第三十讲单粒子效应与辐射测试.pptx

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1、第三十讲单粒子效应与辐射测试单粒子效应介绍n半导体元件得辐照效应半导体元件得辐照效应n单粒子效应得概念n单粒子效应产生得机制nMOS器件得单粒子效应-MOSFET得结构-MOS存储器得结构-CMOS器件得单粒子效应产生得机理n单粒子效应得加固近代信息处理 课件2半导体元件得辐照效应近代信息处理 课件3TID(总离子剂量效应)nTID就是通过累积剂量引起器件参数得逐渐变化。n对于CMOS器件,TID效应会引起阈值电压得漂移、转换速率降低,对于双极型器件,TID效应主要就是降低元件得增益(晶体管得放大倍数)。n每一个半导体器件都有她得TID指标,即在她得特性显著变坏前所能够承受得总吸收剂量,当辐照

2、超过这个指标后,元件将出现永久性故障。该指标用Rad(1克Si中吸收得辐照能量)来表示。n卫星电子学应用对电子设备得TID指标要求一般在10K Rad(Si)量级以上,对于一般得元件(尤其就是军工级或宇航级)这个指标通常都可以达到,例如Xilinx 给出得Virtex-II QPro FPGA(航天级器件)得TID指标在200 K Rad(Si),NS公司提供一个报告表明,她得COTS系列产品TID指标都在10K Rad(Si)以上。近代信息处理 课件4单粒子效应(Single Event Effect)n单粒子效应(SEE,single event effect)产生自单个高能粒子(sing

3、le,energetic particle)。n单粒子翻转(SEU,single event upset)产生得可能性由Wallmark and Marcus在1962年首次提出。n1975 年美国发现通信卫星得数字电路JK 触发器由于单个重核粒子得作用被触发。n陆续发现陶瓷管壳所含得微量放射性同位素铀和钍放出得粒子以及宇宙射线中得高能中子、质子、电子等,都能使集成电路产生单粒子效应。n进一步得模拟试验和在轨卫星得测试证实:几乎所有得集成电路都能产生这种效应。近代信息处理 课件5单粒子效应介绍n半导体元件得辐照效应n单粒子效应得概念单粒子效应得概念n单粒子效应产生得机制nMOS器件得单粒子效应

4、-MOSFET得结构-MOS存储器得结构-CMOS器件得单粒子效应产生得机理n单粒子效应得加固近代信息处理 课件6单粒子效应得分类n非破坏性得单粒子效应(Soft Error)-单粒子翻转(SEU:Single Event Upsets)-单粒子瞬变效应(SET:Single Event Transient)n灾难性单粒子效应(Hard Failure)-单粒子锁定(SEL:Single Event Latchup)-单粒子烧毁(SEB:Single Event Burnout)-单粒子门断裂(SEGR:Single Event Gate Rupture)近代信息处理 课件7单粒子翻转(SEU

5、)n单粒子翻转事件就是指高能粒子撞击大规模集成电路得灵敏区,发生电离反应或核反应,产生电荷沉积电荷沉积,当沉积得电荷足以改变改变储存单元得逻逻辑状态辑状态时,就发生了单粒子翻转事件。这种改变一般不损坏器件,只就是储存单元得信息改变,仍可完成读写操作,称为软误差。n单粒子翻转主要发生在静、动态存储器(SRAM、DRAM)和CPU芯片内得各类功能寄存器、存储器中。她使储存得信息改变了,这些改变如发生在一些控制过程得中间运算时,可以导致控制失误,有时结果就是灾难性得。近代信息处理 课件89单粒子翻转n从1975年提出单粒子翻转事件以来,国外已对此效应研究了20多年,在各类轨道得卫星上和各种加速器上进

6、行了多种芯片实验,研究SEU产生与器件材料、结构、制造工艺得关系,考查了其产生与空间环境、太阳活动和飞行器轨道得相关性。n我国在1994年2月8日发射得“实践4号”卫星上进行了第一次空间单粒子事件研究。星载得“静态单粒子翻转事件探测仪”测得了1 Mbit SRAM在轨道上每天约有3、5个单粒子事件得翻转率(3、510-6/bit per day)及其随L坐标得分布。近代信息处理 课件10单粒子瞬变效应(SET)n单粒子瞬变效应主要发生在线性电路中,如组合逻辑电路、I/O器件及空间应用得光纤系统等。在高能粒子得作用下此类器件会输出足以影响下级电路得瞬时脉冲。n使用加速器进行重离子、质子得照射后,

7、记录到发生单粒子瞬变得器件有比较器及光电耦合器等。这些器件得瞬时变化导致其在不该有输出信号时却有了输出。n对比较器得实验就是在BNL和TAM得回旋加速器(重离子)和ICUF(质子)加速器上进行得。实验显示在高能重离子、质子作用下,比较器得输出会产生栅栏效应,脉冲幅度高达26 V,持续时间14 us。n光耦合器由发光二极、光电二极管及跟随电路组成。光耦合器得SET效应在1997年2月14日SM-2对Hubble空间望远镜上安装得新仪器作调试服务时发现得。近代信息处理 课件11单粒子瞬变效应(SET)近代信息处理 课件12单粒子锁定(SEL:Single Event Latchup)n单粒子引起得

8、锁定就是由高能带电粒子穿过芯片灵敏区得一些特殊路径时,会在P阱衬底结中沉积大量电荷,瞬时电荷流动形成得电流,在P阱电阻上产生压降,使寄生n-p-n晶体管得基-射极正偏而导通,当电流存在得时间足够长,最终导致锁定发生。n一旦锁定发生,对系统危害就是很大得。因为在几十毫秒时间内,过芯片电流会骤增到正常工作电流得几十倍甚至于上百倍,在没有采取适当保护措施条件下,很容易烧毁芯片和系统。nKolasinski等人在1979年得地面测试中首次发现单粒子锁定现象。近代信息处理 课件13单粒子烧毁(SEB)与单粒子门断裂(SEGR)n在空间和地面加速器实验上都观察到了功率场效应管受重离子、高能质子、中子照射后

9、,会发生单粒子烧毁事件;在特殊偏压下,重离子撞击器件灵敏区得某些特殊位置时,会发生单粒子门断裂事件。1994年8月3日发射得APEX卫星上(椭圆轨道,2544km、362km,70倾角),研制了专门得装置,对两种不同额定电压得功率场效应管(2N6796、2N6798各12片)进行了单粒子烧毁事件实验。由监测和记录烧毁前产生得尖脉冲,记录了由重离子和质子引起得烧毁事件。n功率场效应管发生SEB或SEGR就是与她得工作模式(偏压选择)、人射粒子得角度和能量、选用得漏一源电压及温度有关。对SEB,她就是由离子撞击一个n-道功率场效应管产生能量沉积,使杂散双极节得晶体管导通,负反馈作用使源-漏发生短路

10、,导致器件烧毁。而SEGR,则当功率场效应管在适当得偏压下,重离子在器件硅一氧化物界面产生电荷,使通过门氧化物得电压足够高,会使局部门断裂。近代信息处理 课件14单粒子效应介绍n半导体元件得辐照效应n单粒子效应得概念n单粒子效应产生得机制单粒子效应产生得机制nMOS器件得单粒子效应-MOSFET得结构-MOS存储器得结构-CMOS器件得单粒子效应产生得机理n单粒子效应得加固近代信息处理 课件15单粒子效应产生得机制nSEU主要由两种不同得空间辐射源导致:1)高能质子;2)宇宙射线,特别就是太阳风和银河宇宙射线中重离子成分。Schematic showing how galactic cosmi

11、c rays deposit energy in an electronic device近代信息处理 课件16空间粒子辐射环境n空间粒子辐射环境主要由三部分组成:银河宇宙射线、太阳宇宙射线及地磁捕获粒子。粒子能量从几百keV到1010GeV。n银河宇宙射线就是来自太阳系外得高能粒子,其主要成分就是质子,还有少量得He,Fe等重离子。n太阳宇宙射线就是太阳耀斑爆发时释放得高能粒子流,其中绝大部分就是质子,也有少量重核,而不同时间其成分和强度都不同。n地磁捕获带分内带和外带,其高度分别为50010000km和1300064000km。其主要成分就是质子,捕获得质子得通量随轨道高度和倾角而变化。n

12、在空间粒子环境得三种成分中,银河宇宙射线因其能量高、难以屏蔽而成为引起单粒子效应最重要得离子源,其100MeV得Fe核被认为代表了空间环境中最恶劣得情况。近代信息处理 课件17重核粒子引起得单粒子效应n在宇宙射线中,虽然重核粒子得数量及其有限,其强度约为510-4/cm2s,但由于具有很大得阻塞功很大得阻塞功,仍对宇航和卫星中得LSI(Large Scale Integrated Circuits)电子系统构成很大得威胁。n重核粒子以直线穿入硅片,由于库仑力得相互作用结果,把能量传递给电子,带有不同能量得二次电子向不同方向发射,经过几微米得距离后,形成电离区,如果此电离区位于电子器件得灵敏区,

13、就会产生单粒子扰动。近代信息处理 课件18重核粒子引起得单粒子效应近代信息处理 课件19部分器件重粒子效应得试验结果高能质子引起得单粒子效应n宇宙射线中存在大量得高能质子,例如,地球得内辐射带,其通量可达2104/cm2s以上。n质子由于阻塞能力很小,要在硅片中直接电离得几率很低。质子主要就是通过通过与硅原子反应反应来沉积能量来沉积能量,引起单粒子效应。n质子与硅原子得核反应过程及其复杂,且随质子得能量增加而增加,同样,产生软错误得截面也增加。近代信息处理 课件20高能质子引起得单粒子效应近代信息处理 课件21反应产生得7 MeV质子,能够穿透约400 um得硅片;约5、3 MeV得粒子能穿透

14、27 um得硅片;1 MeV得反冲原子能穿透不到1 um。整个核反应过程能够在硅片中沉积约10 MeV得能量,其中粒子沉积能量最多,产生约2、8106个电子空穴对,就是高能质子产生单粒子效应得主要原因。30 MeV质子与硅原子发生得核反应过程高能中子引起得单粒子效应n核爆炸产生得聚变中子得能量达14 MeV,可以引起单粒子效应。n高能中子只有通过与硅原子得核反应产生沉积能量。主要包括下列4中主要得核反应:n高能中子对于N-MOS动态RAM得损伤几率与质子相似。近代信息处理 课件22高能中子引起得单粒子效应近代信息处理 课件23引起16k动态RAM产生一个软错误得平均中子流(/cm2)单粒子翻转

15、得Critical ChargenSEU was first observed in bipolar flip-flops in 1979、Original work in this area was treated with skepticism、SEU has emerged as one of the major issues for application of microelectronics in space、SEU effects have bee worse as devices have evolved because of lower Critical charge due

16、 to small device dimensions,and large numbers of transistors per chip and overall plexity、Nichols ranks the susceptibility of current technologies to SEUs:qCMOS/SOS(least susceptible)qCMOS qStandard bipolar qLow power Schottky bipolar qNMOS DRAMs(most susceptible)近代信息处理 课件24单粒子效应介绍n半导体元件得辐照效应n单粒子效应得概念n单粒子效应产生得机制nMOS器件得单粒子效应器件得单粒子效应-MOSFET得结构-MOS存储器得结构-CMOS器件得单粒子效应产生得机理n单粒子效应得加固近代信息处理 课件25CMOS器件得单粒子效应及加固nCMOS就是在PMOS和NMOS工艺基础上发展而来得。将NMOS器件和PMOS器件制作在同一硅衬底上,制成CMOS器件。nCMOS器件具有功耗底,速度快,抗干扰能力强,集成度高等优点。n