Page 82 - 《真空与低温》2025年第5期

陈益峰等：深层放电脉冲特征模拟及对 MOS 器件损伤试验 621

电流幅值为数安培至百安培量级。根据深层放电 发生器充电电压在 1～10 kV 变化时，经 RLC 电路
脉冲特征，需将 ESD 发生器的脉冲电流下降一个 优化后的放电脉冲电流最大幅值为 1.5～15.8 A，且
数量级，因此电阻 R 的阻值取 2 000 Ω。图 2 中电 电流幅值与 ESD 发生器充电电压呈很好的线性变
容和电感的组合主要利用电容中电场能与电感中 化关系，因此可用于深层放电对电子器件损伤的测
磁场能相互转换的功能，实现脉冲波形调节和持续 试试验和定量分析。
时间延长，其中电容用于调整脉冲的振荡衰减时间，
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为 500 pF。电感主要用于增加脉冲的振荡特征，感
14
值为 3 μH。 12
E1200A 型 ESD 发生器的充电电压范围为 1～ 10
30 kV。当充电电压为 1 kV 时， ESD 发生器直接产 脉冲电流幅值/A 8
生的放电脉冲波形如图 3（a）所示。由图 3（a）可以 6
看出 ESD 发生器产生的脉冲最大电流幅值约为 4
7.5 A，周期约为 250 ns。将 RLC 电路中的电阻设 2
为 2 000 Ω，电容设为 500 pF，电感设为 3 μH，并将 0
0 2 4 6 8 10
ESD 发生器充电电压调节为 1 kV，ESD 发生器产 ESD发生器充电电压/kV
生的放电经 RLC 电路优化后的脉冲波形如图 3（b）
图 4 ESD 发生器产生不同充电电压时，经 RLC 电路
所示。从图 3 可知经 RLC 电路优化后，放电脉冲
优化后放电脉冲电流幅值
的电流幅值由 7.5 A 下降为 1.5 A 左右，持续时间
Fig. 4 The current of discharge pulse generated by RLC circuit
由 250 ns 增加为 1 μs 左右，波形也由线性衰减转变 under different charging voltages of ESD generator
为振荡衰减。由此可见，优化后脉冲的波形、电流
幅值、持续时间等参数均符合深层放电的特征，从 2 深层放电脉冲对 MOS 器件损伤试验
而实现了深层放电脉冲的有效模拟。 卫星中采用的电子器件种类繁多，覆盖电源、

10 10 通信、控制、数据处理、姿态调节、热管理等多个系

9 统。MOS 结构具有输入阻抗高、导通电阻低、开关
8 8
速度快、功耗低、性能稳定等特点，在现代电子器
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件中占据绝对主导地位，应用比例超过 95% [22-23] 。
6
脉冲电流/A 5 4 脉冲电流/A 6 4 因此 目前卫星采用的器件大多为集成器件。考虑
结构是受深层放电影响最大的器件结构。
MOS
2 3 2 到集成器件结构和工况复杂，较难直接研究其损伤
1 机制，因此选取集成器件中应用最广泛的 MOS 器
0 0 器件的工作原理是通过改变
−1 件为测试对象。MOS
−2 −2 栅极 G 的电压来控制源极 S 和漏极 D 之间的导
−2 −1 0 1 2 −2 −1 0 1 2 电沟道，从而实现 极与 极之间电流的控制。
时间/µs 时间/µs S D
（a）ESD发生器直接产生的 （b）经RLC电路优化后的 试 验 选 用的 MOS 器 件 为 N 沟 道 增 强 型 MOS 管
放电脉冲 脉冲
（IRF3205），该器件常用于需要高效开关和高电流
图 3 ESD 发生器直接产生的放电脉冲与经 RLC 电路 处 理 的 场 合， 具 备 良 好 的 热 性 能 和 可 靠 性 ， 在
优化后脉冲的波形比较图 MOSFET 应用中具有较好的代表性。
Fig. 3 Comparison of discharge pulses waveforms generated 深层放电脉冲对 MOS 器件损伤试验的测试
by ESD generator and RLC circuit 装置如图 5 所示。试验中首先断开开关 K，利用直

调节 ESD 发生器的充电电压，由 1 kV 增加至 流电源 DC 通过限流电阻 R（1 kΩ）在 MOS 器件 D
10 kV，增加步进为 1 kV，并利用电流探头和示波器 极施加 10 V 电压。试验采用信号发生器产生频率
测试每个充电电压所对应的放电脉冲最大电流幅 为 10 kHz、幅值为 5 V 的方波信号加于 G 极，并利
值，测试结果如图 4 所示。由图 4 可以看出 ESD 用示波器监测通过 S 极的输出信号，测试结果如