抗輻照加固BICMOS結構電路的版圖簡化設計

代雪峰，唐 寧，王 淪

(1.東北大學理學院物理系，沈陽 110004;2.中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

隨著核技術和空間技術的不斷發展，越來越多的電子元器件需要工作在空間電離輻射的環境中，其中廣泛應用于電子系統與附屬設備或中央處理器之間進行通訊和數據交換的通信接口類芯片得到更多關注。因此，在空間輻照環境下，通信接口類電路的電參數變化以及壽命等抗輻照加固特性［1－3］已經成為設計工程師首要關心的問題。

目前，國內航天工程中能夠采用的通信接口電路以國外MAX公司基于RS232、RS422/RS485等通訊協議的系列工業級產品為標準，通過對芯片電路抗輻照加固設計后進行試驗和應用。然而，這類芯片產品大多采用BICMOS電路結構，依據電參數范圍不同，內部包含器件種類繁多，如高壓MOS管、常壓MOS管、NPN型雙極管等，考慮到不同類型器件的輻照損傷機理不同，BICMOS結構電路在進行抗輻照加固處理時不僅增加設計難度，而且工藝復雜。這里以通信接口類芯片內部常用的振蕩器單元為例，利用3μm抗輻照MOS工藝設計規則，對片上不同種類的器件單元進行同一規則的版圖設計，實現一種新的BICMOS結構電路的抗輻照加固技術。

2 振蕩器單元電路

圖1為基于RS232協議的通信接口類芯片內部采用的振蕩器電路。電路上電后，左邊支路組成電源和地之間的直流通路產生振蕩器單元的偏置電流，通過電流鏡像，可以對C2電容進行充放電，依據C2電容充放電時間，決定C2電容上極板電位的上升下降時間，通過五級環路保證負反饋系統充足的180度相移實現振蕩。在通信接口類芯片中，振蕩器單元為電荷泵單元提供時鐘，通過周期性能量傳遞提供所需供電信號，為實現低功耗設計，存儲在電荷泵中的供電信號驅動能力充足時，可以停止振蕩器工作，降低電荷泵內部開關頻率，故附屬振蕩器單元會設計一個供電信號監測電路，控制振蕩器單元的CTRL端。

圖1 振蕩器單元電路圖

3 監測電路

圖2所示，在雙極型二級管帶隙基準源電路結構的基礎上，通過電阻串分壓方式，對供電電壓進行監測，當供電電壓超出設定值時，在電阻串上產生的電流破壞基準源工作狀態，輸出端產生高電平，控制振蕩器對C2電容進行泄流放電，使其停止工作。當供電電壓低于設定值時，監測單元消除對振蕩器的控制，振蕩器開始工作。

圖2 供電信號監測電路圖

4 雙極器件的版圖設計

目前，BICMOS工藝都是在標準MOS或標準雙極工藝基礎上增加掩膜步驟，工藝復雜，大多數工藝至少需要15塊掩膜版，更特殊的情況下，使用的掩膜版高達30塊，故該工藝加工出的芯片產品，增加生產成本，延長制造時間。另外，從抗核加固設計技術上，MOS器件和雙極器件輻照損傷機制不同，增強了BICMOS結構電路進行抗輻照加固設計的難度。因此，為簡化上述問題帶給BICMOS結構電路設計的復雜度，降低集成電路設計風險，最終依照抗輻照加固MOS工藝的設計規則進行雙極器件的版圖設計，具體結構如圖3所示。

基于抗輻照MOS工藝設計規則，重新定義MOS器件的四個端子，MOS器件的源極和漏極對應橫向NPN型雙極器件的發射極和集電極;MOS器件的背柵對應橫向NPN型雙極器件的基極;MOS器件的柵極在橫向NPN型雙極器件中發揮不同的作用，依據MOS器件的工作原理，通過對柵極上施加不同的偏置電壓，在多晶硅－氧化物－半導體方向上形成電場，引起MOS器件溝道區反型，實現MOS器件的工作態。而依據雙極器件的工作原理，通過對多晶硅柵極施加固定偏置電壓，在多晶硅－氧化物－半導體方向上不建立電場，無法形成溝道區。在半導體表面橫向上，利用多晶硅柵極寬度設定發射區和集電區橫向間距，再加上單元表面橫向拓撲結構的設計，調節橫向NPN型雙極器件的工藝參數。

圖3 雙極器件版圖結構

5 仿真結果

通過圖4仿真結果得出，VPLUS供電信號監測點設定為5.64V，該值決定了振蕩器是否停止工作。振蕩器輸出時鐘頻率也由供電信號上升過程中的固定值受到了調頻。

圖4 帶監測電路的振蕩器單元仿真結果

6 結 束 語

這種新的BICMOS結構電路的抗輻照設計技術，可以基于抗輻照MOS工藝的設計規則，對片上雙極器件進行版圖設計，大大減少了掩膜版層數，降低了BICMOS結構電路進行抗輻照加固設計的加工成本和風險。最終得出仿真結果滿足設計要求。

［1］劉忠立，譯.先進半導體材料及器件的輻射效應［M］.北京:國防工業出版社，2008.

［2］Schwank J.R，Shaneyfelt M.R，Fleetwood D.M，et al.Radiation Effects in MOS Oxides［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2008，55(4):1833 －1853.

［3］Lacoe R.C，Osborn J.V，Koga R，et al.Application of Hardness－By－Design Methodology to Radiation－Tolerant ASIC Technologies［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，2000，47(6):2334 －2341.