总剂量对单粒子瞬态的影响

就工作在空间辐射环境中的电子器件和集成电路而言，总电离剂量效应也是影响其正常工作的重要因素。我们知道，由于电离辐射在氧化物薄膜及氧化物与硅界面处会诱发电荷捕集，从而引起双极性晶体管和MOS晶体管电性能的衰变。集成电路和电子器件的总电离剂量效应研究表明，对双极性电路来说，由于总电离剂量而造成其内部氧化物电荷捕集，致使双极性晶体管放大系数发生衰变；对CMOS电路，由于其内部氧化物与硅界面处电荷捕集，也会造成MOS晶体管阈值电压漂移。当MOS晶体管构成的存储器单元在质子和重离子照射下时，电离辐射也会引起单粒子翻转加固性能的衰变；同样，电离总剂量效应也将影响双极性线性电路和CMOS电路中单粒子瞬态的产生和传播，针对双极性线性电路和体硅CMOS工艺及SOI工艺制造的数字电路而言，研究结果证明了这一点。

有关研究工作表明，重离子在双极性线性电路中诱发的单粒子瞬态会受到总剂量照射的影响。当使用质子和γ射线照射双极性线性电路后，受电离总剂量对双极性线性电路的影响，重离子诱发的单粒子瞬态脉冲形状会发生扭曲变形；试验测试表明，重离子诱发的不同形状单粒子瞬态脉冲，其变化方式不同，试验中观察到一些单粒子瞬态脉冲宽度变宽，而另一些单粒子瞬态脉冲宽度变窄，并且这种变化方式与双极性线性电路的工作方式也相关。试验研究工作表明，利用脉冲激光微束可以对器件内部产生单粒子瞬态的位置实现定位测试，许多单粒子瞬态脉冲敏感位置分布的脉冲激光定位试验测试研究表明，虽然可以利用试验结果来分析瞬态脉冲的恢复过程主要是依赖于电流源（用于去耦电容充电）的电流驱动能力，但总电离剂量对重离子在双极性线性电路中诱发的影响的物理机制呈现出复杂性，即有些双极性线性电路的单粒子瞬态错误率在总剂量照射后会增加，而另一些双极性线性电路的单粒子瞬态错误率在总剂量照射后会减小。有鉴于此，在航天器电子设备及系统的单粒子瞬态脉冲的敏感性测试试验与评估中，必须考虑电离总剂量效应对器件或集成电路的单粒子瞬态脉冲敏感性之影响。

第一次研究电离总剂量效应对单粒子瞬态影响的是针对180 nm全扩散SOI工艺制作的反相器链而开展的。在研究工作中，采用钴-60γ射线源照射器件，在辐照前和辐照后，采用片上的测量电路分别测试SET脉宽的变化情况。

我们知道，线性双极性电路长期暴露在离子辐射下会产生电离总剂量效应（TID），其特征是电路的某些电气参数逐渐退化。例如，运算放大器的增益带宽积在电离辐照下会发生衰变，正是这种增益带宽积的衰变，造成了单粒子瞬态波形的扭变。依据参数衰变的特性以及对单粒子瞬态波形改性、阈值变化的程度，错误率可以随着电离总剂量效应而增加或减小。在一个任务开始时，如果在单粒子瞬态防护设计中，忽视系统中的这些变化可能会导致它在接近任务结束时变得更加脆弱。

早期的研究工作发现，线性双极性电路（LM119）发生SET的阈值与离子照射有关联，主要关注了低能质子照射的影响。另外，脉冲激光测试表明，发生SET的阈值的脉冲激光能量随质子注量的单调增加而增加，这表明，线性双极性电路（LM119）经过质子照射后，发生SET的风险降低。

相关研究工作也分析了TID对电压比较器（LM139）中SET的形状和灵敏度的影响。SET脉冲的表现形态比较简单，当比较器的输出为“高”时为负，而当输出为“低”时为正。对于输出为“高”的情况，TID导致SET脉冲前沿的斜率（由比较器的压摆率确定）减小，从而导致SET脉冲的幅值减小。TID对脉冲后沿没有影响，这是因为脉冲后沿由电阻器（连接在集电极开路和正电源之间）和LM139输出晶体管的电容所确定。这些结果表明，预期的空间SET错误率随剂量降低。

与简单的电压比较器相比，运算放大器（例如LM124）中的SET具有更多的形状和尺寸，使LM124成为理想的器件，可以更好地了解总剂量照射如何影响SET。已知许多因素（例如电源电压、反馈、增益、配置和粒子LET）会影响SET的形状，在相关试验研究工作中，将LM124运算放大器中产生的初始SET脉冲与暴露于电离辐射中产生的SET脉冲进行了比较分析，试验装置采用了三种不同的工作配置方式：电压跟随器（VF）、带增益的反相器（IWG）和带增益的非反相器（NIWG）。每种配置都会产生一组独特的SET脉冲瞬态形状，这些瞬态形状将会在器件经过总剂量辐照后发生变化，图3-21给出了在不同工作状态下，LM124器件在总剂量照射后的单粒子瞬态变化特性。一个重要发现是，辐照后SET脉冲形状的变化主要取决于运算放大器的工作配置。一些SET脉冲的幅度减小，一些SET脉冲保持相对不变，一些SET脉冲变窄，而另一些SET脉冲则变得更宽。在图3-21中，单粒子瞬态波形来自器件LM124内部芯片上不同敏感位置处的晶体管输出波形，在图中，左边的图形来自器件内部芯片上敏感位置A处的晶体管Q20，右边的图形来自器件内部芯片上另一敏感位置B处的晶体管Q9；这里应当说明的是，在这些试验测试过程中，示波器的触发模式设置为AC模式，因而试验中获得的波形基线为0 V。

从图3-21中可以看出，IWG配置模式的SET幅值最大（～1.0 V），而VF配置模式的幅值最小（～0.5 V）。所有三种配置模式下的SET宽度（FWHM）为2～3 μs。经过总剂量照射之后，只有IWG配置中的SET才显示出幅度的大幅降低（最多达到50%）。IWG和NIWG配置的SET宽度变化更明显，从2 μs增加到19 μs。而VF配置的SET宽度从2 μs增加到5 μs。另外，来自晶体管Q9的SET的结果与来自Q20的SET的结果非常不同。尽管用于VF和NIWG配置的晶体管Q9的形状和尺寸非常相似，并且仅比IWG配置中的SET稍宽，但它们的宽度在辐照后变得更窄，减小到小于辐照前值的一半。同时，对于VF和NIWG配置，幅度仅略有降低，但对于IWG配置，幅度降低却相当大。

图3-21　LM124器件不同工作状态下的单粒子瞬态变化特性

（左边的波形来自晶体管Q20，右边的波形来自晶体管Q9）(www.xing528.com)

针对LM124内部芯片R1区域，采用聚焦脉冲激光束进行照射，在IWG配置模式下，获得的SET脉冲如图3-22所示。尽管R1的功能是用作电阻器，但其结构是具有悬浮基极的晶体管的结构。起源于R1的SET形状对测量设备的寄生输出电容极其敏感。随着电容的增加，SET的形状从正振幅的方波变为负分量增加的双极波。图中较小的负分量是由于连接到输出的探头的电容相对较小。当入射脉冲激光的能量变化时，原始SET波形保持其双极性特性，但经过总剂量辐照后，部分的SET脉冲的幅值和形状与原始部分的SET幅值和形状有很大不同，它们具有基本的三角形形状，仅具有较小的负分量和较小的幅值。其他两种配置（VF和NIWG）的SET也具有相似的变化特征，此处不再给出。

图3-22　LM124内部芯片R1区域上产生的SET波形

（IWG配置模式，脉冲激光能量为0.24 pJ、0.36 pJ、0.48 pJ、0.60 pJ和0.72 pJ）

由于脉冲激光模拟单粒子效应试验技术的方便性，人们利用脉冲激光更进一步研究了总剂量照射对SET特性的影响。例如针对180 nm FDSOI工艺，具体就单个晶体管开展了试验测试，结果表明，TID导致SET脉冲在输出节点处变得比最初产生时的宽度更宽。这是因为在这种180 nm工艺中，2.5 nm厚的栅极氧化物太薄而不能捕获电荷，但是辐射诱导的正电荷被捕获在SOI下方的掩埋氧化物层中，这种电荷会引起NMOS和PMOS阈值电压的负向偏移。另外，最重要的一点是，它减小了PMOS晶体管的驱动电流，而该电流主要是将被激光撞击的晶体管驱动恢复到其原始状态。

人们也采用混合模式3D TCAD仿真分析的方法，研究了总剂量照射对SET脉冲特性的影响，并与试验结果进行了比对分析。TCAD仿真分析证实，随着总剂量（TID）的增加，SET脉冲宽度的增加程度与PMOS晶体管的驱动能力的降低相关。图3-23给出了PMOS晶体管的负阈值偏移变化对SET脉冲宽度影响的仿真分析结果。仿真过程只需在晶体管上施加适合的正偏置电压，即可完全不使用任何辐射，就可以再现出TID对SET脉冲宽度影响的效果。在FDSOI工艺中，晶体管的主体被完全耗尽，因此NMOS和PMOS晶体管的前级栅与后级栅（即衬底）完全耦合，这时，向衬底施加正偏置电压会导致NMOS和PMOS阈值电压出现负向偏移，这与将晶体管实际暴露于TID时测得的变化相似。Gouker等人结果表明，当将FDSOI式的反相器链衬底，偏置到与TID试验结果相一致的电压数值时，激光诱导的SET变宽数值，与TID照射后的实测结果相一致。当FDSOI反相器链路经过重离子（Xe，60 MeV·cm2/mg）照射后，也再现了相似的结果。

图3-23　PMOS晶体管的负阈值偏移变化对SET脉冲宽度的影响

（无漂移：ΔVTHO=0 V）（PMOS晶体管：ΔVTHO=-0.25 V，ΔVTHO=-0.5 V；NOMS晶体管：ΔVTHO=0 V）