一種雙極型電路在空間單粒子環(huán)境下的閂鎖效應(yīng)

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(duì)集成電路的抗輻射能力提出了很高的挑戰(zhàn)。大量的試驗(yàn)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(huì)導(dǎo)致集成電路數(shù)據(jù)傳輸出錯(cuò)，電路失效，可靠性降低等故障現(xiàn)象，所以，國內(nèi)外對(duì)單粒子效應(yīng)開展了很多研究[1-3]。

目前主流的針對(duì)單粒子效應(yīng)的研究都是基于CMOS器件，而對(duì)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(duì)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(gè)隔離島的現(xiàn)象，同一個(gè)隔離島內(nèi)器件與器件之間就會(huì)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(duì)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(shí)驗(yàn)[4-7]，試驗(yàn)結(jié)果證明,雙極型的PWM調(diào)制器單粒子效應(yīng)與存儲(chǔ)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(yàn)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(yàn)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(yàn)驗(yàn)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(yàn)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(shí)，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(shí)，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(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與單粒子試驗(yàn)現(xiàn)象一致。同時(shí)，對(duì)出現(xiàn)單粒子閂鎖的電路調(diào)整電源電壓進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)電源電壓降低到9 V時(shí)（此時(shí)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(yàn)光斑可調(diào)以及可實(shí)現(xiàn)逐點(diǎn)掃描的特性，對(duì)電路芯片進(jìn)行了逐點(diǎn)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(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)電路圖

通過對(duì)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(jì)中，在肖特基接觸的周圍設(shè)計(jì)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(gè)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(yáng)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)P1、發(fā)射極電位低于基極電位，P1關(guān)斷，該P(yáng)-N-P-N結(jié)構(gòu)不能導(dǎo)通。

當(dāng)重粒子撞擊到P1這個(gè)寄生PNP的基區(qū)B區(qū)時(shí)，如圖5所示，造成該區(qū)域電子-空穴對(duì)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(dòng)，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(shí)，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(shí)，P1這個(gè)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(shí)，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(shí)，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(yàn)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(yàn)結(jié)果一致。

1.3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)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(gè)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(duì)P3基極施加低電平脈沖后，觸發(fā)該P(yáng)-N-P-N結(jié)構(gòu)出現(xiàn)閂鎖，控制輸出信號(hào)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(shí)抬高N1發(fā)射極電壓（Bias），N1的大電流同時(shí)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(yàn)

根據(jù)機(jī)理分析及仿真驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)正常電路芯片模擬單粒子或激光對(duì)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(yàn)證，因此，采用在P3發(fā)射級(jí)極FIB，通過外加激勵(lì)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(yàn)驗(yàn)證，如圖8所示。

圖8 P3發(fā)射極瞬間高壓試驗(yàn)

試驗(yàn)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(gè)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(yàn)證。

將N1與D1兩個(gè)器件分開到兩個(gè)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(yàn)，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(gè)隔離島時(shí)，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(yàn)的驗(yàn)證，確認(rèn)了理論分析的正確性，針對(duì)這類PNPN結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)措施并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，有助于雙極型模擬集成電路的抗單粒子設(shè)計(jì)。