极电流。iγ在辐照前根据中子注量及其伴随γ的经验值进行预估，在辐照后根据分压电阻rs两端电压差vrs的实测值进行估算，估算方法为本领域已知方法。
本发明还提供了一种三极管退火效应测量系统，用于在脉冲中子辐射条件下实现三极管退火效应的测量；其特殊之处在于：包括计算机、三极管电流测量回路和触发回路；
三极管电流测量回路包括数据采集卡、低压电源、测试板和辐照板；低压电源用于向待测三极管提供偏压，保证待测三极管的be结正偏、bc结反偏；
触发回路包括中子探测器和高压电源；中子探测器用于监测脉冲中子时间波形，为三极管电流测量回路提供触发信号；高压电源用于为所述中子探测器提供偏压；
辐照板和中子探测器设置在辐照间，数据采集卡、低压电源、测试板和高压电源设置在测试间；测试板与辐照板之间、高压电源与中子探测器之间通过传输线连接；
计算机与数据采集卡相连，用于控制数据采集卡，实现数据采集卡的参数配置、电流测量、数据保存，以及根据数据采集卡采集的数据获取三极管的退火效应曲线；
辐照板用于放置待测三极管；
测试板上设置用于测量待测三极管三端电流的所述三极管电流测量电路，所述三极管电流测量电路必须满足条件：1)保证辐照前后待测三极管工作在放大状态；2)保证待测三极管发射极电流固定；3)能够保证脉冲辐照期间待测三极管的bc结始终处于反偏状态，be结始终处于正偏状态。
进一步地，所述触发回路还包括设置在测试间的示波器，示波器与中子探测器、数据采集卡之间分别通过传输线连接；所述计算机还用于实现示波器的参数配置。
进一步地，所述中子探测器为金刚石中子探测器或无机闪烁体探测器。
进一步地，所述三极管电流测量电路包括分流二极管d1、恒流二极管d2、采样电阻rb、re和rc，以及分压电阻rs；
采样电阻rb的一端接待测三极管的基极，采样电阻rb的另一端接地，采样电阻rc的一端接待测三极管的集电极，采样电阻rc的另一端接vcc；采样电阻re的一端接待测三极管的发射极，采样电阻re的另一端接所述恒流二极管d2的一端，所述恒流二极管d2的另一端接vee，所述vcc和vee由所述低压电源提供，vcc和vee的大小使得待测三极管的be结正偏、bc结反偏；
分流二极管d1的一端接待测三极管的基极以及采样电阻rb的一端，分流二极管d1的另一端通过所述分压电阻rs接vss；
采样电阻rb两端的电压vrb1、vrb2，采样电阻re两端的电压vre1、vre2，采样电阻rc两端的的电压vrc1、vrc2，分压电阻两端rs的电压vrs1、vrs2，分别送入所述数据采集卡的四个模拟输入通道。
本发明还提供了一种三极管退火效应测量方法，用于在脉冲中子辐射条件下实现三极管退火效应的测量；其特殊之处在于，包括步骤：
1)搭建电流测试电路：
在待测三极管的发射端串联采样电阻re和恒流二极管d2，并使恒流二极管的d2另一端接vee；在待测三极管的基极串联采样电阻rb，并将采样电阻rb的另一端接地；在待测三极管的基极和采样电阻rb之间接分流二极管d1的一端，将分流二极管d1的另一端通过分压电阻rs接vss；在待测三极管的集电极串联采样电阻rc，将采样电阻rc的另一端接vcc；
2)将待测三极管置于辐照间内的辐照板上，将其余器件置于位于辐照间外的测试板上；辐照板和测试板之间通过传输线连接；中子探测器放在辐照间，高压电源和示波器放置在测试间，中子探测器的输入、输出分别通过传输线与高压电源、示波器采集通道连接；示波器的触发输出端与数据采集卡的输入触发端连接；
3)辐照前利用数据采集卡测量采样电阻rb两端的电压差vrb，采样电阻re两端的电压差vre，以及采样电阻rc两端的电压差vrc并保存；
4)打开高压电源给中子探测器供电，并使示波器处于单次自触发准备状态，数据采集卡处于单次触发准备状态，等待脉冲中子的到来；
5)数据采集卡被成功触发后采集并保存采样电阻rb两端的电压差vrb，采样电阻re两端的电压差vre，采样电阻rc两端的电压差vrc、分压电阻rs两端的电压差vrs这四个电压波形；
6)根据步骤5)所得电压采样值，计算脉冲中子辐射条件下，各采样时刻待测三极管基极、发射极和集电极的电流值，从而得到待测三极管基极、发射极和集电极的电流波形；根据分压电阻rs两端的电压差vrs估算光电流的大小，作为vss选择的参考；
7)在三极管发射极电流固定不变的情况下，计算三极管的退火因子af：
上式中：
af为退火因子；ib(0)为初始时刻的三极管基极电流；ib(t)为t时刻的三极管基极电流，ib(∞)代表无穷长时间的三极管基极电流。
进一步地，步骤1)中：电压vss不低于vee-iere-iγrs-vd2+vd1，且不高于vcc-(iγ+ic)rc-iγrs-vd2；其中：iγ代表辐照期间光电流的大小，vd2代表恒流二极管d2两端的电压差，vd1代表分流二极管d1两端的电压差，ic代表三极管的集电极电流，ie代表三极管的发射极电流。iγ在辐照前根据中子注量及其伴随γ的经验值进行预估，在辐照后根据分压电阻rs两端电压差vrs的实测值进行估算，估算方法为本领域已知方法。
本发明还提供了一种中子注量测量方法，用于实现辐射环境中中子注量的测量；其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)在中子注量已知的辐射场中测量三极管三端电流随中子注量的变化，根据电流计算发射极电流固定下的三极管放大倍数
2)对三极管进行高温退火后，放置于中子注量未知的辐射场中测量三极管三端电流变化；测量三端电流变化采用上述的三极管三端电流波形测量方法实现；
3)根据步骤2)得到的三极管放大倍数倒数随中子注量的变化和步骤1)得到的少数载流子中子损伤常数，计算出相应的中子注量。
本发明的有益效果在于：
1)本发明在固定待测三极管发射极电流的情况下，测量待测三极管三端电流对脉冲中子的响应，且三极管的偏置不受辐照期间光电流的影响，能够实现脉冲中子辐照下三极管退火效应的准确测量。
2)辐射环境中在线测量必然是长线测量，长线测量会增大噪声信号，因此本发明通过数据采集卡差分测量采样电阻两端的电压，得到采样电阻两端的电压差，能够降低共模信号，提高信噪比，提高长线测量的电压精度，30米长线情况下本底电压不超过0.1mv。
3)本发明也适用于辐射环境中中子注量的监测。由于本发明电流测量精度高，因而在低中子注量的环境可以发挥很大作用。
附图说明
图1为稳态中子辐照下三极管放大倍数测量原理图。
图2为本发明测量三极管退火效应的系统较佳实例的组成框图(测量三极管三端电流的系统组成框图与图2相同，区别在于计算机内置软件)。
图3为本发明脉冲中子辐照条件下npn型三极管三端电流测量原理图，图中：vrb为采样电阻rb两端的电压差，vre为采样电阻re两端的电压差，vrc为采样电阻rc两端的电压差。
图4为利用本发明的测量系统在西安脉冲反应堆上得到的三极管3dg130d的相应结果，其中：(a)为相对中子注量率的时间波形，(b)为发射极电流的时间波形，(c)为基极电流的时间波形，(d)为集电极电流的时间波形。
图5是利用本发明得到的三极管的退火曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述：
图2为本发明三极管退火效应测量系统较佳实例的原理框图，整个三极管退火效应测量系统包括三极管电流测量回路和触发回路，其中，数据采集卡、低压电源、测试板、辐照板构成三极管电流测量回路；金刚石中子探测器(在其他实施例中，也可以采用无机闪烁体探测器)、高压电源、示波器构成触发回路；辐照板和金刚石中子探测器放置在辐照间，数据采集卡、低压电源、测试板、高压电源和示波器放置在测试间，测试板与辐照板之间、示波器与金刚石中子探测器之间、以及高压电源与金刚石中子探测器之间通过传输线连接。
触发回路中，选用金刚石中子探测器的好处是其响应时间在ns量级，不会造成脉冲中子时间波形的展宽。高压电源通过同轴长传输线为金刚石中子探测器提供偏置电压，金刚石中子探测器输出信号由同轴长传输线传输至示波器。测量过程中示波器处于单次自触发状态，根据脉冲中子的特征对示波器进行采样和触发设置。将示波器触发输出的ttl电平通过同轴短传输线接到数据采集卡的apfi0端，作为数据采集卡的触发信号。在其他实施例中，也可以没有示波器，此时需要将金刚石中子探测器的输出电压信号经过幅度变化，变化到数据采集卡要求的输入电压幅度范围内即可。
本发明要求数据采集卡应具备：同步采集、差分输入、单个通道最大采样率满足脉冲中子时间波形的测量要求、提供模拟触发apfi端口。同步采集时保证通道之间无串扰。
测试板上设置有测量待测三极管三端电流的三极管电流测量电路，该三极管电流测量电路必须满足条件：1)保证辐照前后待测三极管工作在放大状态；2)待测三极管发射极电流固定；3)保证脉冲辐照期间待测三极管的cb结始终处于反偏，be结始终处于正偏状态。
图3为脉冲辐照条件下测量npn型三极管三端电流的电流测量电路原理图，测量时，将待测三极管放置在辐照板上，将除待测三极管外的其他器件放置在测试板上，辐照板和测试板之间通过传输线(lemo)长线连接。测试板上三极管的发射极串联恒流二极管d2，保证发射极电流固定。vcc和vee由低压电源提供，作用是为待测三极管提供偏压，保证待测三极管的be结正偏，bc结反偏。rb、re和rc为采样电阻，vrb、vrc和vre通过同轴短传输线分别接入到数据采集卡的三个模拟输入通道上，从而利用数据采集卡测量rb两端的电压差vrb，re两端的电压差vre，rc两端的电压差vrc。分流二极管d1的正极与待测三极管的基极相连，分流二极管d1的负极与分压电阻rs的一端相连，分压电阻的另一端接由直流电源提供的偏压vss，
为了保证辐照期间三极管cb结反偏，be结正偏，上述偏压vss应不低于vee-iere-iγrs-vd2+vd1，且不高于vcc-(iγ+ic)rc-iγrs-vd2；其中：iγ代表辐照期间光电流的大小，vd2代表恒流二极管d2两端的电压差，vd1代表分流二极管d1两端的电压差，ic代表三极管的集电极电流，ie代表三极管的发射极电流。iγ在辐照前根据中子注量及其伴随γ的经验值进行预估，在辐照后根据分压电阻rs两端电压差vrs的实测值进行估算，估算方法为本领域已经公开的方法。
利用数据采集卡差分测量采样电阻rb、re和rc两端的电压，根据电压值和电阻值即可得到待测三极管三端电流。测量过程中数据采集卡处于单次触发状态，模拟输入通道设为差分输入，采样率和采样时间根据脉冲中子的时间行为确定，采样时间至少取为脉冲中子宽度的10倍，采样率至少设为脉冲中子上升沿长度倒数的5倍，触发信号设为apfi0，触发电平设为1.5v，触发沿设为下降沿。由于目前市面上大多数具有差分功能的数据采集卡的模拟输入通道的输入电压范围为±10v，为提供本发明的普适性，采样电阻rb、re、rc和分压电阻rs任一端的电压不超过10v，rb、re和、rc、rs两端的电压差小于等于10v。
计算机通过测试软件控制数据采集卡和示波器，完成配置、测量、保存等功能；测试软件包括控制数据采集卡的软件labviewsignalexpress和控制示波器的软件openchoice。
测量到各个时刻三极管三端电流值，就可以绘制出三极管三端电流随时间变化的波形，进一步就可以计算三极管退火效应曲线。在三极管的发射极电流固定情况下，三极管退火因子计算公式为：
上式中：
af为退火因子；ib(0)为初始时刻的三极管基极电流；ib(t)为t时刻的三极管基极电流，ib(∞)代表无穷长时间的三极管基极电流。实际中测量不到无穷长时间处的三极管基极电流，一般取脉冲中子辐照过后5到10分钟内的三极管基极电流。
退火效应测量实验验证：
利用本发明的测量系统在西安脉冲反应堆上测量三极管的退火效应曲线。西安脉冲反应堆上的脉冲中子和伴随γ在三极管中产生的光电流可以忽略，因此分压电阻rs和分流二极管d1在本次实验验证中不起作用。所采用测量电路的具体参数如下：vcc＝+10v，vee＝-10v，vss＝0v，rb＝10kω，re＝rc＝rs＝200ω，三极管的发射极电流固定为0.25ma。金刚石中子探测器的偏压为200v，示波器的型号为泰克公司生产的dpo40104，采样率设为5m/s，采样时间设为0.2s，触发位置设为10％。数据采集卡的型号为ni公司生产的usb6356，采样率设为1m/s，采样时间0.2s，差分输入模式，触发信号设为apfi0，触发电平设为1.5v，触发沿设为下降沿，触发位置设为10％。
在实验室无辐照条件下，利用安捷伦34410a电流表测量的电流值与采用本发明的测量系统得到的电流值误差在5％以内，说明本发明测量系统在无辐照条件测量电流结果是正确的。
图4为利用本发明的测量系统在西安脉冲反应堆上得到的三极管3dg130d的相应结果，其中图4中(a)为相对中子注量率的时间波形，图4中(b)、(c)、(d)分别为发射极、基极、集电极电流的时间波形。从图4中(b)可以看出，在脉冲中子辐照条件下，三极管的发射极电流基本保持不变，符合电路的预设条件。从图4中(c)可以看出，无辐照条件下，三极管的基极电流也基本不变，因此可以判断辐照条件下三极管基极电流的变化为辐照引起。
辐照结束5分钟后再重新测量三极管的基极电流ib＝4.1μa。
按照前述的退火因子计算公式计算退火因子，公式中的ib(∞)用辐照结束5分钟后测量得到的三极管基极电流代替，最终得到的退火曲线如图5所示。
根据三端电流也可以计算三极管放大倍数随时间的变化，由于三极管放大倍数倒数的变化与中子注量有线性关系，线性系数被称为少数载流子中子损伤常数，根据这一关系，就可以得到中子注量。因此，本发明也适用于辐射环境中中子注量的测量，具体方法为：
1)在中子注量已知的辐射场中测量三极管三端电流随中子注量的变化，根据电流计算发射极电流固定下的三极管放大倍数
2)对三极管进行高温退火后，放置于中子注量未知的辐射场中测量三极管三端电流变化；测量三端电流变化采用上述的电流测量方法实现；
3)根据步骤2)得到的三极管放大倍数的倒数随中子注量的变化和步骤1)得到的少数载流子中子损伤常数，计算出相应的中子注量。
从电流到中子注量的计算方法，可参照astm标准e1855-96。
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