一种双极型电路在空间单粒子环境下的闩锁效应

彭克武，钟英俊，江军，付晓君

（中国电子科技集团公司 第二十四研究所，重庆 400060）

引言

随着空间技术的不断发展，越来越多的集成电路应用到空间环境下，空间环境的辐射条件就对集成电路的抗辐射能力提出了很高的挑战。大量的试验及卫星在轨数据表明，空间辐射中的单粒子越来越成为影响集成电路空间应用的关键所在，单粒子效应会导致集成电路数据传输出错，电路失效，可靠性降低等故障现象，所以，国内外对单粒子效应开展了很多研究[1-3]。

目前主流的针对单粒子效应的研究都是基于CMOS器件，而对于双极器件，由于器件本身不存在P-N-P-N的闩锁结构，因此大多认为双极器件对于单粒子闩锁效应免疫，但是在双极型模拟集成电路中，为了节约芯片面积，存在大量的多器件共用一个隔离岛的现象，同一个隔离岛内器件与器件之间就会产生一些寄生结构，在一定条件下，寄生结构也可能出现单粒子效应。国外从20世纪90年代开始针对部分双极型的PWM脉宽调制器开展了一系列的单粒子效应实验[4-7]，试验结果证明,双极型的PWM调制器单粒子效应与存储类器件的单粒子效应有很大不同，具有很多新的失效模式，如输出占空比和频率改变。

本次通过一款双极型单片DC/DC电路在单粒子试验过程中出现功能中断，电流增大的类似闩锁效应，分析了一种在双极电路中存在的寄生PNPN结构，在单粒子效应触发下，产生闩锁现象，导致电路功能异常，并通过激光模拟及仿真验证，提出了相应的改进措施，改进措施通过了激光模拟及单粒子试验验证。

1 双极器件单粒子闩锁机理分析

1.1 单粒子闩锁现象描述

某双极型单片DC/DC电路在中国原子能科学研究院进行单粒子试验过程中，当单粒子LET达到37 MeV·cm2/mg，注量累积到一定程度时，出现了控制输出无波形，DC/DC输出电压为0的现象，此时，电源电流从6.2 mA增大到24 mA（正常电流为6.2 mA），出现功能中断，并表现出类似闩锁效应，暂停单粒子轰击后输出电压仍不能恢复，断电后重新上电，输出电压恢复正常。

为了进一步分析该电路的单粒子中断现象，并定位导致单粒子闩锁的敏感部位，电路送中国科学院空间科学与应用研究中心进行激光模拟试验，试验结果与单粒子试验现象一致。同时，对出现单粒子闩锁的电路调整电源电压进行试验，当电源电压降低到9 V时（此时电源电流降低到13 mA），电路功能恢复正常。

1.2 机理分析

利用激光模拟试验光斑可调以及可实现逐点扫描的特性，对电路芯片进行了逐点照射，以确定敏感区域，当激光脉冲扫描到芯片表面图1的时候，单粒子闩锁现象出现，因此，确定了电路的单粒子闩锁敏感区域。

图1 单粒子敏感区域位置及剖面图

敏感区域器件N1和D1在电路中对应的电路图如图2所示，该结构处于电路的内部偏置模块，其中VIN为输入电源，Bias为内部偏置模块的输出电压，电压值2.5 V，Bias为电路其他单元供电。

图2 敏感区域器件对应电路图

通过对图1隔离岛内器件及寄生结构进行分析，在肖特基二极管D1的版图设计中，在肖特基接触的周围设计了P型保护环，以提高肖特基结的反向击穿电压。这种结构将肖特基接触的外沿包围在一个被称为场释放保护环（field relief guard ring）的薄基区扩散条内，保护环的存在完全消除了肖特基接触边沿处的横向电场，从而把这种结构的击穿电压提升到等同于基区扩散的VCBO。P型保护环与肖特基阳极短接在一起，该P型保护环与N1的集电极（N型）和基极（P型）之间有可能形成一个寄生的PNP管P3，如图3所示。

图3 寄生PNP管结构图

考虑到NPN管集电极串联电阻RNBL，寄生PNP管P3在电路中和N1管、RNBL构成了一个P-N-P-N结构，简化示意图如图4所示。

图4 P-N-P-N结构简化示意图

在电路正常工作的时候，由于N1管的集电极电流约3 mA，RNBL电阻上的压降约为0.3 V，此时P1、发射极电位低于基极电位，P1关断，该P-N-P-N结构不能导通。

当重粒子撞击到P1这个寄生PNP的基区B区时，如图5所示，造成该区域电子-空穴对被电离，产生电子、空穴，在电场的作用在电子、空穴产生移动，产生从N型埋层到B区的电流，使得B区电位低于N型埋层外接的VIN电压，由于B区所在的外延层电阻率较高，方块阻值较大，当单粒子能量增大到一定程度（达到37 MeV·cm2/mg）时，电流增加到一定值，使得B区电位即P3的基极电位降低到低于VIN-1.4V时，P1这个寄生PNP管导通。

图5 单粒子触发效应图

P3导通后，电流流向N1基极，在N1晶体管的电流放大作用下，N1的发射极输出异常大电流，抬高Bias电压，如果Bias电压没有电流泄放通道，那么单粒子关闭后该结构即可恢复正常状态，但是由于Bias在电路中为其他模块供电及提供偏置，Bias电压抬高后引起这些模块电流全部增大，这就为N1发射极输出电流提供了泄放通道，同时，N1的发射极电流由流过了集电极串联电阻RNBL，产生足够的压降（≥1.4 V）让P3持续导通，让该结构进入闩锁状态。

该结构触发闩锁状态条件为：

1）足够的单粒子能量降低B区电位，寄生PNP管P3导通；

2）P1导通引起Q144输出大电流抬高Bias，Bias抬高后引起的电流增大在RNBL电阻上的压降大于1.4 V。

当该结构进入闩锁状态后，降低VIN电压，BIAS电压随之降低，电流也降低，当N1的集电极电流降低到不能满足触发条件2（RNBL压降大于1.4 V）时，LPNP管P3关断，该结构不能维持，电路恢复正常。与激光试验中闩锁状态下电源电压下降到9 V电路恢复正常试验结果一致。

1.3 仿真验证

为了验证机理分析，在电路仿真中添加该敏感部分的寄生结构，并在寄生PNP管P3的基极施加一个脉冲低电压，模拟单粒子轰击瞬间产生的脉冲电流，进行单粒子闩锁效应仿真，如图6所示。

图6 单粒子闩锁效应模拟仿真

仿真结果如图7，当对P3基极施加低电平脉冲后，触发该P-N-P-N结构出现闩锁，控制输出信号关断，DC/DC输出降低到0 V，脉冲撤销后一直维持该状态。

图7 单粒子闩锁效应模拟仿真波形

仿真结果表明，当寄生PNP的基极施加瞬态低电压脉冲，PNP管P3导通，P3电流电流灌入Q144的基极，该电流被放大，使得N1集电极电流瞬间抬高，同时抬高N1发射极电压（Bias），N1的大电流同时又拉低P3的基极电压，维持P3的开启，使该结构进入稳定闩锁状态。

1.4 模拟试验

根据机理分析及仿真验证结果，对正常电路芯片模拟单粒子或激光对该部分的触发条件，由于P3基极无法通过FIB在芯片上引出进行验证，因此，采用在P3发射级极FIB，通过外加激励条件在P3发射极瞬间高压，触发单粒子效应，进行试验验证，如图8所示。

图8 P3发射极瞬间高压试验

试验过程中，当P3发射极施加电压超过VIN电压0.5 V以后，触发电路出现了输出无功能，电源电流增大的现象，并一直维持在该状态，重新上电后，功能恢复正常，与单粒子闩锁现象一致。

2 改进措施

根据该单粒子闩锁现象的触发条件，改进措施主要通过减小RNBL电阻，降低寄生PNP管P3的增益，或者直接避免P3的产生几个方面入手，为彻底解决此问题，改进措施采用隔离岛分离直接避免P3的产生的方式进行验证。

将N1与D1两个器件分开到两个隔离岛，避免寄生PNP产生，如图9所示。

图9 改进方案

改进后的结构进行了同样条件下的激光模拟及单粒子试验，均未再出现闩锁现象。

3 结论

本文介绍了基于某款双极型单片DC/DC电路单粒子闩锁故障，分析了在双极型模拟集成电路中，多器件共用一个隔离岛时，可能产生的寄生PNPN结构，在特定条件下寄生PNPN触发单粒子闩锁效应的原因及条件，并进行了仿真及模拟试验的验证，确认了理论分析的正确性，针对这类PNPN结构提出了改进措施并进行了试验验证，有助于双极型模拟集成电路的抗单粒子设计。