航天空間環境單粒子效應研究

趙興，栗偉珉，程向麗，王曦煜，李昂陽

（1.中國運載火箭技術研究院，北京，100076；2.北京精密機電控制設備研究所，北京，100076）

0 引言

宇宙空間環境存在多種高能帶電粒子，由太陽風暴等輻射源[1]產生，這些粒子入射到人造航天器電子系統中的半導體器件后，經常會在器件內部造成各種電離輻射效應，并會產生電子-空穴對。這些電荷被器件敏感區收集，會造成邏輯器件狀態的改變或損壞[2]，從而嚴重地影響航天器的可靠性和壽命，這些故障就是單粒子效應(Single Event Effect)。

在空間輻射環境中，集成電路的抗單粒子能力會隨著工藝尺寸的縮小不斷下降，而其他的電離輻射效應[3-6]，與工藝尺寸并不構成這樣的矛盾，因此單粒子效應就成為航天器在軌運行中的一個主要的可靠性問題。基于此，本文對單粒子效應的基本故障類型、機理以及現狀進行了究。

1 基本故障類型機理

■1.1 單粒子效應分類

單粒子效應分類如表1所示。單粒子燒毀（Single Event Burn out）和單粒子柵擊穿(Single Event Gate Rupture)造成的危害性極大，會使被粒子輻射的器件造成永久性損壞，這兩種主要發生在大功率或者高電壓器件當中。單粒子翻轉(Single Event Upset)、單粒子閉鎖(Single Event Latchup)、單粒子瞬態脈沖(Single Event Transient)和單粒子功能中斷(Single Event Functional Interrupt)，不會使器件本身發生損壞，但會造成有效存儲信息的暫時性翻轉或者擾動，是可逆的，能夠通過掉電復位恢復的。幾種效應形式特點如下：

表1 單粒子效應類型分類

（1）單粒子翻轉主要發生在SRAM、DRAM等存儲陣列中；

（2）單粒子閉鎖主要發生在CMOS器件中；

（3）單粒子瞬態脈沖引起的暫時性翻轉及擾動在鎖相環等模擬電路中引起的問題較很常見，而在數字電路中發生時，單粒子瞬態脈沖就轉化成了單粒子翻轉；

（4）單粒子功能中斷是當單粒子翻轉發生在控制寄存器，引起電路功能故障。

隨著工藝尺度的縮減、集成電路復雜度的增加、電源電壓的降低以及工作頻率的升高，單粒子翻轉、單粒子瞬態脈沖和單粒子功能中斷這三種是集成電路的主要故障來源。

■1.2 單粒子效應機理

電荷沉積在半導體材料中，作用到半導體器件，從而發生各種單粒子效應，如圖1所示。

圖1 電荷沉積和收集

電荷沉積一般分為直接方式和間接方式。直接電離一般是重離子沉積電荷的主要方式，重離子入射半導體器件后會不斷損失能量并產生電子空穴對，從而形成沉積電荷；而對于較輕的入射粒子，往往是通過與晶格原子發生碰撞產生核反應，生成重離子，再由重離子發生直接電離，從而通過間接電離的方式實現電荷沉積。

電荷收集主要包括漂移、擴散和雙極放大。漂移是指離子入射到PN結附近，在外電場的作用下，離子定向運動造成耗盡區被中和，隨之壓降也會減少；擴散是在半導體內形成濃度差時，電子由高濃度區流向低濃度區，從而被相應的電極收集。特別是雙極晶體管放大效應在工藝尺寸縮小等趨勢條件下作用更加明顯，如圖2所示。

圖2 雙極放大效應

2 研究現

■2.1 國外研究現狀

基于上文對于單粒子效應機理的闡述，目前對于效應機理的研究主要集中在能量沉積分布特性和電荷的收集模型上。

根據R.Katz給出的經典盧瑟福公式，A.S.Kobaya-shi等利用不同能量的粒子對硅半導體進行蒙特卡洛模擬[7]，獲得單個高能粒子對不同結構和材料的PN結造成的能量沉積分布特性雖各不相同[8-9]，但一般都認為絕大部分能量沉積在一個直徑不大于100nm的靶心狀區域內。而對于高能粒子作用在半導體結的模型認識主要有漏斗模型[10]、分流模型[11]、雪崩模型[12]和電荷橫向遷移模型[13]等。其中漏斗模型應用最為普遍，即認為電荷收集過程發生的時間一般不大于1ns，非常短，載流子密度的大小直接決定著耗盡層的變化快慢。

同時，國外在對單粒子效應的模擬方法和實驗設備上的研究比較深入并已取得成功應用。

在地面模擬空間效應的方式，粒子加速器模擬是目前應用最多的設計和研究方法[14]，借助粒子加速器產生的高能粒子輻照半導體器件。模擬單粒子翻轉試驗最常用的是回旋加速器，涵蓋Kr、O、Ar和Ne等多種氣體離子源，具備各等級能量，例如加利福利亞大學伯克利分校有2.34m的加速器，勞伯實驗室有2.24m的加速器等，Brookhaven國家實驗室(BNL)、Aerospace公司、德州農機(工)大學、加州戴維斯大學、印地安那大學等也有獨立的單粒子翻轉試驗專用設備，具備開展相關實驗條件。

此外，脈沖激光模擬方法也是一種地面進行模擬的方法，在1987年由S.P.Buchner和A.K.Richter首次提出[15][16]，激光波長常常為850nm或1060nm，區別于上述加速器實驗方法，實驗者可以接觸脈沖激光實驗平臺，方便了實驗人員對于實驗的把控，但成本交較高。例如Aerospace公司、MBDA公司、意國家核物理研究院等具有脈沖機關模擬實驗設備，具備開展相關實驗的條件。

在抗單粒子效應的設計方法方面，比較FPGA典型的設計。H.D.Schmitz[17]給出了宇航級反熔絲FPGA的加固設計措施，如設計采用多重榮譽冗余可靠性手段，將時序觸發替換為組合觸發等。M.Gokhale[18]等人研究了FPGA局部重配置，LevKirischian進一步研究了FPGA的局部重配置技術。意大利學者L.Sterpone對SRAM型FPGA的抗單粒子效應設計也提出了一種基于FPGA布局布線的可靠性設計方法。在空間信號處理能力需求增加的背景下，更強的平臺結構設計抗輻射加固也有相關的研究。S.E.Groening設計了抗翻轉的實時嵌入式操作系統，當發生故障后回到初始運行態，不過尚未完全可靠。

■2.2 國內研究現狀

國內相較于國外研究相對滯后，同時也受限于實驗條件，國內能夠進行單粒子效應模擬試驗的單位有北京空間飛行器總體設計部、北京衛星環境工程研究所、中國科學院、中國空間技術研究院、中科院近代物理研究所、高能物理研究所、工程物理研究所、原子能科學研究院、西北核技術研究所等。

李國政等人[19]利用252Cf源和重離子加速器開展了存儲型器件的單粒子效應輻照實驗。曹洲等人[20]～[22]研究了單粒子閉鎖機理，并對單粒子燒毀(SEB)和單粒子柵穿(SEGR)效應進行了實驗模擬分析。賀朝會等人[23]對單粒子翻轉效應進行了解析分析模擬，識別到部分參數和因素。張慶祥等人[24]進一步對多位翻轉進行了探索性研究。

我國還在實踐系列衛星上開展了搭載實驗，如實踐四號衛星利用在軌的寶貴條件下研究了單粒子效應影響，為我國風云一號(B)衛星的單粒子失效歷史問題分析追溯到了原因，實踐五號衛星研究了單粒子效應加固設計，為大規模數信號處理器件的空間應用提供了參考。

3 結論

本文針對宇宙輻射帶來的單粒子效應問題，分析了基本故障類型及機理，并結合當前國內外對該效應的認識,給出相關研究現狀，同時針對在地面開展該效應的模擬方法、試驗設備以及抗單粒子效應設計等方面，進行了分析，介紹了國內搭載實驗取得的相關成果，從而為預防和降低單粒子效應對航天器造成的損害工作研究提供相關依據。