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單粒子翻轉(zhuǎn)，什么是單粒子?xùn)糯㏒ingle Event Gate Rupture

來源：整理 時(shí)間：2023-09-06 02:24:30 編輯：智能門戶 手機(jī)版

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1，什么是單粒子?xùn)糯㏒ingle Event Gate Rupture

單粒子效應(yīng)是指單個(gè)高能粒子穿過微電子器件的靈敏區(qū)時(shí)造成器件狀態(tài)的非正常改變的一種輻射效應(yīng)，包括單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子鎖定、單粒子燒毀、單粒子?xùn)艙舸┑取！　瘟Ｗ訓(xùn)糯⊿ingle event gate rupture）　　單粒子?xùn)糯侵冈诠β蔒OSFETs器件中，單粒子導(dǎo)致在柵氧化物中形成導(dǎo)電路徑的破壞性的燒毀。
單粒子?xùn)糯?是指在功率MOSFETs器件中,單粒子導(dǎo)致在柵氧化物中形成導(dǎo)電路徑的破壞性的燒毀。再看看別人怎么說的。

什么是單粒子?xùn)糯㏒ingle Event Gate Rupture

2，什么是單粒子翻轉(zhuǎn)Single event upset

單粒子翻轉(zhuǎn)是單個(gè)高能粒子作用于半導(dǎo)體器件,引發(fā)器件的邏輯狀態(tài)發(fā)生異常變化。單粒子翻轉(zhuǎn)是空間輻射造成的多種單粒子效應(yīng)中最常見和最典型的一種,主要發(fā)生在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或指令相關(guān)器件中。單粒子翻轉(zhuǎn)造成的器件錯(cuò)誤屬“軟錯(cuò)誤”,即通過系統(tǒng)復(fù)位、重新加電或重新寫入能夠恢復(fù)到正常狀態(tài)。航天器抗單粒子效應(yīng)設(shè)計(jì)的主要途徑是采用檢錯(cuò)糾錯(cuò)碼技術(shù),即通過軟件或硬件設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤并糾正它,使之不會(huì)對航天器系統(tǒng)造成進(jìn)一步更嚴(yán)重,乃至致命的錯(cuò)誤。
我是來看評論的

什么是單粒子翻轉(zhuǎn)Single event upset

3，單粒子效應(yīng)的成因

單個(gè)空間高能帶電粒子擊中微電子器件靈敏部位,由于電離作用產(chǎn)生額外電荷,使器件邏輯狀態(tài)改變、功能受到干擾或失效等。造成航天器器件單粒子效應(yīng)的高能帶電粒子主要是高能質(zhì)子和高能重離子。
單粒子效應(yīng)種類很多,主要有單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子鎖定和單粒子燒毀、單粒子?xùn)艙舸┑取瘟Ｗ臃D(zhuǎn)是單個(gè)高能粒子作用于半導(dǎo)體期間,引發(fā)器件的邏輯狀態(tài)發(fā)生異常變化。單粒子鎖定,是單粒子效應(yīng)的一種,單粒子入射產(chǎn)生的瞬態(tài)電流會(huì)導(dǎo)致設(shè)備功能性損壞。單粒子燒毀是場效應(yīng)管漏極-源極局部燒毀,屬于破壞性效應(yīng)。單粒子?xùn)糯?是指在功率mosfets器件中,單粒子導(dǎo)致在柵氧化物中形成導(dǎo)電路徑的破壞性的燒毀。

單粒子效應(yīng)的成因

4，單粒子效應(yīng)的研究歷史

單粒子效應(yīng),顧名思義,是由單個(gè)的高能粒子引起的。單粒子翻轉(zhuǎn)的假設(shè)首先是由Wallmark and Marcus在1962年提出的。而第一次被觀測到的衛(wèi)星異常,是由Binder et al.在1975年報(bào)告的。May and Woods觀測到由α粒子引起的軟錯(cuò)誤,他們研究中的α粒子不是來自行星際空間中的,而是從集成電路的封裝材料中痕量級（ppm）的鈾和釷的自然衰變中來的。
單粒子效應(yīng)種類很多,主要有單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子鎖定和單粒子燒毀、單粒子?xùn)艙舸┑?。單粒子翻轉(zhuǎn)是單個(gè)高能粒子作用于半導(dǎo)體期間,引發(fā)器件的邏輯狀態(tài)發(fā)生異常變化。單粒子鎖定,是單粒子效應(yīng)的一種,單粒子入射產(chǎn)生的瞬態(tài)電流會(huì)導(dǎo)致設(shè)備功能性損壞。單粒子燒毀是場效應(yīng)管漏極-源極局部燒毀,屬于破壞性效應(yīng)。單粒子?xùn)糯?是指在功率mosfets器件中,單粒子導(dǎo)致在柵氧化物中形成導(dǎo)電路徑的破壞性的燒毀。

5，單粒子效應(yīng)的危害

由于現(xiàn)在的衛(wèi)星日益復(fù)雜,高性能的微電子器件被大量應(yīng)用在衛(wèi)星系統(tǒng)中,單粒子效應(yīng)的危害十分嚴(yán)重,當(dāng)它造成航天器控制系統(tǒng)的邏輯混亂時(shí),可能造成災(zāi)難性后果。在歷次的強(qiáng)太陽風(fēng)暴期間都有多顆衛(wèi)星由于單粒子效應(yīng)而出現(xiàn)異常和故障,例如,在2003年萬圣節(jié)事件期間,太陽質(zhì)子事件曾經(jīng)導(dǎo)致地球同步軌道衛(wèi)星Inmarsat中的一顆衛(wèi)星由于CPU癱瘓而失效,美國SOHO、ACE、Wind、Polar、GOES等科學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)丟失或損壞。單粒子效應(yīng)是繼等離子體充電效應(yīng)之后又一威脅航天器安全的主要空間環(huán)境效應(yīng),而且隨著航天器系統(tǒng)復(fù)雜程度和器件集成度越來越高,單粒子效應(yīng)的危害會(huì)更加嚴(yán)重。
空間輻射環(huán)境下，高能電子容易在航天器外圍介質(zhì)材料內(nèi)部或穿過航天器屏蔽層在其內(nèi)部的介質(zhì)材料上沉積。 當(dāng)這些介質(zhì)材料表面與周圍其他部件的電位差或者材料內(nèi)部沉積電荷產(chǎn)生的電場超過一定閾值時(shí)會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，即深層充放電效應(yīng)。介質(zhì)的深層充放電效應(yīng)可以影響材料的絕緣性能，產(chǎn)生的放電脈沖會(huì)干擾航天器上電子儀器的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使航天器發(fā)生故障。 空間輻射對電子學(xué)系統(tǒng)的輻射破壞主要有電離效應(yīng)和位移損傷。電離效應(yīng)又包括總劑量電離損傷和單粒子效應(yīng)。總劑量電離損傷可使半導(dǎo)體電導(dǎo)率發(fā)生變化, 漏電流的增加和時(shí)間響應(yīng)的變壞等, 表面器件以總劑量電離損傷為主。單粒子效應(yīng)see (single even t effect) 是粒子輻射的另一類電離效應(yīng)。當(dāng)高能重離子穿過半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的靈敏體積時(shí), 它在單位距離上產(chǎn)生很高的電離密度, 有可能產(chǎn)生足夠的電荷使存儲(chǔ)態(tài)翻轉(zhuǎn), 導(dǎo)致存儲(chǔ)信息的錯(cuò)誤, 這就是所謂的單粒子擾動(dòng)seu (single even t up set) , 有時(shí)也稱之為軟錯(cuò)誤, 這類錯(cuò)誤可以通過程序重寫等方法進(jìn)行改正, 但無疑對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能降低或失靈存在潛在威脅。還有另一類稱之為硬錯(cuò)誤的單粒子效應(yīng), 硬錯(cuò)誤包括單粒子燒毀seb (single even tbu rnou t) 和單粒子鎖閉sel (single even tlatchup ) 等, 除非電路電源電流有限, 這類錯(cuò)誤的發(fā)生將導(dǎo)致半導(dǎo)體器件物理上的永久性破壞。

6，宇航級CPU有何技術(shù)難點(diǎn)

CPU在太空中要面臨惡劣的工作環(huán)境　　宇航級CPU構(gòu)成了人造衛(wèi)星的大腦，為了能在星際空間這樣的惡劣條件下工作，不僅要應(yīng)對極端苛刻的高溫和低溫，還要能應(yīng)對無處不在的宇宙輻射?！　≡谔窄h(huán)境中，物體的溫度取決于太陽的光照，由于不存在空氣散熱，受光面和被光面溫差非常大。以軌道高度為300至400km的軌道的溫度為例，受光面溫度約為150℃，背光面溫度約為-127℃，溫差約為300℃。因此，美國的航天飛機(jī)艙外航天服的耐溫閾值為：高溫149攝氏度，低溫-184.4攝氏度?！　≡谔窄h(huán)境中，宇宙輻射是不可避免的，而宇宙輻射恰恰會(huì)對CPU造成損壞。微電子器件中的數(shù)字和模擬集成電路的輻射效應(yīng)一般分為總劑量效應(yīng)（TID）、單粒子效應(yīng)（SEE）和劑量率（Dose Rate）效應(yīng)。　　總劑量效應(yīng)源于由γ光子、質(zhì)子和中子照射所引發(fā)的氧化層電荷陷阱或位移破壞，包括漏電流增加、MOSFET閾值漂移，以及雙極晶體管的增益衰減?！　EE是由輻射環(huán)境中的高能粒子（質(zhì)子、中子、α粒子和其他重離子）轟擊微電子電路的敏感區(qū)引發(fā)的。在p－n結(jié)兩端產(chǎn)生電荷的單粒子效應(yīng)，可引發(fā)　軟誤差、電路閉鎖或元件燒毀。SEE中的單粒子翻轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致電路節(jié)點(diǎn)的邏輯狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)?！　┝柯市?yīng)是由甚高速率的γ或X射線，在極短時(shí)間內(nèi)作用于電路，并在整個(gè)電路內(nèi)產(chǎn)生光電流引發(fā)的，可導(dǎo)致閉鎖、燒毀和軌電壓坍塌等破壞。上述情況都會(huì)導(dǎo)致芯片損毀?！　≌且虼?，商業(yè)級、工業(yè)級、軍品級、宇航級CPU有著不同標(biāo)準(zhǔn)。由于各種測試非常多，數(shù)據(jù)指標(biāo)也非常細(xì)，這里僅就工作溫度做羅列：　　商業(yè)級CPU的工作溫度為0℃～70℃?！　」I(yè)級CPU的工作溫度為-40℃～85℃?！　≤娖芳塁PU的工作溫度為-55℃～125℃?！　∮詈郊塁PU不僅在工作溫度上有著不亞于軍品級CPU的水準(zhǔn)，而且還有抗輻射等方面的要求。如何做到抗輻射　　對于應(yīng)對高溫和低溫，主要是將電路的時(shí)序冗余加大，并降低功耗。本文重點(diǎn)說說如何實(shí)現(xiàn)抗輻射。有人說，抗輻射技術(shù)不就是給芯片加一個(gè)抗輻射封裝么？這有什么難的?！　∑鋵?shí)封裝對芯片的保護(hù)是有限的，高能粒子流可以打穿芯片的封裝材料，進(jìn)入芯片內(nèi)部對芯片造成破壞?！　】馆椛浼庸讨饕性O(shè)計(jì)和工藝兩種加固技術(shù)，或者根據(jù)需要組合使用這兩種技術(shù)。　　從廣義上講，抗輻射加固設(shè)計(jì)包括材料設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、器件設(shè)計(jì)、封裝設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等。從狹義上講，一般是指采用電路設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)減輕電離輻射破壞的方法?！　」に嚰庸淌怯锰厥獾墓に囘M(jìn)行抗輻射加固的技術(shù)。工藝步驟可以是制造商或軍方專有的，也可以是以加固為目的將特殊的工藝步驟加入到標(biāo)準(zhǔn)制造商的晶圓制造工藝中去?？馆椛浼庸坦に嚰夹g(shù)具有高度的專業(yè)化屬性和很高的復(fù)雜性?！　南到y(tǒng)、結(jié)構(gòu)、電路、器件級的設(shè)計(jì)技術(shù)方面進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)可以采用以下方式進(jìn)行抗輻射加固設(shè)計(jì)：　　一是采用多級別冗余的方法減輕輻射破壞，這些級別分為元件級、板級、系統(tǒng)級和飛行器級?！　《遣捎萌哂嗷蚣颖督Y(jié)構(gòu)元件（如三模塊冗余）的邏輯電路設(shè)計(jì)方法，即投票電路根據(jù)最少兩位的投票確定輸出邏輯?！　∪遣捎秒娐吩O(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)以減輕電離輻射破壞的方法。即采用隔離、補(bǔ)償或校正、去耦等電路技術(shù)，以及摻雜阱和隔離槽芯片布局設(shè)計(jì)；　　四是加入誤差檢測和校正電路，或者自修復(fù)和自重構(gòu)功能；　　五是采用電路設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)以減輕電離輻射破壞的方法。即采用隔離、補(bǔ)償或校正、去耦等電路技術(shù)，以及摻雜阱和隔離槽芯片布局設(shè)計(jì)?！　〈送?，使用加固模擬／混合信號IP技術(shù)和SIGE加固設(shè)計(jì)技術(shù)也是提升芯片抗輻射能力的有效途徑?！　】馆椛湫酒庸虒Ｓ霉に囋絹碓蕉嗟嘏c加固設(shè)計(jì)結(jié)合使用。因?yàn)榭馆椛浼庸坦に嚰夹g(shù)具有非常高的專業(yè)化屬性和高復(fù)雜性，因此只有少數(shù)幾個(gè)廠家能夠掌握該項(xiàng)技術(shù)。例如，單粒子加固的SOI工藝和SOS工藝，總劑量加固的小幾何尺寸CMOS工藝，IBM的45nm SOI工藝，Honeywell的50nm工藝，以及BAE外延CMOS工藝等。
額
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