第三十講單粒子效應(yīng)與輻射測試

第三十講單粒子效應(yīng)與輻射測試單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件得輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)得概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)制MOS器件得單粒子效應(yīng) --MOSFET得結(jié)構(gòu) --MOS存儲器得結(jié)構(gòu) --CMOS器件得單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)理單粒子效應(yīng)得加固近代信息處理課件2半導(dǎo)體元件得輻照效應(yīng)近代信息處理課件3TID(總離子劑量效應(yīng))TID就是通過累積劑量引起器件參數(shù)得逐漸變化。對于CMOS器件,TID效應(yīng)會引起閾值電壓得漂移、轉(zhuǎn)換速率降低,對于雙極型器件,TID效應(yīng)主要就是降低元件得增益(晶體管得放大倍數(shù))。每一個半導(dǎo)體器件都有她得TID指標(biāo),即在她得特性顯著變壞前所能夠承受得總吸收劑量,當(dāng)輻照超過這個指標(biāo)后,元件將出現(xiàn)永久性故障。該指標(biāo)用Rad(1克Si中吸收得輻照能量)來表示。衛(wèi)星電子學(xué)應(yīng)用對電子設(shè)備得TID指標(biāo)要求一般在10KRad(Si)量級以上,對于一般得元件(尤其就是軍工級或宇航級)這個指標(biāo)通常都可以達(dá)到,例如Xilinx給出得Virtex-IIQProFPGA(航天級器件)得TID指標(biāo)在200KRad(Si),NS公司提供一個報告表明,她得COTS系列產(chǎn)品TID指標(biāo)都在10KRad(Si)以上。近代信息處理課件4單粒子效應(yīng)(SingleEventEffect)單粒子效應(yīng)(SEE,singleeventeffect)產(chǎn)生自單個高能粒子(single,energeticparticle)。單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU,singleeventupset)產(chǎn)生得可能性由WallmarkandMarcus在1962年首次提出。1975年美國發(fā)現(xiàn)通信衛(wèi)星得數(shù)字電路JK觸發(fā)器由于單個重核粒子得作用被觸發(fā)。陸續(xù)發(fā)現(xiàn)陶瓷管殼所含得微量放射性同位素鈾和釷放出得α粒子以及宇宙射線中得高能中子、質(zhì)子、電子等,都能使集成電路產(chǎn)生單粒子效應(yīng)。進(jìn)一步得模擬試驗和在軌衛(wèi)星得測試證實:幾乎所有得集成電路都能產(chǎn)生這種效應(yīng)。近代信息處理課件5單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件得輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)得概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)制MOS器件得單粒子效應(yīng)

--MOSFET得結(jié)構(gòu) --MOS存儲器得結(jié)構(gòu) --CMOS器件得單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)理單粒子效應(yīng)得加固近代信息處理課件6單粒子效應(yīng)得分類非破壞性得單粒子效應(yīng)(SoftError) --單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU:SingleEventUpsets) --單粒子瞬變效應(yīng)(SET:SingleEventTransient)災(zāi)難性單粒子效應(yīng)(HardFailure) --單粒子鎖定(SEL:SingleEventLatchup) --單粒子燒毀(SEB:SingleEventBurnout) --單粒子門斷裂(SEGR:SingleEventGateRupture)近代信息處理課件7單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)單粒子翻轉(zhuǎn)事件就是指高能粒子撞擊大規(guī)模集成電路得靈敏區(qū),發(fā)生電離反應(yīng)或核反應(yīng),產(chǎn)生電荷沉積,當(dāng)沉積得電荷足以改變儲存單元得邏輯狀態(tài)時,就發(fā)生了單粒子翻轉(zhuǎn)事件。這種改變一般不損壞器件,只就是儲存單元得信息改變,仍可完成讀寫操作,稱為軟誤差。單粒子翻轉(zhuǎn)主要發(fā)生在靜、動態(tài)存儲器(SRAM、DRAM)和CPU芯片內(nèi)得各類功能寄存器、存儲器中。她使儲存得信息改變了,這些改變?nèi)绨l(fā)生在一些控制過程得中間運(yùn)算時,可以導(dǎo)致控制失誤,有時結(jié)果就是災(zāi)難性得。近代信息處理課件89大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流單粒子翻轉(zhuǎn)從1975年提出單粒子翻轉(zhuǎn)事件以來,國外已對此效應(yīng)研究了20多年,在各類軌道得衛(wèi)星上和各種加速器上進(jìn)行了多種芯片實驗,研究SEU產(chǎn)生與器件材料、結(jié)構(gòu)、制造工藝得關(guān)系,考查了其產(chǎn)生與空間環(huán)境、太陽活動和飛行器軌道得相關(guān)性。我國在1994年2月8日發(fā)射得“實踐4號”衛(wèi)星上進(jìn)行了第一次空間單粒子事件研究。星載得“靜態(tài)單粒子翻轉(zhuǎn)事件探測儀”測得了1MbitSRAM在軌道上每天約有3、5個單粒子事件得翻轉(zhuǎn)率(3、5×10-6/bitperday)及其隨L坐標(biāo)得分布。近代信息處理課件10單粒子瞬變效應(yīng)(SET)單粒子瞬變效應(yīng)主要發(fā)生在線性電路中,如組合邏輯電路、I/O器件及空間應(yīng)用得光纖系統(tǒng)等。在高能粒子得作用下此類器件會輸出足以影響下級電路得瞬時脈沖。使用加速器進(jìn)行重離子、質(zhì)子得照射后,記錄到發(fā)生單粒子瞬變得器件有比較器及光電耦合器等。這些器件得瞬時變化導(dǎo)致其在不該有輸出信號時卻有了輸出。對比較器得實驗就是在BNL和TAM得回旋加速器(重離子)和ICUF(質(zhì)子)加速器上進(jìn)行得。實驗顯示在高能重離子、質(zhì)子作用下,比較器得輸出會產(chǎn)生柵欄效應(yīng),脈沖幅度高達(dá)26V,持續(xù)時間1~4us。光耦合器由發(fā)光二極、光電二極管及跟隨電路組成。光耦合器得SET效應(yīng)在1997年2月14日SM-2對Hubble空間望遠(yuǎn)鏡上安裝得新儀器作調(diào)試服務(wù)時發(fā)現(xiàn)得。近代信息處理課件11單粒子瞬變效應(yīng)(SET)近代信息處理課件12單粒子鎖定(SEL:SingleEventLatchup)單粒子引起得鎖定就是由高能帶電粒子穿過芯片靈敏區(qū)得一些特殊路徑時,會在P阱襯底結(jié)中沉積大量電荷,瞬時電荷流動形成得電流,在P阱電阻上產(chǎn)生壓降,使寄生n-p-n晶體管得基--射極正偏而導(dǎo)通,當(dāng)電流存在得時間足夠長,最終導(dǎo)致鎖定發(fā)生。一旦鎖定發(fā)生,對系統(tǒng)危害就是很大得。因為在幾十毫秒時間內(nèi),過芯片電流會驟增到正常工作電流得幾十倍甚至于上百倍,在沒有采取適當(dāng)保護(hù)措施條件下,很容易燒毀芯片和系統(tǒng)。Kolasinski等人在1979年得地面測試中首次發(fā)現(xiàn)單粒子鎖定現(xiàn)象。近代信息處理課件13單粒子燒毀(SEB)與單粒子門斷裂(SEGR)在空間和地面加速器實驗上都觀察到了功率場效應(yīng)管受重離子、高能質(zhì)子、中子照射后,會發(fā)生單粒子燒毀事件;在特殊偏壓下,重離子撞擊器件靈敏區(qū)得某些特殊位置時,會發(fā)生單粒子門斷裂事件。1994年8月3日發(fā)射得APEX衛(wèi)星上(橢圓軌道,2544km、362km,70°傾角),研制了專門得裝置,對兩種不同額定電壓得功率場效應(yīng)管(2N6796、2N6798各12片)進(jìn)行了單粒子燒毀事件實驗。由監(jiān)測和記錄燒毀前產(chǎn)生得尖脈沖,記錄了由重離子和質(zhì)子引起得燒毀事件。功率場效應(yīng)管發(fā)生SEB或SEGR就是與她得工作模式(偏壓選擇)、人射粒子得角度和能量、選用得漏一源電壓及溫度有關(guān)。對SEB,她就是由離子撞擊一個n-道功率場效應(yīng)管產(chǎn)生能量沉積,使雜散雙極節(jié)得晶體管導(dǎo)通,負(fù)反饋作用使源-漏發(fā)生短路,導(dǎo)致器件燒毀。而SEGR,則當(dāng)功率場效應(yīng)管在適當(dāng)?shù)闷珘合?重離子在器件硅一氧化物界面產(chǎn)生電荷,使通過門氧化物得電壓足夠高,會使局部門斷裂。近代信息處理課件14單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件得輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)得概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)制MOS器件得單粒子效應(yīng)

--MOSFET得結(jié)構(gòu) --MOS存儲器得結(jié)構(gòu) --CMOS器件得單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)理單粒子效應(yīng)得加固近代信息處理課件15單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)制SEU主要由兩種不同得空間輻射源導(dǎo)致: 1) 高能質(zhì)子; 2) 宇宙射線,特別就是太陽風(fēng)和銀河宇宙射線中重離子成分。

Schematicshowinghowgalacticcosmicraysdepositenergyinanelectronicdevice

近代信息處理課件16空間粒子輻射環(huán)境空間粒子輻射環(huán)境主要由三部分組成:銀河宇宙射線、太陽宇宙射線及地磁捕獲粒子。粒子能量從幾百keV到1010GeV。銀河宇宙射線就是來自太陽系外得高能粒子,其主要成分就是質(zhì)子,還有少量得He,Fe等重離子。太陽宇宙射線就是太陽耀斑爆發(fā)時釋放得高能粒子流,其中絕大部分就是質(zhì)子,也有少量重核,而不同時間其成分和強(qiáng)度都不同。地磁捕獲帶分內(nèi)帶和外帶,其高度分別為500~10000km和13000~64000km。其主要成分就是質(zhì)子,捕獲得質(zhì)子得通量隨軌道高度和傾角而變化。在空間粒子環(huán)境得三種成分中,銀河宇宙射線因其能量高、難以屏蔽而成為引起單粒子效應(yīng)最重要得離子源,其100MeV得Fe核被認(rèn)為代表了空間環(huán)境中最惡劣得情況。近代信息處理課件17重核粒子引起得單粒子效應(yīng)在宇宙射線中,雖然重核粒子得數(shù)量及其有限,其強(qiáng)度約為5×10-4/cm2·s,但由于具有很大得阻塞功,仍對宇航和衛(wèi)星中得LSI(LargeScaleIntegratedCircuits)電子系統(tǒng)構(gòu)成很大得威脅。重核粒子以直線穿入硅片,由于庫侖力得相互作用結(jié)果,把能量傳遞給電子,帶有不同能量得二次電子向不同方向發(fā)射,經(jīng)過幾微米得距離后,形成電離區(qū),如果此電離區(qū)位于電子器件得靈敏區(qū),就會產(chǎn)生單粒子擾動。近代信息處理課件18重核粒子引起得單粒子效應(yīng)近代信息處理課件19部分器件重粒子效應(yīng)得試驗結(jié)果高能質(zhì)子引起得單粒子效應(yīng)宇宙射線中存在大量得高能質(zhì)子,例如,地球得內(nèi)輻射帶,其通量可達(dá)2×104/cm2·s以上。質(zhì)子由于阻塞能力很小,要在硅片中直接電離得幾率很低。質(zhì)子主要就是通過與硅原子反應(yīng)來沉積能量,引起單粒子效應(yīng)。質(zhì)子與硅原子得核反應(yīng)過程及其復(fù)雜,且隨質(zhì)子得能量增加而增加,同樣,產(chǎn)生軟錯誤得截面也增加。近代信息處理課件20高能質(zhì)子引起得單粒子效應(yīng)近代信息處理課件21反應(yīng)產(chǎn)生得7MeV質(zhì)子,能夠穿透約400um得硅片;約5、3MeV得α粒子能穿透27um得硅片;1MeV得反沖原子能穿透不到1um。整個核反應(yīng)過程能夠在硅片中沉積約10MeV得能量,其中α粒子沉積能量最多,產(chǎn)生約2、8×106個電子—空穴對,就是高能質(zhì)子產(chǎn)生單粒子效應(yīng)得主要原因。30MeV質(zhì)子與硅原子發(fā)生得核反應(yīng)過程高能中子引起得單粒子效應(yīng)核爆炸產(chǎn)生得聚變中子得能量達(dá)14MeV,可以引起單粒子效應(yīng)。高能中子只有通過與硅原子得核反應(yīng)產(chǎn)生沉積能量。主要包括下列4中主要得核反應(yīng):高能中子對于N-MOS動態(tài)RAM得損傷幾率與質(zhì)子相似。近代信息處理課件22高能中子引起得單粒子效應(yīng)近代信息處理課件23引起16k動態(tài)RAM產(chǎn)生一個軟錯誤得平均中子流(/cm2)單粒子翻轉(zhuǎn)得CriticalChargeSEUwasfirstobservedinbipolarflip-flopsin1979、Originalworkinthisareawastreatedwithskepticism、SEUhasemergedasoneofthemajorissuesforapplicationofmicroelectronicsinspace、SEUeffectshavebeeworseasdeviceshaveevolvedbecauseoflowerCriticalchargeduetosmalldevicedimensions,andlargenumbersoftransistorsperchipandoverallplexity、NicholsranksthesusceptibilityofcurrenttechnologiestoSEUs:CMOS/SOS(leastsusceptible)CMOSStandardbipolarLowpowerSchottkybipolarNMOSDRAMs(mostsusceptible)近代信息處理課件24單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件得輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)得概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)制MOS器件得單粒子效應(yīng)

--MOSFET得結(jié)構(gòu) --MOS存儲器得結(jié)構(gòu) --CMOS器件得單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)理單粒子效應(yīng)得加固近代信息處理課件25CMOS器件得單粒子效應(yīng)及加固CMOS就是在PMOS和NMOS工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來得。將NMOS器件和PMOS器件制作在同一硅襯底上,制成CMOS器件。CMOS器件具有功耗底,速度快,抗干擾能力強(qiáng),集成度高等優(yōu)點(diǎn)。未加固得CMOS器件抗單粒子能力為中下水平,經(jīng)抗單粒子加固后,成為抗單粒子能力最好得器件之一。近代信息處理課件26單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件得輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)得概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)制MOS器件得單粒子效應(yīng)

--MOSFET得結(jié)構(gòu) --MOS存儲器得結(jié)構(gòu) --CMOS器件得單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)理單粒子效應(yīng)得加固近代信息處理課件27場效應(yīng)管--FETBJT就是一種電流控制元件(iB

iC),工作時,多數(shù)載流子和少

數(shù)載流子都參與運(yùn)行,所以被稱為雙極型器件。場效應(yīng)管(FieldEffectTransistor,簡稱:FET)就是一種電壓控制器件(uGS～iD),工作時,只有一種載流子參與導(dǎo)電,因而稱其為單極型器件。FET因其制造工藝簡單,功耗小,溫度特性好,輸入電阻極高等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛應(yīng)用,特別就是在集成電路方面。近代信息處理課件28增強(qiáng)型耗盡型N溝道P溝道N溝道P溝道N溝道P溝道FET分類：

金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管結(jié)型場效應(yīng)管得結(jié)構(gòu)近代信息處理課件29MOSFET得結(jié)構(gòu)近代信息處理課件30PMOS與CMOS結(jié)構(gòu)近代信息處理課件31MOS管基本工作原理近代信息處理課件32導(dǎo)電溝道得形成D,S短路,G,S上加正向電壓

(VDS=0;VGS>0)柵極與P型襯底之間象一個平行板電容器。

絕緣層兩邊,柵極感應(yīng)正電荷,P型一邊

感應(yīng)負(fù)電荷。

負(fù)電荷一開始會與P型中得空穴(多子)

中和,形成耗盡層。所以,當(dāng)VGS較小

時,沒有電流。

當(dāng)VGS>VGS(th)時,除了耗盡層外,負(fù)

電荷(P區(qū)得少數(shù)載流子)在靠近絕緣層

處形成一個N型薄層,即反型層。 VGS(th):開啟電壓

反型層成為D,S間得導(dǎo)電溝道,并受VGS

控制。但由于VDS=0,D,S之間并沒有

電流產(chǎn)生。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系趙雷33AlVGSPN結(jié)漏,源極(D,S)之間電壓得影響在D,S之間加正電壓(VDS>0),iD產(chǎn)生中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系趙雷34(a)D上得正電壓會削弱珊級上得正電壓?？拷麯一側(cè)得導(dǎo)電溝道變窄。(b)當(dāng)使VDS

,溝道會在D一側(cè)繼續(xù)變窄。(c)當(dāng)VDS

到VGD=VGS(th),溝道上會出現(xiàn)預(yù)夾斷。再繼續(xù)增加VDS,夾斷層只就是稍為加長。溝道電流基本保持在預(yù)夾斷時得數(shù)值。開啟電壓VTMOS管基本工作原理近代信息處理課件35單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件得輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)得概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)制MOS器件得單粒子效應(yīng)

--MOSFET得結(jié)構(gòu) --MOS存儲器得結(jié)構(gòu) --CMOS器件得單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)理單粒子效應(yīng)得加固近代信息處理課件36MOS存儲器近代信息處理課件37ROM: Read-OnlyMemoryPROM: ProgrammableROMEPROM: ErasablePROMUVEPROM:Ultra-VioletEPROME2PROM:ElectricallyEPROMRAM: RandomAccessMemorySRAM: StaticRAMDRAM: DynamicRAM基于MOS技術(shù)得ROM基本結(jié)構(gòu)近代信息處理課件38地址數(shù)據(jù)A1A0D3D2D1D0000110110101101101001110近代信息處理課件39SRAMDRAM

使用靈活,方便,容易控制。

速度快。

數(shù)據(jù)得易失性,斷電后不能保存

使用較多得晶體管,電路復(fù)雜,集成度相對低。

功耗大。

控制復(fù)雜,需刷新控制。

速度慢。

數(shù)據(jù)得易失性,斷電后不能保存。

使用較少得晶體管,電路簡單,集成度相對高。

功耗小。RAM存儲器得分類及特點(diǎn)SRAM基本結(jié)構(gòu)近代信息處理課件40SRAM基本結(jié)構(gòu)單元近代信息處理課件41六管NMOS靜態(tài)存儲單元六管CMOS靜態(tài)存儲單元基本SR鎖存器基本SR鎖存器近代信息處理課件42由兩個或非門電路加交叉反饋構(gòu)成輸出:互補(bǔ)得Q和/Q

--當(dāng)Q=1,/Q=0時,稱為“1”--當(dāng)Q=0,/Q=1時,稱為“0”輸入:S、R邏輯圖邏輯表達(dá)式SRQ/Q011000110110

不變不變

00S:(Set):置1端,置位R:(Reset):置0端,復(fù)位邏輯符號電路結(jié)構(gòu)SRAM基本結(jié)構(gòu)單元近代信息處理課件43六管NMOS靜態(tài)存儲單元六管CMOS靜態(tài)存儲單元基本SR鎖存器DRAM存儲單元近代信息處理課件444管、3管及單管RAM存儲單元單粒子效應(yīng)介紹半導(dǎo)體元件得輻照效應(yīng)單粒子效應(yīng)得概念單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)制MOS器件得單粒子效應(yīng)

--MOSFET得結(jié)構(gòu) --MOS存儲器得結(jié)構(gòu) --CMOS器件得單粒子效應(yīng)產(chǎn)生得機(jī)理單粒子效應(yīng)得加固近代信息處理課件45CMOS器件得單粒子擾動近代信息處理課件46CMOSSRAM離子實驗得

擾動模型驗證數(shù)據(jù)近代信息處理課件47隨著離子注入能量得增大,單粒子擾動得飽和截面增大CMOS器件得單粒子閉鎖(SEL)近代信息處理課件48RsRwP阱得CMOS反相器截面寄生得pnpn結(jié)構(gòu)等效電路SDDS寄生得pnpn4層結(jié)構(gòu):P溝道源區(qū)P+--n襯底–P阱–n溝道得源區(qū)N+RwRs單粒子鎖閉得敏感區(qū)近代信息處