單粒子效應

單粒子效應是指單個高能粒子穿過微電子器件的靈敏區時造成器件狀態的非正常改變的一種輻射效應，包括單粒子翻轉、單粒子鎖定、單粒子燒毀、單粒子柵擊穿等。

基本介紹

• 中文名：單粒子效應
• 外文名：Single event effect
• 性質：輻射效應
• 分類：單粒子翻轉、鎖定、燒毀、柵擊穿
• 觸發源：高能粒子
• 威脅部位：微電子器件靈敏部位

成因

單個空間高能帶電粒子擊中微電子器件靈敏部位，由於電離作用產生額外電荷，使器件邏輯狀態改變、功能受到干擾或失效等。造成太空飛行器器件單粒子效應的高能帶電粒子主要是高能質子和高能重離子。

研究簡史

單粒子效應，顧名思義，是由單個的高能粒子引起的。單粒子翻轉的假設首先是由Wallmark and Marcus 在1962年提出的。而第一次被觀測到的衛星異常，是由Binder et al.在1975年報告的。May and Woods觀測到由α粒子引起的軟錯誤，他們研究中的α粒子不是來自行星際空間中的，而是從積體電路的封裝材料中痕量級（ppm）的鈾和釷的自然衰變中來的。

分類

單粒子效應種類很多，主要有單粒子翻轉、單粒子鎖定和單粒子燒毀、單粒子柵擊穿等。

單粒子翻轉（Single event upset）

單粒子翻轉是單個高能粒子作用於半導體器件，引發器件的邏輯狀態發生異常變化。單粒子翻轉是空間輻射造成的多種單粒子效應中最常見和最典型的一種，主要發生在數據存儲或指令相關器件中。單粒子翻轉造成的器件錯誤屬“軟錯誤”，即通過系統復位、重新加電或重新寫入能夠恢復到正常狀態。太空飛行器抗單粒子效應設計的主要途徑是採用檢錯糾錯碼技術，即通過軟體或硬體設計，發現單粒子翻轉錯誤並糾正它，使之不會對太空飛行器系統造成進一步更嚴重，乃至致命的錯誤。

單粒子翻轉示意圖

單粒子鎖定（Single event latchup）

單粒子鎖定，是單粒子效應的一種，單粒子入射產生的瞬態電流會導致設備功能性損壞。單粒子鎖定主要發生於CMOS器件中。CMOS器件的PN-PN四層結構形成了寄生可控矽結構，正常情況下，寄生的可控矽處於高阻關閉狀態。單個帶電粒子入射產生的瞬態電流觸發可控矽結構使其導通，由於可控矽的正反饋特性使電流不斷增大，進入大電流再生狀態，即導致鎖定。一般而言，單粒子鎖定都是由重離子引起的。對於典型器件，鎖定電流高達安培量級，大電流導致器件局部溫度升高，導致器件永久性損壞。重新掉電、上電可以清除單粒子鎖定，但如果沒有迅速斷電，過度的加熱以及鍍金或鍵合線發生故障，都會帶來不可逆的永久性傷害。而對於某些非常敏感的設備，質子也會導致單粒子鎖定。在航天工程中，防範單粒子鎖定的措施主要有限流電阻、限流電路或系統重新掉電、上電等。

單粒子鎖定示意圖

單粒子燒毀（Single event burnout）

單粒子燒毀是場效應管漏極-源極局部燒毀，屬於破壞性效應。入射粒子產生的瞬態電流導致敏感的寄生雙極結電晶體導通，雙極結電晶體的再生反饋機製造成收集結電流不斷增大，直至產生二次擊穿，造成漏極-源極永久短路，直至電路燒毀，單粒子燒毀主要影響CMOS、power BJTs 、MOSFETs等器件。

單粒子柵穿（Single event gate rupture）

單粒子柵穿，是指在功率MOSFETs器件中，單粒子導致在柵氧化物中形成導電路徑的破壞性的燒毀。

危害

由於現在的衛星日益複雜，高性能的微電子器件被大量套用在衛星系統中，單粒子效應的危害十分嚴重，當它造成太空飛行器控制系統的邏輯混亂時，可能造成災難性後果。在歷次的強太陽風暴期間都有多顆衛星由於單粒子效應而出現異常和故障，例如，在2003年萬聖節事件期間，太陽質子事件曾經導致地球同步軌道衛星Inmarsat中的一顆衛星由於CPU癱瘓而失效，美國SOHO、ACE、Wind、Polar、GOES等科學衛星數據丟失或損壞。單粒子效應是繼電漿充電效應之後又一威脅太空飛行器安全的主要空間環境效應，而且隨著太空飛行器系統複雜程度和器件集成度越來越高，單粒子效應的危害會更加嚴重。