物理学中的单粒子翻转现象详解

如第2章所述，带电离子在其穿越路径上会留下一个稠密的电子-空穴对等离子体柱，如果这样的等离子体柱在电场附近形成，如在PN结近区，电子和空穴将被电场分离，而后电子或空穴会被电路节点电极所收集形成电流脉冲，如图3-5所示。从图中可以看出，这种电流脉冲由两个主要成分组成，一个是离子撞击后的延续几百皮秒的瞬态成分，另一个是延续几百纳秒的延迟成分。瞬态成分电流主要是由于电路敏感节点耗尽层区电荷收集和聚集区电荷收集所形成（Hsieh 1981a，Hsieh 1981b，Hsieh 1983，McLean 1982，Messenger 1982，Gilbert 1985，Murley 1996）的，而延迟成分电流主要由载流子扩散到耗尽层区而被结电场收集所形成。电路节点电极形成的电流脉冲可能导致一个触发器（flip-flop）状态的变化，或者在逻辑电路中沿着反相器链路传播下去，造成电路工作紊乱。在其他电路结构情况下，这种电流脉冲也可能诱发其他单粒子现象，如单粒子锁定等。

图3-3为保持在有效逻辑状态下的CMOS SRAM存储单元的结构示意图，图3-4为在SRAM器件的存储单元中，处于反偏置状态下的漏极N1节点在遭受离子撞击后的瞬态电压变化情况。从图3-3中知道，P1N1晶体管、P2N2晶体管分别形成了两个不同的反相器电路结构，对P1N1形成的反相器而言，当其输入节点B保持低电平状态时，输出节点A由于P1的作用而处于高电平状态VDD；同样，对P2N2形成的反相器而言，当输入节点A被嵌拉在高电平状态下时，输出节点B由于N2的作用而处于低电平状态，从而使SRAM存储单元保持在一个稳定状态。这时候，如果一个带电离子的撞击产生了足够电荷，并被敏感节点A所收集后，诱发敏感节点A处的电位低于反相器P2N2反转的阈值电位，那么SRAM存储单元的逻辑状态会发生反转，从而改变了存储单元逻辑状态，造成所谓单粒子翻转。在这种逻辑状态的变化过程中，引起一个存储单元翻转所必需的最小电荷数量被称为临界电荷Qcrit。

图3-3　CMOS SRAM单粒子翻转示意图

图3-4　SRAM存储单元中遭受离子撞击的漏极瞬态电压变化情况(www.xing528.com)

（离子LET值远低于临界LET值、稍低于临界LET值及稍高于临界LET值条件下）

如图3-4所示，SRAM存储单元的MOS管漏极在遭受不同LET值的重离子撞击后，其瞬态逻辑状态变化不同。SRAM存储单元发生单粒子翻转的LET阈值为42.0 MeV·cm2/mg，从图中可以看出，当入射离子的LET值稍微高于临界LET值时，MOS管漏极的电压降落后保持了足够长时间，导致SRAM反相器单元反相，并保持锁存在一个反常的新逻辑态；但当入射离子LET值低于临界LET值时，MOS管漏极的电压降落保持了一段时间后返回原状态，这种瞬态的状态变化并没有维持住。