第三十讲 单粒子效应与辐射测试 1

-- 单粒子翻转（SEU: Single Event Upsets ） -- 单粒子瞬变效应（SET: Single Event Transient）

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）
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单粒子烧毁(SEB)与单粒子门断裂( SEGR)

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，会发生单粒子烧毁事件;在特殊偏压下，重离子撞 击器件灵敏区的某些特殊位置时，会发生单粒子门断裂事件。1994年 8月3日发射的APEX卫星上(椭圆轨道，2544km、362km，70°倾角)， 研制了专门的装置，对两种不同额定电压的功率场效应管 (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 生的尖脉冲，记录了由重离子和质子引起的烧毁事件。 功率场效应管发生 SEB 或SEGR 是与它的工作模式 ( 偏压选择)、人射 粒子的角度和能量、选用的漏一源电压及温度有关。对SEB，它是由 离子撞击一个n-道功率场效应管产生能量沉积，使杂散双极节的晶体 管导通，负反馈作用使源-漏发生短路，导致器件烧毁。而SEGR，则 当功率场效应管在适当的偏压下，重离子在器件硅一氧化物界面产生 电荷，使通过门氧化物的电压足够高，会使局部门断裂。

CMOS/SOS (least susceptible) CMOS Standard bipolar Low power Schottky bipolar NMOS DRAMs (most susceptible)
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单粒子瞬变效应（SET）
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单粒子锁定(SEL: Single Event Latchup)



单粒子引起的锁定是由高能带电粒子穿过芯片灵敏区的一 些特殊路径时，会在P阱衬底结中沉积大量电荷，瞬时电 荷流动形成的电流，在P阱电阻上产生压降，使寄生n-p-n 晶体管的基--射极正偏而导通，当电流存在的时间足够长， 最终导致锁定发生。 一旦锁定发生，对系统危害是很大的。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的几十倍甚至于 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。 Kolasinski等人在1979年的地面测试中首次发现单粒子锁 定现象。
近代信息处理ngle Event Effect）





单粒子效应（ SEE, single event effect ）产生自单个高能粒子 （single, energetic particle）。 单粒子翻转（SEU, single event upset)产生的可能性由Wallmark and Marcus在1962年首次提出。 1975 年美国发现通信卫星的数字电路JK 触发器由于单个重核粒子 的作用被触发。 陆续发现陶瓷管壳所含的微量放射性同位素铀和钍放出的α粒子以 及宇宙射线中的高能中子、质子、电子等, 都能使集成电路产生单 粒子效应。 进一步的模拟试验和在轨卫星的测试证实: 几乎所有的集成电路都 能产生这种效应。

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重核粒子引起的单粒子效应
部分器件重粒子效应的试验结果
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高能质子引起的单粒子效应



宇宙射线中存在大量的高能质子，例如，地球 的内辐射带，其通量可达2×104/cm2· s以上。 质子由于阻塞能力很小，要在硅片中直接电离 的几率很低。质子主要是通过与硅原子反应来 沉积能量，引起单粒子效应。 质子与硅原子的核反应过程及其复杂，且随质 子的能量增加而增加，同样，产生软错误的截 面也增加。
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高能质子引起的单粒子效应
反应产生的 7 MeV 质子， 能够穿透约 400 um的硅片； 约 5.3 MeV 的 α 粒子能穿透 27 um的硅片；1 MeV的反 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的能量， 其中α粒子沉积能量最多， 产生约 2.8×106 个电子 —空 穴对，是高能质子产生单 粒子效应的主要原因。

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单粒子瞬变效应（SET）




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 器件及空间应用的光纤系统等。在高能粒子的作用下 此类器件会输出足以影响下级电路的瞬时脉冲。 使用加速器进行重离子、质子的照射后，记录到发生单粒 子瞬变的器件有比较器及光电耦合器等。这些器件的瞬时 变化导致其在不该有输出信号时却有了输出。 对比较器的实验是在BNL和TAM的回旋加速器（重离子） 和 ICUF （质子）加速器上进行的。实验显示在高能重离 子、质子作用下，比较器的输出会产生栅栏效应，脉冲幅 度高达26 V，持续时间1~4 us。 光耦合器由发光二极、光电二极管及跟随电路组成。光耦 合器的 SET 效应在 1997 年 2 月 14 日 SM-2 对 Hubble 空间望 远镜上安装的新仪器作调试服务时发现的。
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重核粒子引起的单粒子效应

在宇宙射线中，虽然重核粒子的数量及其有限，其强度约 为5×10-4/cm2· s，但由于具有很大的阻塞功，仍对宇航和 卫星中的LSI（Large Scale Integrated Circuits）电子系统 构成很大的威胁。
重核粒子以直线穿入硅片，由于库仑力的相互作用结果， 把能量传递给电子，带有不同能量的二次电子向不同方向 发射，经过几微米的距离后，形成电离区，如果此电离区 位于电子器件的灵敏区，就会产生单粒子扰动。
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半导体元件的辐照效应
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TID (总离子剂量效应)

TID是通过累积剂量引起器件参数的逐渐变化。 对于CMOS器件，TID效应会引起阈值电压的漂移、转换速率降低， 对于双极型器件，TID效应主要是降低元件的增益(晶体管的放大倍数)。 每一个半导体器件都有它的TID指标，即在它的特性显著变坏前所能 够承受的总吸收剂量，当辐照超过这个指标后，元件将出现永久性故 障。该指标用Rad (1克Si中吸收的辐照能量)来表示。 卫星电子学应用对电子设备的TID指标要求一般在10K Rad(Si)量级以 上，对于一般的元件(尤其是军工级或宇航级)这个指标通常都可以达 到，例如Xilinx 给出的Virtex-II QPro FPGA (航天级器件)的TID指标在 200 K Rad(Si), NS公司提供一个报告表明, 它的COTS系列产品TID 指标都在10K Rad(Si)以上。
30 MeV质子与硅原子发生的核反应过程
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高能中子引起的单粒子效应


核爆炸产生的聚变中子的能量达 14 MeV，可以引起单粒 子效应。 高能中子只有通过与硅原子的核反应产生沉积能量。主要 包括下列4中主要的核反应：

高能中子对于N-MOS动态RAM的损伤几率与质子相似。
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单粒子翻转（SEU）

单粒子翻转事件是指高能粒子撞击大规模集成电路的灵敏区，发生电 离反应或核反应，产生电荷沉积，当沉积的电荷足以改变储存单元的 逻辑状态时，就发生了单粒子翻转事件。这种改变一般不损坏器件， 只是储存单元的信息改变，仍可完成读写操作，称为软误差。

单粒子翻转主要发生在静、动态存储器(SRAM、DRAM)和CPU芯片 内的各类功能寄存器、存储器中。它使储存的信息改变了，这些改变 如发生在一些控制过程的中间运算时，可以导致控制失误，有时结果 是灾难性的。

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单粒子效应介绍



半导体元件的辐照效应 单粒子效应的概念 单粒子效应产生的机制 MOS器件的单粒子效应
-- MOSFET的结构 -- MOS存储器的结构 -- CMOS器件的单粒子效应产生的机理

单粒子效应的加固
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单粒子效应产生的机制

SEU主要由两种不同的空间辐射源导致： 1) 高能质子； 2) 宇宙射线，特别是太阳风和银河宇宙射线中重离子成分。
Schematic showing how galactic cosmic rays deposit energy in an electronic device
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空间粒子辐射环境





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。 银河宇宙射线是来自太阳系外的高能粒子，其主要成分是质子，还有 少量的He，Fe等重离子。 太阳宇宙射线是太阳耀斑爆发时释放的高能粒子流，其中绝大部分是 质子，也有少量重核，而不同时间其成分和强度都不同。 地 磁 捕 获 带 分 内 带 和 外 带 ， 其 高 度 分 别 为 500~10000km 和 13000~64000km 。其主要成分是质子，捕获的质子的通量随轨道高 度和倾角而变化。 在空间粒子环境的三种成分中，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的离子源，其100MeV的Fe核被认为代 表了空间环境中最恶劣的情况。
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高能中子引起的单粒子效应
引起16k动态RAM产生一个软错误的平均中子流(/cm2)
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单粒子翻转的Critical Charge

SEU 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 become worse as devices have evolved because of lower Critical charge due to small device dimensions, and large numbers of transistors per chip and overall complexity. Nichols ranks the susceptibility of current technologies to SEUs: