一種雙極型電路在空間單粒子環境下的閂鎖效應

彭克武，鐘英俊，江軍，付曉君

（中國電子科技集團公司 第二十四研究所，重慶 400060）

引言

隨著空間技術的不斷發展，越來越多的集成電路應用到空間環境下，空間環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。大量的試驗及衛星在軌數據表明，空間輻射中的單粒子越來越成為影響集成電路空間應用的關鍵所在，單粒子效應會導致集成電路數據傳輸出錯，電路失效，可靠性降低等故障現象，所以，國內外對單粒子效應開展了很多研究[1-3]。

目前主流的針對單粒子效應的研究都是基于CMOS器件，而對于雙極器件，由于器件本身不存在P-N-P-N的閂鎖結構，因此大多認為雙極器件對于單粒子閂鎖效應免疫，但是在雙極型模擬集成電路中，為了節約芯片面積，存在大量的多器件共用一個隔離島的現象，同一個隔離島內器件與器件之間就會產生一些寄生結構，在一定條件下，寄生結構也可能出現單粒子效應。國外從20世紀90年代開始針對部分雙極型的PWM脈寬調制器開展了一系列的單粒子效應實驗[4-7]，試驗結果證明,雙極型的PWM調制器單粒子效應與存儲類器件的單粒子效應有很大不同，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功能中斷，電流增大的類似閂鎖效應，分析了一種在雙極電路中存在的寄生PNPN結構，在單粒子效應觸發下，產生閂鎖現象，導致電路功能異常，并通過激光模擬及仿真驗證，提出了相應的改進措施，改進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理分析

1.1 單粒子閂鎖現象描述

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

為了進一步分析該電路的單粒子中斷現象，并定位導致單粒子閂鎖的敏感部位，電路送中國科學院空間科學與應用研究中心進行激光模擬試驗，試驗結果與單粒子試驗現象一致。同時，對出現單粒子閂鎖的電路調整電源電壓進行試驗，當電源電壓降低到9 V時（此時電源電流降低到13 mA），電路功能恢復正常。

1.2 機理分析

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

圖1 單粒子敏感區域位置及剖面圖

敏感區域器件N1和D1在電路中對應的電路圖如圖2所示，該結構處于電路的內部偏置模塊，其中VIN為輸入電源，Bias為內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 敏感區域器件對應電路圖

通過對圖1隔離島內器件及寄生結構進行分析，在肖特基二極管D1的版圖設計中，在肖特基接觸的周圍設計了P型保護環，以提高肖特基結的反向擊穿電壓。這種結構將肖特基接觸的外沿包圍在一個被稱為場釋放保護環（field relief guard ring）的薄基區擴散條內，保護環的存在完全消除了肖特基接觸邊沿處的橫向電場，從而把這種結構的擊穿電壓提升到等同于基區擴散的VCBO。P型保護環與肖特基陽極短接在一起，該P型保護環與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管結構圖

考慮到NPN管集電極串聯電阻RNBL，寄生PNP管P3在電路中和N1管、RNBL構成了一個P-N-P-N結構，簡化示意圖如圖4所示。

圖4 P-N-P-N結構簡化示意圖

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、發射極電位低于基極電位，P1關斷，該P-N-P-N結構不能導通。

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

圖5 單粒子觸發效應圖

P3導通后，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，那么單粒子關閉后該結構即可恢復正常狀態，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發射極輸出電流提供了泄放通道，同時，N1的發射極電流由流過了集電極串聯電阻RNBL，產生足夠的壓降（≥1.4 V）讓P3持續導通，讓該結構進入閂鎖狀態。

該結構觸發閂鎖狀態條件為：

1）足夠的單粒子能量降低B區電位，寄生PNP管P3導通；

2）P1導通引起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。

當該結構進入閂鎖狀態后，降低VIN電壓，BIAS電壓隨之降低，電流也降低，當N1的集電極電流降低到不能滿足觸發條件2（RNBL壓降大于1.4 V）時，LPNP管P3關斷，該結構不能維持，電路恢復正常。與激光試驗中閂鎖狀態下電源電壓下降到9 V電路恢復正常試驗結果一致。

1.3 仿真驗證

為了驗證機理分析，在電路仿真中添加該敏感部分的寄生結構，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生的脈沖電流，進行單粒子閂鎖效應仿真，如圖6所示。

圖6 單粒子閂鎖效應模擬仿真

仿真結果如圖7，當對P3基極施加低電平脈沖后，觸發該P-N-P-N結構出現閂鎖，控制輸出信號關斷，DC/DC輸出降低到0 V，脈沖撤銷后一直維持該狀態。

圖7 單粒子閂鎖效應模擬仿真波形

仿真結果表明，當寄生PNP的基極施加瞬態低電壓脈沖，PNP管P3導通，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，使該結構進入穩定閂鎖狀態。

1.4 模擬試驗

根據機理分析及仿真驗證結果，對正常電路芯片模擬單粒子或激光對該部分的觸發條件，由于P3基極無法通過FIB在芯片上引出進行驗證，因此，采用在P3發射級極FIB，通過外加激勵條件在P3發射極瞬間高壓，觸發單粒子效應，進行試驗驗證，如圖8所示。

圖8 P3發射極瞬間高壓試驗

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

2 改進措施

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

將N1與D1兩個器件分開到兩個隔離島，避免寄生PNP產生，如圖9所示。

圖9 改進方案

改進后的結構進行了同樣條件下的激光模擬及單粒子試驗，均未再出現閂鎖現象。

3 結論

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，可能產生的寄生PNPN結構，在特定條件下寄生PNPN觸發單粒子閂鎖效應的原因及條件，并進行了仿真及模擬試驗的驗證，確認了理論分析的正確性，針對這類PNPN結構提出了改進措施并進行了試驗驗證，有助于雙極型模擬集成電路的抗單粒子設計。