单粒子翻转，什么是单粒子栅穿Single Event Gate Rupture
来源：整理 编辑：智能门户 2023-09-06 02:24:30
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1，什么是单粒子栅穿Single Event Gate Rupture
单粒子效应是指单个高能粒子穿过微电子器件的灵敏区时造成器件状态的非正常改变的一种辐射效应，包括单粒子翻转、单粒子锁定、单粒子烧毁、单粒子栅击穿等。 单粒子栅穿（Single event gate rupture） 单粒子栅穿，是指在功率MOSFETs器件中，单粒子导致在栅氧化物中形成导电路径的破坏性的烧毁。单粒子栅穿,是指在功率MOSFETs器件中,单粒子导致在栅氧化物中形成导电路径的破坏性的烧毁。再看看别人怎么说的。
2，什么是单粒子翻转Single event upset
单粒子翻转是单个高能粒子作用于半导体器件,引发器件的逻辑状态发生异常变化。单粒子翻转是空间辐射造成的多种单粒子效应中最常见和最典型的一种,主要发生在数据存储或指令相关器件中。单粒子翻转造成的器件错误属“软错误”,即通过系统复位、重新加电或重新写入能够恢复到正常状态。航天器抗单粒子效应设计的主要途径是采用检错纠错码技术,即通过软件或硬件设计,发现单粒子翻转错误并纠正它,使之不会对航天器系统造成进一步更严重,乃至致命的错误。
3，单粒子效应的成因
单个空间高能带电粒子击中微电子器件灵敏部位,由于电离作用产生额外电荷,使器件逻辑状态改变、功能受到干扰或失效等。造成航天器器件单粒子效应的高能带电粒子主要是高能质子和高能重离子。单粒子效应种类很多,主要有单粒子翻转、单粒子锁定和单粒子烧毁、单粒子栅击穿等。单粒子翻转是单个高能粒子作用于半导体期间,引发器件的逻辑状态发生异常变化。单粒子锁定,是单粒子效应的一种,单粒子入射产生的瞬态电流会导致设备功能性损坏。单粒子烧毁是场效应管漏极-源极局部烧毁,属于破坏性效应。单粒子栅穿,是指在功率mosfets器件中,单粒子导致在栅氧化物中形成导电路径的破坏性的烧毁。
4，单粒子效应的研究历史
单粒子效应,顾名思义,是由单个的高能粒子引起的。单粒子翻转的假设首先是由Wallmark and Marcus在1962年提出的。而第一次被观测到的卫星异常,是由Binder et al.在1975年报告的。May and Woods观测到由α粒子引起的软错误,他们研究中的α粒子不是来自行星际空间中的,而是从集成电路的封装材料中痕量级（ppm）的铀和钍的自然衰变中来的。单粒子效应种类很多,主要有单粒子翻转、单粒子锁定和单粒子烧毁、单粒子栅击穿等。单粒子翻转是单个高能粒子作用于半导体期间,引发器件的逻辑状态发生异常变化。单粒子锁定,是单粒子效应的一种,单粒子入射产生的瞬态电流会导致设备功能性损坏。单粒子烧毁是场效应管漏极-源极局部烧毁,属于破坏性效应。单粒子栅穿,是指在功率mosfets器件中,单粒子导致在栅氧化物中形成导电路径的破坏性的烧毁。
5，单粒子效应的危害
由于现在的卫星日益复杂,高性能的微电子器件被大量应用在卫星系统中,单粒子效应的危害十分严重,当它造成航天器控制系统的逻辑混乱时,可能造成灾难性后果。在历次的强太阳风暴期间都有多颗卫星由于单粒子效应而出现异常和故障,例如,在2003年万圣节事件期间,太阳质子事件曾经导致地球同步轨道卫星Inmarsat中的一颗卫星由于CPU瘫痪而失效,美国SOHO、ACE、Wind、Polar、GOES等科学卫星数据丢失或损坏。单粒子效应是继等离子体充电效应之后又一威胁航天器安全的主要空间环境效应,而且随着航天器系统复杂程度和器件集成度越来越高,单粒子效应的危害会更加严重。空间辐射环境下，高能电子容易在航天器外围介质材料内部或穿过航天器屏蔽层在其内部的介质材料上沉积。 当这些介质材料表面与周围其他部件的电位差或者材料内部沉积电荷产生的电场超过一定阈值时会发生放电现象，即深层充放电效应。介质的深层充放电效应可以影响材料的绝缘性能，产生的放电脉冲会干扰航天器上电子仪器的正常工作，严重时会使航天器发生故障。 空间辐射对电子学系统的辐射破坏主要有电离效应和位移损伤。电离效应又包括总剂量电离损伤和单粒子效应。总剂量电离损伤可使半导体电导率发生变化, 漏电流的增加和时间响应的变坏等, 表面器件以总剂量电离损伤为主。单粒子效应see (single even t effect) 是粒子辐射的另一类电离效应。当高能重离子穿过半导体存储器的灵敏体积时, 它在单位距离上产生很高的电离密度, 有可能产生足够的电荷使存储态翻转, 导致存储信息的错误, 这就是所谓的单粒子扰动seu (single even t up set) , 有时也称之为软错误, 这类错误可以通过程序重写等方法进行改正, 但无疑对计算机系统性能降低或失灵存在潜在威胁。还有另一类称之为硬错误的单粒子效应, 硬错误包括单粒子烧毁seb (single even tbu rnou t) 和单粒子锁闭sel (single even tlatchup ) 等, 除非电路电源电流有限, 这类错误的发生将导致半导体器件物理上的永久性破坏。
6，宇航级CPU有何技术难点
CPU在太空中要面临恶劣的工作环境 宇航级CPU构成了人造卫星的大脑，为了能在星际空间这样的恶劣条件下工作，不仅要应对极端苛刻的高温和低温，还要能应对无处不在的宇宙辐射。 在太空环境中，物体的温度取决于太阳的光照，由于不存在空气散热，受光面和被光面温差非常大。以轨道高度为300至400km的轨道的温度为例，受光面温度约为150℃，背光面温度约为-127℃，温差约为300℃。因此，美国的航天飞机舱外航天服的耐温阈值为：高温149摄氏度，低温-184.4摄氏度。 在太空环境中，宇宙辐射是不可避免的，而宇宙辐射恰恰会对CPU造成损坏。微电子器件中的数字和模拟集成电路的辐射效应一般分为总剂量效应（TID）、单粒子效应（SEE）和剂量率（Dose Rate）效应。 总剂量效应源于由γ光子、质子和中子照射所引发的氧化层电荷陷阱或位移破坏，包括漏电流增加、MOSFET阈值漂移，以及双极晶体管的增益衰减。 SEE是由辐射环境中的高能粒子（质子、中子、α粒子和其他重离子）轰击微电子电路的敏感区引发的。在p－n结两端产生电荷的单粒子效应，可引发 软误差、电路闭锁或元件烧毁。SEE中的单粒子翻转会导致电路节点的逻辑状态发生翻转。 剂量率效应是由甚高速率的γ或X射线，在极短时间内作用于电路，并在整个电路内产生光电流引发的，可导致闭锁、烧毁和轨电压坍塌等破坏。上述情况都会导致芯片损毁。 正是因此，商业级、工业级、军品级、宇航级CPU有着不同标准。由于各种测试非常多，数据指标也非常细，这里仅就工作温度做罗列： 商业级CPU的工作温度为0℃～70℃。 工业级CPU的工作温度为-40℃～85℃。 军品级CPU的工作温度为-55℃～125℃。 宇航级CPU不仅在工作温度上有着不亚于军品级CPU的水准，而且还有抗辐射等方面的要求。如何做到抗辐射 对于应对高温和低温，主要是将电路的时序冗余加大，并降低功耗。本文重点说说如何实现抗辐射。有人说，抗辐射技术不就是给芯片加一个抗辐射封装么？这有什么难的。 其实封装对芯片的保护是有限的，高能粒子流可以打穿芯片的封装材料，进入芯片内部对芯片造成破坏。 抗辐射加固主要有设计和工艺两种加固技术，或者根据需要组合使用这两种技术。 从广义上讲，抗辐射加固设计包括材料设计、系统设计、结构设计、电路设计、器件设计、封装设计、软件设计等。从狭义上讲，一般是指采用电路设计和版图设计减轻电离辐射破坏的方法。 工艺加固是用特殊的工艺进行抗辐射加固的技术。工艺步骤可以是制造商或军方专有的，也可以是以加固为目的将特殊的工艺步骤加入到标准制造商的晶圆制造工艺中去。抗辐射加固工艺技术具有高度的专业化属性和很高的复杂性。 从系统、结构、电路、器件级的设计技术方面进行抗辐射加固设计可以采用以下方式进行抗辐射加固设计： 一是采用多级别冗余的方法减轻辐射破坏，这些级别分为元件级、板级、系统级和飞行器级。 二是采用冗余或加倍结构元件（如三模块冗余）的逻辑电路设计方法，即投票电路根据最少两位的投票确定输出逻辑。 三是采用电路设计和版图设计以减轻电离辐射破坏的方法。即采用隔离、补偿或校正、去耦等电路技术，以及掺杂阱和隔离槽芯片布局设计； 四是加入误差检测和校正电路，或者自修复和自重构功能； 五是采用电路设计和版图设计以减轻电离辐射破坏的方法。即采用隔离、补偿或校正、去耦等电路技术，以及掺杂阱和隔离槽芯片布局设计。 此外，使用加固模拟／混合信号IP技术和SIGE加固设计技术也是提升芯片抗辐射能力的有效途径。 抗辐射芯片加固专用工艺越来越多地与加固设计结合使用。因为抗辐射加固工艺技术具有非常高的专业化属性和高复杂性，因此只有少数几个厂家能够掌握该项技术。例如，单粒子加固的SOI工艺和SOS工艺，总剂量加固的小几何尺寸CMOS工艺，IBM的45nm SOI工艺，Honeywell的50nm工艺，以及BAE外延CMOS工艺等。
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