抗辐照加固BICMOS结构电路的版图简化设计

代雪峰，唐 宁，王 沦

(1.东北大学理学院物理系，沈阳 110004;2.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳 110032)

1 引言

随着核技术和空间技术的不断发展，越来越多的电子元器件需要工作在空间电离辐射的环境中，其中广泛应用于电子系统与附属设备或中央处理器之间进行通讯和数据交换的通信接口类芯片得到更多关注。因此，在空间辐照环境下，通信接口类电路的电参数变化以及寿命等抗辐照加固特性［1－3］已经成为设计工程师首要关心的问题。

目前，国内航天工程中能够采用的通信接口电路以国外MAX公司基于RS232、RS422/RS485等通讯协议的系列工业级产品为标准，通过对芯片电路抗辐照加固设计后进行试验和应用。然而，这类芯片产品大多采用BICMOS电路结构，依据电参数范围不同，内部包含器件种类繁多，如高压MOS管、常压MOS管、NPN型双极管等，考虑到不同类型器件的辐照损伤机理不同，BICMOS结构电路在进行抗辐照加固处理时不仅增加设计难度，而且工艺复杂。这里以通信接口类芯片内部常用的振荡器单元为例，利用3μm抗辐照MOS工艺设计规则，对片上不同种类的器件单元进行同一规则的版图设计，实现一种新的BICMOS结构电路的抗辐照加固技术。

2 振荡器单元电路

图1为基于RS232协议的通信接口类芯片内部采用的振荡器电路。电路上电后，左边支路组成电源和地之间的直流通路产生振荡器单元的偏置电流，通过电流镜像，可以对C2电容进行充放电，依据C2电容充放电时间，决定C2电容上极板电位的上升下降时间，通过五级环路保证负反馈系统充足的180度相移实现振荡。在通信接口类芯片中，振荡器单元为电荷泵单元提供时钟，通过周期性能量传递提供所需供电信号，为实现低功耗设计，存储在电荷泵中的供电信号驱动能力充足时，可以停止振荡器工作，降低电荷泵内部开关频率，故附属振荡器单元会设计一个供电信号监测电路，控制振荡器单元的CTRL端。

图1 振荡器单元电路图

3 监测电路

图2所示，在双极型二级管带隙基准源电路结构的基础上，通过电阻串分压方式，对供电电压进行监测，当供电电压超出设定值时，在电阻串上产生的电流破坏基准源工作状态，输出端产生高电平，控制振荡器对C2电容进行泄流放电，使其停止工作。当供电电压低于设定值时，监测单元消除对振荡器的控制，振荡器开始工作。

图2 供电信号监测电路图

4 双极器件的版图设计

目前，BICMOS工艺都是在标准MOS或标准双极工艺基础上增加掩膜步骤，工艺复杂，大多数工艺至少需要15块掩膜版，更特殊的情况下，使用的掩膜版高达30块，故该工艺加工出的芯片产品，增加生产成本，延长制造时间。另外，从抗核加固设计技术上，MOS器件和双极器件辐照损伤机制不同，增强了BICMOS结构电路进行抗辐照加固设计的难度。因此，为简化上述问题带给BICMOS结构电路设计的复杂度，降低集成电路设计风险，最终依照抗辐照加固MOS工艺的设计规则进行双极器件的版图设计，具体结构如图3所示。

基于抗辐照MOS工艺设计规则，重新定义MOS器件的四个端子，MOS器件的源极和漏极对应横向NPN型双极器件的发射极和集电极;MOS器件的背栅对应横向NPN型双极器件的基极;MOS器件的栅极在横向NPN型双极器件中发挥不同的作用，依据MOS器件的工作原理，通过对栅极上施加不同的偏置电压，在多晶硅－氧化物－半导体方向上形成电场，引起MOS器件沟道区反型，实现MOS器件的工作态。而依据双极器件的工作原理，通过对多晶硅栅极施加固定偏置电压，在多晶硅－氧化物－半导体方向上不建立电场，无法形成沟道区。在半导体表面横向上，利用多晶硅栅极宽度设定发射区和集电区横向间距，再加上单元表面横向拓扑结构的设计，调节横向NPN型双极器件的工艺参数。

图3 双极器件版图结构

5 仿真结果

通过图4仿真结果得出，VPLUS供电信号监测点设定为5.64V，该值决定了振荡器是否停止工作。振荡器输出时钟频率也由供电信号上升过程中的固定值受到了调频。

图4 带监测电路的振荡器单元仿真结果

6 结 束 语

这种新的BICMOS结构电路的抗辐照设计技术，可以基于抗辐照MOS工艺的设计规则，对片上双极器件进行版图设计，大大减少了掩膜版层数，降低了BICMOS结构电路进行抗辐照加固设计的加工成本和风险。最终得出仿真结果满足设计要求。

［1］刘忠立，译.先进半导体材料及器件的辐射效应［M］.北京:国防工业出版社，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.