第26卷　第6期核电子学与探测技术
V ol.26　N o.6  2006年　11月Nuclear Electronics &Detection Technolo gy
N o v.　2006 
基于虚拟仪器的CM OS 器件脉冲总剂量
效应在线测试系统研制
罗尹虹，龚建成，姚志斌，郭红霞，张凤祁
(西北核技术研究所，陕西西安710024)
  摘要:
从效应研究的角度出发，利用L abv iew 软件，自行研制了基于PCI 插卡式虚拟仪器的CM O S 器件脉冲总剂量效应在线测试系统，详细介绍了其硬件结构和软件设计思想，利用该系统在“强光一号”辐射模拟装置上开展了试验验证，表明其原理和技术途径是可行的，基本掌握了开展CM O S 器件脉冲总剂量损伤以及时间关联退火响应研究的关键测试技术。
关键词:CM OS 器件；脉冲总剂量；测试系统L abv iew
中图分类号:　T N386.1  文献标识码:　A  　文章编号:　0258-0934(2006)06-0942-05
收稿日期:2005-06-21
作者简介：罗尹虹(1974—)，女，工程师，硕士，主要从事半导体器件辐射损伤效应和加固技术研究
  脉冲高剂量率、高总剂量辐射环境除可在
pn 结中产生瞬时光电流引起电子系统的瞬时扰动和永久性损伤，还会在器件的灵敏区造成俘获电荷的累积引起空间电荷场，干扰器件的正常运行和控制，引起器件的总剂量效应，这对于未进行抗电离总剂量加固的电子元器件，特别是CMOS /Si 工艺器件将造成十分严重的损伤。因此电子系统在脉冲辐射环境下不仅要考虑剂量率效应，还需要针对X 、γ射线总剂量效应，研究其相应的损伤机制和加固技术[1]。CM OS 器件脉冲总剂量效应实验国内目前还没有很好的测试手段。这是由于脉冲辐射环境下，器件的短期退火非常明显，涉及到各种物理过程的不同特征时间，具有复杂的时间关联，所以脉冲辐照后几m s 的器件响应非常重要，因此要求应用于脉冲总剂量效应实验的测试系统应能达到以下几点技术要求:1)CM OS 器件完整的电流-电压曲线测试，从中能够提取各种所关心的辐射敏感参数;2)系统应在脉冲辐照后快速响应，测量周期控制在m s ，保证对脉冲辐照后m s 级实验数据的获取，同时能在脉冲辐照后s 级时间范围内获取多个不同测试
时间点的数据，满足效应分析的需要;3)多通道
独立的数据采集，实验中要求一次脉冲能够辐照尽可能多的器件，建立多个独立的数据采集通道，实现多器件的同时在线测量;4)测量和偏置条件的自动转换，使测试时间尽可能短，远小于偏置时间，保障退火状态不受测试时间影响。这些都对测试系统的建立带来较大难度。基于以上考虑，自行研制了基于PCI 插卡式虚拟仪器的CMOS 器件脉冲总剂量效应在线测试系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果；利用强大的软件功能实现信号数据的运算、分析和处理；利用I /O 接口设备完成信号的采集、放大、模/数转换和调理，从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统[2]流程图转换为ns图
。PCI 总线是一种高性能的32/64位地址数据线复用的总线，完全兼容现有PC 机的软硬件能力，采用线性突发的数据传输模式，在各种需要高速传输信息的场合得到了广泛应用。本系统将两者有机结合，实现对CMOS 器件电流电压信号的实时、快速采集并进行数据的存储、波形显示以及各种后期处理。
1　硬件结构
1.1　设备与工作原理
CMOS 器件脉冲总剂量效应在线测试系统整个硬件结构包括PC 机、PCI 数据采集卡、
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接线屏蔽盒、电流放大器、模拟电子开关、稳压电源以及同步机，如图1所示。系统工作原理为:PIN 探测器测量的辐射脉冲波形信号或装置电流信号触发同步机，同步机输出信号上升沿触发数据采集卡自带的计数器，产生连续的宽度可调、占空比可调的脉冲序列信号，控制外围模拟电子开关动作，使开关在辐照、退火稳压偏置状态和测试状态之间进行切换。测试状态时，数据采集卡模拟输出通道产生的1m s 三角
波电压信号，应用到待测器件的输入端。器件电源电流通过电流放大器转换放大为电压信号接入模拟输入通道，被数据采集卡采集并记录。该系统脉冲辐照后20μs 即可采集并记录器件I -V 曲线，测试时间点可根据要求随意设置。数据存储后经过数据调用程序可进行数据的后期处理和分析。该系统具有快速响应和快速数据采集相结合的能力，并能根据电流放大器通道数对多个器件进行同时在线测量
。
图1　CM O S 器件脉冲总剂量效应在线测试系统框图
  系统中器件在测试状态时输入端应用的是电压具有重复性的三角波信号而非单一变化的斜波信号，主要考虑到稳压偏置和测试信号快速切换时，由于超过50m 的同轴电缆传输时自身电容充放电效应所带来的测试不稳定。1.2　各硬件设备参数指标1.2.1数据采集卡PCI -6259
测试系统中采用的是NI 公司新一代的M 系列多功能数据采集设备PCI -6259，它是一种性能优良，适合PC 机的数据采集卡，能够完成信号采集，数字信号的模拟输出以及定时、计数等功能。具有32个模拟量输入通道(对差分输入是16对模拟输入通道)，提供3种信号输入方式选项：单端无参考地输入、单端有参考地输入以及差分输入，输入分辨率16位，单通道最大采样率1.25MS /s ，多通道最大采样率1MS /s ;4个模拟量输出通道，输出分辨率16位，单通道输出速率2.86MS /s ，每通道均可对输出范围进行编程;2个32位的计数器、定时器，计数器时基80M H z ，提高了脉冲宽度和周期测量的精度，并能生成更高速的脉冲序列信号;6个DMA 通道数。通过内置NI -S TC 2系统控制器技术，单个M 系列DAQ 设备能高速地同时执行模拟输入、模拟输出、数字输入、数字输出和两个计数器/定时器所有6种操作，并能最大限度地降低潜在的数据损失或内存溢出
引发的错误；而且不占用PC 处理器，使它可以执行其他操作，如数据换算、分析和控制。本系统设计利用了数采卡模拟输入、模拟输出、一个计数器/定时器三种操作。
1.2.2模拟电子开关
模拟电子开关在系统中被使用主要用于实现待测器件测试状态和辐照退火偏置状态的快速切换，保证偏置时间不受测试时间的影响，以便数采卡对信号进行快速采集和处理。
本系统中采用的电子开关为M C14052B ,M C14052B 是摩托罗拉公司生产的双四选一模拟开关，可单电源和双电源供电，在单电源形式下，电压范围3～18V 。MC14052B 在V DD =10V 时，导通电阻180Ψ，远小于M OS 管栅-源间电阻；地址至信号输出的传输延迟时间160ns ，满足系统设计要求。
由于只测试系统需要对测试和偏置两种状态进行选通切换，因此对地址输入B 始终保持低电平，将地址输入A 与数采卡计数器连接，利用计数器产生的脉冲序列信号控制开关选通，高电平时数采卡模拟输出通道产生的三角波信号被选通，低电平时稳压偏置信号被选通。1.2.3电流放大器
CMOS 器件完整的电流-电压曲线包含nA 级电流信号，这些弱电流信号需要通过性能优良的弱电流放大器进行放大，才能被数据采集
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卡所采集；本系统采用的是四通道pA级弱电
流放大器，其技术指标为频率范围直流～10kH z；量程定义为输出1V时的输入电流，共9挡:10、100pA,1、10、100nA,1、10、100μA, 1mA，根据测量要求选择；输入阻抗10Ψ，输出阻抗<100Ψ。信号由Q9电缆插座输出。图2给出典型CM OS器件反相器应用电流放大器进行电流-电压曲线测试的示意图。
图2　反相器应用电流放大器进行
电流-电压曲线测试示意图
2　软件设计
2.1　设计流程
软件设计平台采用美国国家仪器公司的Labview，它是一种虚拟仪器图形编程语言，可用于进行数据采集控制、数据分析和数据表达，由它编写的一个完整的应用程序主要由仪器面板(前面板)和框图程序两部分组成。程序前面板是模拟真实仪表的界面，用户使用多种形象化的图标来组成前面板，用于设置输入数值和观察输出量。每一个前面板都有与之相对应的使用图形编程语言的框图程序，它类似于一台仪器的内部电路，完成循环控制、事件控制和算术控制等功能。
图3给出了利用Labview软件进行脉冲总剂量效应在线测试系统软件设计的流程图。该软件利用多个Ca
se分支选择结构、Sequence 顺序结构以及w hile loop循环结构来完成选择、循环判断以及控制程序的执行顺序，使用多个局部变量实现程序中多个位置对同一个前面板对象的访问，启用多个不同的子VI实现程序的调用和简化。
1)通过前面板控制界面按钮对程序中Case分支选择结构进行手动测量与自动测量的选择，如选择手动测量，程序利用计数器C TR1产生单脉冲信号，控制模拟输出通道输出三角波电压信号同时模拟输入通道进行单次采样。采样完毕后,
将采样的器件电源电流经
图3　CM O S器件脉冲总剂量效应在
线测试系统软件设计流程图
过电流放大器转换放大的电压数据通过数据转换子程序还原成电流数据，进行波形显示并以文本文件格式存入指定文件路径。
2)如果选择自动测量，程序通过Sequence 顺序结构完成整个测试过程。首先程序等待同步机输出的脉冲信号，利用脉冲信号上升沿触发测试程序，进行等间隔时间测量。根据采样设置和既定时间设置利用计数器C TR1产生脉冲序列信号，高电平时间宽度对应器件测试时间，低电平时间宽度对应器件退火偏置时间，利用该信号控制模拟输出通道产生输出三角波电压信号、完成电子开关稳压偏置与测试之间的切换并实现模拟输入通道的定时采样，采样数据以文本文件格式存入指定文件。该测试主要为了通过硬件定时来精确实现脉冲辐照后s 级内实验数据的测量获取。
3)规定时间内等间隔测试结束后，程序按照预先设定的时间数组，进行非等间隔时间测量。通过软件设计，利用w hile lo op循环结构通过条件判断在指定时间控制计数器CT R1产生单脉冲信号进行定时采样，采样数据进行转换存贮并进行波形的窗口显示。该测试子程序主要用于s级后较长退火时间范围内实验数据的测量获取。
4)测试结束后，调用数据处理子程序，可将每个测试时间点的实验数据从指定的存放文件中取出进行敏感电参数提取，并可将每个时间点的数据进行单独保存，便于进一步分析。
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2.2软件界面
图4显示的是CMOS 器件脉冲总剂量效应在线测试系统测试软件的控制界面。该界面设计友好，直观易懂，便于进行各种基本操作
。
图4　CM O S 器件脉冲总剂量效应在线
测试系统软件控制界面
软件界面主要分为5部分：界面上方为采集的电流电压曲线的实时显示窗口，窗口中的波形为脉冲后某一时间点采集的三角波电压信号和三个反相器的电源电流信号；界面窗口下方左侧为通道设置，通过
点击箭头可实现模拟输入通道的选择、量程的设定以及信号输入方式选择；窗口下方中侧为采样设置以及电流通道设置，可以设置采样率、信号频率、采样周期数以及通过指定通道将采集的电压值还原成电流值；窗口左侧为各种控制按钮，可以使系统处于在线监测、测试以及数据处理等多种状态；界面下方可以设定数据文件存放的路径、进行手动与自动测量的选择以及设定不同的测试时间点；界面最下方可进行模拟输出通道设定及产生波形的类型、幅值、频率、偏移、相位的设定。全部数据采集测试完毕后，可通过按动“查看数据”按钮调用数据处理软件界面对不同时间点采集的电流-电压曲线进行敏感电参数提取。
图5显示的就是CMOS 器件脉冲总剂量效应在线测试系统的数据处理界面。下面对界面中各个控件进行简单的描述。界面上方为数据存储文件调用路径；界面中间是脉冲辐照后某一指定退火时间点采集的电流电压曲线的显示窗口；界面下方左侧是采样率和信号频率的显示，以及脉冲后退火时间的设定；下方中侧可以进行电流通道选择，设定提取阈值电压的电流阈值，以及NMOS 、PM OS 相应的阈值电压以及静态功耗电流；下方左侧可以进行数据通
道的选择。某一时间点的数据调出以后，通过按动“保存数据”按钮可以对其进行单独保存；按动“返回”按钮回到控制界面
。
图5　CM OS 器件脉冲总剂量效应在线
测试系统软件数据处理界面
3　试验验证
3.1　系统试验验证
利用CM OS 器件脉冲总剂量效应在线测试系统，在“强光一号”辐射模拟装置上开展了长脉冲γ射线状态下系统的试验验证。采用双互补对加反相器4007　CD4007UBE 器件,Si 栅工艺。对其中的反相器结构进行效应研究，辐照和退火偏置状态相同:V DD =10V ,V SS =0V ,V G =10V 。系统利用模拟装置的二极管放电电流信号进行触发，脉冲辐照后20μs 开始测量，采集并记录脉冲辐照后20μs 至3000s 的电流-电压曲线，实验数据如图6所示
。
图6　CD4007UBE -反相器脉冲辐照后
不同退火时间的电流-电压曲线
从图6可以看出，该测试系统完整地测量了脉冲后m s 到s 的时间范围内多个时间点的
电流电压曲线。需要说明的是，该系统虽在脉冲辐照后20μs 启动测试任务，但由于系统测试周期1m s ，测试完毕一条完整的电流电压曲线来反映所关心的电参数变化实际在脉冲后1m s
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左右。因此，图中标注的脉冲辐照后第一次测试时间不是系统开始测试的时间，而是完成测试的时间。图6中脉冲辐照后1m s 的电流电压曲线向负方向发生了明显漂移，反相器N 管部分在s 级退火时间内向正方向发生一定程度的回漂，并在接下来3000s 的退火时间范围内不断正漂。可以认为该测试系统获取的实验数据能够反映脉冲总剂量对CMOS 器件造成的损伤以及脉冲后时间关联的退火响应，满足我们开展效应研究的需要
。
图7　两种测试系统对CD4007UBE -N
管测试结果比较
在“强光一号”辐射模拟装置上也利用H P4156半导体参数自动化在线测试系统对辐照前的CD4007UBE -N 管的电流电压曲线进行
测量，和脉冲总剂量效应在线测试系统的测量结果进行比较，如图7所示。从图7可看出，虽然H P4156半导体参数自动化在线测试系统测试周期2s ，而CM OS 器件脉冲总剂量测试系统
测试周期仅为1ms ，但两种系统测试数据结果符合很好，表明CMOS 器件脉冲总剂量效应系统在测试精度上满足测试要求。
3.2　系统技术指标
经多次验证，系统基本达到技术指标:1)脉冲辐照后20μs 系统快速响应;2)系统测试周期1m s ;3)秒级内多个测试时间点完整电流电压曲线的获取;4)多通道独立数据采集，实现多个器件在线测量;5)电流测量范围0.01～500μA ;6)对辐射敏感参数阈值电压的测量误差≤1%;7)快速数据处理，提取敏感参数。
4　结论
利用Labview 软件，自行研制了基于PCI 插卡式虚拟仪器的CMOS 器件脉冲总剂量效应在线测试系统，该系统具有快速响应、快速采集、在线测量等特点，人机界面设计友好，直观易懂。通过在“强光一号”脉冲辐射环境下开展
试验验证，表明其原理和技术途径是可行的，首次获得了CMOS 器件脉冲辐照后毫秒级完整的电流-电压曲线，为今后深入探索脉冲总剂量效应规律和损伤机理奠定了技术基础。
参考文献:
[1]Pey re D ,et al.Semi -pe rmanent effects induced by
an ionizing pulse in a M OS structure experimental and theore tical study [J ].IEEE T rans N ucl Sci ,1992,50(6):103.
[2]刘军华，等.基于L abview 的虚拟仪器设计[M ].北
京：电子工业出版社,2003.
Development of pulsed total dose effect in -circuit measuring
system on CMOS devices based on virtual instrument
LUO Yin -hong ,GONG Jian -cheng ,YAO Zhi -bin ,GUO H ong -xia ,ZHA NG Feng -qi
(N or thw est Institute o f N uclea r T echno lo gy ,Xi 'an of Shaanxi Pr ov.710024,China )
Abstract  Pulsed total dose effect on -line measuring syst em on CM OS devices based on PCI card virtual instrument is developed utilizing Labview sof tware f rom t he view point of effect study .Hardware st ruc -ture and sof tware desig n idea are int roduced in detail.T est validation is carried out on Qiangguang -Ⅰac -celerator by making use of this system.It has been proved that principle and t echnical approach are feasi -ble.Critical measuring t echnique of carrying out pulsed total dose damage ef fect and time -dependent an -nealing response study is basically mastered.
Key words :CM O S ;pulsed t otal dose ;measuring system ;Labview
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