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        一種雙極型電路在空間單粒子環(huán)境下的閂鎖效應(yīng)

        2022-05-26 06:06:34彭克武鐘英俊江軍付曉君
        環(huán)境技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:發(fā)射極基極雙極

        彭克武,鐘英俊,江軍,付曉君

        (中國電子科技集團(tuán)公司 第二十四研究所,重慶 400060)

        引言

        隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的集成電路應(yīng)用到空間環(huán)境下,空間環(huán)境的輻射條件就對集成電路的抗輻射能力提出了很高的挑戰(zhàn)。大量的試驗及衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)表明,空間輻射中的單粒子越來越成為影響集成電路空間應(yīng)用的關(guān)鍵所在,單粒子效應(yīng)會導(dǎo)致集成電路數(shù)據(jù)傳輸出錯,電路失效,可靠性降低等故障現(xiàn)象,所以,國內(nèi)外對單粒子效應(yīng)開展了很多研究[1-3]。

        目前主流的針對單粒子效應(yīng)的研究都是基于CMOS器件,而對于雙極器件,由于器件本身不存在P-N-P-N的閂鎖結(jié)構(gòu),因此大多認(rèn)為雙極器件對于單粒子閂鎖效應(yīng)免疫,但是在雙極型模擬集成電路中,為了節(jié)約芯片面積,存在大量的多器件共用一個隔離島的現(xiàn)象,同一個隔離島內(nèi)器件與器件之間就會產(chǎn)生一些寄生結(jié)構(gòu),在一定條件下,寄生結(jié)構(gòu)也可能出現(xiàn)單粒子效應(yīng)。國外從20世紀(jì)90年代開始針對部分雙極型的PWM脈寬調(diào)制器開展了一系列的單粒子效應(yīng)實驗[4-7],試驗結(jié)果證明,雙極型的PWM調(diào)制器單粒子效應(yīng)與存儲類器件的單粒子效應(yīng)有很大不同,具有很多新的失效模式,如輸出占空比和頻率改變。

        本次通過一款雙極型單片DC/DC電路在單粒子試驗過程中出現(xiàn)功能中斷,電流增大的類似閂鎖效應(yīng),分析了一種在雙極電路中存在的寄生PNPN結(jié)構(gòu),在單粒子效應(yīng)觸發(fā)下,產(chǎn)生閂鎖現(xiàn)象,導(dǎo)致電路功能異常,并通過激光模擬及仿真驗證,提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施,改進(jìn)措施通過了激光模擬及單粒子試驗驗證。

        1 雙極器件單粒子閂鎖機(jī)理分析

        1.1 單粒子閂鎖現(xiàn)象描述

        某雙極型單片DC/DC電路在中國原子能科學(xué)研究院進(jìn)行單粒子試驗過程中,當(dāng)單粒子LET達(dá)到37 MeV·cm2/mg,注量累積到一定程度時,出現(xiàn)了控制輸出無波形,DC/DC輸出電壓為0的現(xiàn)象,此時,電源電流從6.2 mA增大到24 mA(正常電流為6.2 mA),出現(xiàn)功能中斷,并表現(xiàn)出類似閂鎖效應(yīng),暫停單粒子轟擊后輸出電壓仍不能恢復(fù),斷電后重新上電,輸出電壓恢復(fù)正常。

        為了進(jìn)一步分析該電路的單粒子中斷現(xiàn)象,并定位導(dǎo)致單粒子閂鎖的敏感部位,電路送中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心進(jìn)行激光模擬試驗,試驗結(jié)果與單粒子試驗現(xiàn)象一致。同時,對出現(xiàn)單粒子閂鎖的電路調(diào)整電源電壓進(jìn)行試驗,當(dāng)電源電壓降低到9 V時(此時電源電流降低到13 mA),電路功能恢復(fù)正常。

        1.2 機(jī)理分析

        利用激光模擬試驗光斑可調(diào)以及可實現(xiàn)逐點掃描的特性,對電路芯片進(jìn)行了逐點照射,以確定敏感區(qū)域,當(dāng)激光脈沖掃描到芯片表面圖1的時候,單粒子閂鎖現(xiàn)象出現(xiàn),因此,確定了電路的單粒子閂鎖敏感區(qū)域。

        圖1 單粒子敏感區(qū)域位置及剖面圖

        敏感區(qū)域器件N1和D1在電路中對應(yīng)的電路圖如圖2所示,該結(jié)構(gòu)處于電路的內(nèi)部偏置模塊,其中VIN為輸入電源,Bias為內(nèi)部偏置模塊的輸出電壓,電壓值2.5 V,Bias為電路其他單元供電。

        圖2 敏感區(qū)域器件對應(yīng)電路圖

        通過對圖1隔離島內(nèi)器件及寄生結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,在肖特基二極管D1的版圖設(shè)計中,在肖特基接觸的周圍設(shè)計了P型保護(hù)環(huán),以提高肖特基結(jié)的反向擊穿電壓。這種結(jié)構(gòu)將肖特基接觸的外沿包圍在一個被稱為場釋放保護(hù)環(huán)(field relief guard ring)的薄基區(qū)擴(kuò)散條內(nèi),保護(hù)環(huán)的存在完全消除了肖特基接觸邊沿處的橫向電場,從而把這種結(jié)構(gòu)的擊穿電壓提升到等同于基區(qū)擴(kuò)散的VCBO。P型保護(hù)環(huán)與肖特基陽極短接在一起,該P型保護(hù)環(huán)與N1的集電極(N型)和基極(P型)之間有可能形成一個寄生的PNP管P3,如圖3所示。

        圖3 寄生PNP管結(jié)構(gòu)圖

        考慮到NPN管集電極串聯(lián)電阻RNBL,寄生PNP管P3在電路中和N1管、RNBL構(gòu)成了一個P-N-P-N結(jié)構(gòu),簡化示意圖如圖4所示。

        圖4 P-N-P-N結(jié)構(gòu)簡化示意圖

        在電路正常工作的時候,由于N1管的集電極電流約3 mA,RNBL電阻上的壓降約為0.3 V,此時P1、發(fā)射極電位低于基極電位,P1關(guān)斷,該P-N-P-N結(jié)構(gòu)不能導(dǎo)通。

        當(dāng)重粒子撞擊到P1這個寄生PNP的基區(qū)B區(qū)時,如圖5所示,造成該區(qū)域電子-空穴對被電離,產(chǎn)生電子、空穴,在電場的作用在電子、空穴產(chǎn)生移動,產(chǎn)生從N型埋層到B區(qū)的電流,使得B區(qū)電位低于N型埋層外接的VIN電壓,由于B區(qū)所在的外延層電阻率較高,方塊阻值較大,當(dāng)單粒子能量增大到一定程度(達(dá)到37 MeV·cm2/mg)時,電流增加到一定值,使得B區(qū)電位即P3的基極電位降低到低于VIN-1.4V時,P1這個寄生PNP管導(dǎo)通。

        圖5 單粒子觸發(fā)效應(yīng)圖

        P3導(dǎo)通后,電流流向N1基極,在N1晶體管的電流放大作用下,N1的發(fā)射極輸出異常大電流,抬高Bias電壓,如果Bias電壓沒有電流泄放通道,那么單粒子關(guān)閉后該結(jié)構(gòu)即可恢復(fù)正常狀態(tài),但是由于Bias在電路中為其他模塊供電及提供偏置,Bias電壓抬高后引起這些模塊電流全部增大,這就為N1發(fā)射極輸出電流提供了泄放通道,同時,N1的發(fā)射極電流由流過了集電極串聯(lián)電阻RNBL,產(chǎn)生足夠的壓降(≥1.4 V)讓P3持續(xù)導(dǎo)通,讓該結(jié)構(gòu)進(jìn)入閂鎖狀態(tài)。

        該結(jié)構(gòu)觸發(fā)閂鎖狀態(tài)條件為:

        1)足夠的單粒子能量降低B區(qū)電位,寄生PNP管P3導(dǎo)通;

        2)P1導(dǎo)通引起Q144輸出大電流抬高Bias,Bias抬高后引起的電流增大在RNBL電阻上的壓降大于1.4 V。

        當(dāng)該結(jié)構(gòu)進(jìn)入閂鎖狀態(tài)后,降低VIN電壓,BIAS電壓隨之降低,電流也降低,當(dāng)N1的集電極電流降低到不能滿足觸發(fā)條件2(RNBL壓降大于1.4 V)時,LPNP管P3關(guān)斷,該結(jié)構(gòu)不能維持,電路恢復(fù)正常。與激光試驗中閂鎖狀態(tài)下電源電壓下降到9 V電路恢復(fù)正常試驗結(jié)果一致。

        1.3 仿真驗證

        為了驗證機(jī)理分析,在電路仿真中添加該敏感部分的寄生結(jié)構(gòu),并在寄生PNP管P3的基極施加一個脈沖低電壓,模擬單粒子轟擊瞬間產(chǎn)生的脈沖電流,進(jìn)行單粒子閂鎖效應(yīng)仿真,如圖6所示。

        圖6 單粒子閂鎖效應(yīng)模擬仿真

        仿真結(jié)果如圖7,當(dāng)對P3基極施加低電平脈沖后,觸發(fā)該P-N-P-N結(jié)構(gòu)出現(xiàn)閂鎖,控制輸出信號關(guān)斷,DC/DC輸出降低到0 V,脈沖撤銷后一直維持該狀態(tài)。

        圖7 單粒子閂鎖效應(yīng)模擬仿真波形

        仿真結(jié)果表明,當(dāng)寄生PNP的基極施加瞬態(tài)低電壓脈沖,PNP管P3導(dǎo)通,P3電流電流灌入Q144的基極,該電流被放大,使得N1集電極電流瞬間抬高,同時抬高N1發(fā)射極電壓(Bias),N1的大電流同時又拉低P3的基極電壓,維持P3的開啟,使該結(jié)構(gòu)進(jìn)入穩(wěn)定閂鎖狀態(tài)。

        1.4 模擬試驗

        根據(jù)機(jī)理分析及仿真驗證結(jié)果,對正常電路芯片模擬單粒子或激光對該部分的觸發(fā)條件,由于P3基極無法通過FIB在芯片上引出進(jìn)行驗證,因此,采用在P3發(fā)射級極FIB,通過外加激勵條件在P3發(fā)射極瞬間高壓,觸發(fā)單粒子效應(yīng),進(jìn)行試驗驗證,如圖8所示。

        圖8 P3發(fā)射極瞬間高壓試驗

        試驗過程中,當(dāng)P3發(fā)射極施加電壓超過VIN電壓0.5 V以后,觸發(fā)電路出現(xiàn)了輸出無功能,電源電流增大的現(xiàn)象,并一直維持在該狀態(tài),重新上電后,功能恢復(fù)正常,與單粒子閂鎖現(xiàn)象一致。

        2 改進(jìn)措施

        根據(jù)該單粒子閂鎖現(xiàn)象的觸發(fā)條件,改進(jìn)措施主要通過減小RNBL電阻,降低寄生PNP管P3的增益,或者直接避免P3的產(chǎn)生幾個方面入手,為徹底解決此問題,改進(jìn)措施采用隔離島分離直接避免P3的產(chǎn)生的方式進(jìn)行驗證。

        將N1與D1兩個器件分開到兩個隔離島,避免寄生PNP產(chǎn)生,如圖9所示。

        圖9 改進(jìn)方案

        改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了同樣條件下的激光模擬及單粒子試驗,均未再出現(xiàn)閂鎖現(xiàn)象。

        3 結(jié)論

        本文介紹了基于某款雙極型單片DC/DC電路單粒子閂鎖故障,分析了在雙極型模擬集成電路中,多器件共用一個隔離島時,可能產(chǎn)生的寄生PNPN結(jié)構(gòu),在特定條件下寄生PNPN觸發(fā)單粒子閂鎖效應(yīng)的原因及條件,并進(jìn)行了仿真及模擬試驗的驗證,確認(rèn)了理論分析的正確性,針對這類PNPN結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)措施并進(jìn)行了試驗驗證,有助于雙極型模擬集成電路的抗單粒子設(shè)計。

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