[发明专利]面向空间辐射环境的单粒子效应探测电路结构

说明书

本发明公开了一种面向空间辐射环境的单粒子效应探测电路结构，主要包括SRAM单元存储电路和单粒子效应探测电路，单元存储电路包括SRAM单元阵列及其外围电路，外围电路包括灵敏放大器、行/列译码器、行/列地址缓存器、输入输出数据缓存器；单粒子效应探测电路包括列单元SEE电流检测传感器、行单元N阱SEE电流检测传感器、传感器扫描电路、SEU地址存储电路、时序控制电路。本发明通过改变SEE电流传感器的临界电荷或者耗尽层宽度，有效提高监测入射空间高能粒子的LET值，其LET值分辨率达到1MeV.cm²/mg。

技术领域

本发明涉及集成电路、可靠性、航空、航天和辐射环境等技术领域，尤其涉及一种面向空间辐射环境的单粒子效应探测器芯片电路结构。

背景技术

辐射效应是电子器件和材料在辐射场(例如，空间辐射环境等)中的性能变化的表现，包括总剂量效应、位移损伤效应和单粒子效应等。不同来源的统计数据表明，有16％到42％的航天器故障和异常是由空间环境引起的。据AEROSPACE公司1999年的统计表明，在导致航天器异常或故障的空间环境效应中，各种辐射效应占88％，其中总剂量效应占5.4％，表面充电效应占20.1％，深层充电效应占24.7％(难以辨别的充电效应占9.4％)，单粒子效应占28.4％。目前为止，单粒子效应是诱发航天器异常或故障最多的辐射效应。

下面的表1给出了目前已经明确定义的单粒子效应类型。所有这些效应中，单粒子烧毁、单粒子栅穿、单粒子位移损伤和单个位硬错误都为永久损伤，也称硬错误，通过重新写入或断开电源，被辐射器件仍然不能恢复正常状态，器件彻底损坏；此外单粒子闩锁在不采取保护措施的情况下，也会导致永久损伤。其他单粒子效应均为软错误，器件可以恢复正常状态。总的来说，无论是永久性错误还是软错误，对于运行中的航天器来说，任何一种效应都可能导致重大事故和巨大损失。

表1 单粒子效应分类

单粒子软错误主要发生于存储器件和组合/时序逻辑电路中，是入射粒子运动径迹周围产生的电荷被灵敏电极收集，形成瞬态电流，触发逻辑电路，导致逻辑状态翻转。当粒子穿过芯片时，粒子损失能量，并沿其路径激发电子-空穴对，这些电荷能够通过漂移和扩散机制被反偏PN结收集，而关态晶体管的漏结是反偏的，所以它能够收集电荷。如果反偏漏结收集到足够多的电荷，相应节点的电压将会发生变化。这种效应通常并不对电路造成损坏，因此是一种软错误。如果电路电压改变不能很快恢复，这一脉冲电流将会引起电路系统很长时间的混乱。尤其是如果电路中收集的电荷不能在反馈引起单元翻转前消散，存储在SRAM单元中的逻辑值就将发生改变，芯片中存储单元的错误可能会导致系统错误。在半导体器件中存在两个主要电离辐射释放电荷的模式，其一为入射粒子直接电离，其二为由于入射粒子与器件作用发生核反应产生的次级粒子发生的间接电离。这两种机制同时产生并作用在受到粒子辐射的器件中。

以FPGA、SoC等为代表的大规模集成电路或系统在航天器中的应用日益成为主流发展趋势，而这些大规模集成电路或系统易受到单粒子翻转效应(SEU)的影响。当前常根据在轨逻辑状态改变且可以通过断电重启、刷新、部分重构等措施而恢复，来判定是否发生了SEU。而对该异常是否由高能带电粒子引发，以及SEU发生位置信息的研究较少。这可能导致电路或系统SEU修复措施无法精确使用，影响航天器在轨效能的稳定实现，甚至会危及航天器的在轨安全。为此，有必要开展航天器在轨SEU甄别及定位技术研究，甄别在轨SEU导致的故障，获取在轨SEU发生的位置信息，为及时准确地采取应对措施提供技术支持。