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技术干货| 宇宙环境对航天电子元器件的影响-宇宙环境及其影响

点击次数:335 更新时间:2023-11-22

前言

        宇宙充满了形式多样的辐射射线和粒子,它们可能来自于恒星体释放出的高能射线,也可能来自星体之间的碰撞过程释放出的射线。早在1903年卢瑟福和虎克就探测到非人造电离环境的存在,莱特和沃尔夫最早提出了这种电离放射源来自于宇宙。在虚无的宇宙中,暴露于这种辐射环境下的任何生物都无法生存。



地球为什么成为幸运儿

        地球作为幸运儿成为了适宜生物存在和生长的环境是由于地磁场和大气环境对这些高能射线的屏蔽。在太阳系中,宇宙射线主要来自于太阳释放的高能射线,包括质子、电子、以及太阳系外的高能离子。这些离子都有共同特点,自带电荷,而地球铁心旋转下产生的地磁场,能够俘获这些“喷射"而来的带电离子,将其束缚并甩出,从而保护了地面万物。但也在地球周边形成了一道道屏障,这个屏障就是由地磁场俘获的带电粒子,并以最早发现它的科学家范艾伦命名,称为为范艾伦辐射带(Van Allen radiation belt)。

对人类探索活动的影响

        范艾伦带保护了地球,但也形成了从几百千米到60000千米的高能粒子墙。而这个区域恰恰是人类探索空间,应用空间的主要活动区域,对于人类空间探索活动,我们的天然保护伞变得“不那么友好"。在人类没有发明半导体元器件之前,这些辐射离子仅仅可能造成航天人员身体上的“不适"。但是随着半导体技术不断发展,尤其是超大规模集成电路在空间飞行器广泛应用后,问题随之而来。电子元器件工作基于半导体内部载流子的定向移动,而无论是带电的质子,电子,重离子还是不带电的中子和光子,都会诱发半导体产生额外的电离,这使得电子元器件的载流子活动发生“失控"。一般称这种射线辐射造成器件“失控"的现象为辐射效应(Radiation Effects)。

根据产生影响机理和效果不同,辐射效应分成如下几类:

1总剂量效应(Dose Effects)

        总剂量效应体现在“总"字面上,意味着这种现象是一种与辐射量相关的累积过程。高能射线入射到半导体器件内部就会与半导体材料发生“交互作用",这种作用主要是入射射线将自身的能力释放出来,通过产生热量或者诱发半导体材料发生电离,即使中性区电离,产生电子-空穴对。在这个过程中热效应可以忽略,而明显影响半导体器件工作的是电离效应。能量的释放多少决定了效应大或小,工程上人们通常以离子入射轨迹上沉积电离能量来描述这种能量释放过程,即线性能量沉积值(LET-Linear Energy Transfer,MeV cm2/mg),工程标定普遍采用以Si为沉积介质来比较不同离子电离效应的大小,而科学上可以基于Monte-Carlo方法获得不同介质内LET值的大小。我们可以想象,粒子射线的LET越大,射线产生的电子-空穴对越多。而在半导体器件中尤其是结区,或者中性层中均存在较高的反偏电场,电场能够造成新产生的电子-空穴对的分离,宏观上表现出电流波动。可想而知,如果粒子LET过大,将产生较大的瞬态电流,这种瞬态电流会产生其他的电路功能异常。而在低LET值下,瞬态电流很小,不会直接诱发器件功能异常,但是载流子再输运过程中会与器件中Si和钝化层界面上发生交互作用,被Si/SiO2界面缺陷俘获,或由于氧化层绝缘性质,电子和空穴迁移速度不同,导致正电荷俘获累积。这些都会引起器件功能异常,而且这些被俘获的电荷会随着射线累积量的增加而增加,从而引发电路参数的不断漂移,这就是总剂量效应的累积效应的根本原因。器件参数随着总剂量累积的变化与器件功能实现结构有关,篇幅原因不详细论述。

2单粒子效应(Single Event Effects)

        接着前面说到的,当入射粒子LET值较大时,产生瞬态电流过高时,引发另一种瞬态效应,幸运的是,大LET粒子在宇宙空间中的分布非常稀薄,稀薄到没有两个粒子能够同时入射到器件上,因此这种瞬态效应,宏观表现的是较低占空比的脉冲形式,如果一个个独立事件发生一样,因此称之为单粒子事件,这种单事件瞬态效应主要产生的影响如下:

        1)电荷收集,造成器件某些电位的状态发生改变,常见于逻辑电路,存储器,这些器件共同特性依赖于电位高低传递表征信息,而高能粒子射线产生的瞬态电流会带来“节点"电荷收集,而超过临界量,节点电位就会发生改变,这个过程成为单粒子翻转(Single Event Upset)。

        2)瞬态电流激活器件内部寄生的“可控硅"结构,从而使得电流流动进入正向回馈循环,造成器件工作电流“阶梯"上升,这个效应称为单粒子锁定(Single Event Latch up)。

        3)对于复杂逻辑器件,如MCU、FPGA、DSP、CPU、GPU等处理器,单瞬态电流脉冲会造成某个或某段时序逻辑发生错误,从而造成程序“跑飞",功能丧失,这个效应称为单粒子功能中断(Single Event Function interrupt)。

        4)对于功率类器件,其本身工作过程要承载较大的功率,瞬态电流可能造成器件内的寄生BJT导通,从而使得寄生结构进入正反馈状态,最终造成器件的烧毁,这个效应称为单粒子烧毁(Single Event Burnup);或入射粒子穿透栅极,在器件内形成界面电荷累积,使栅电场瞬态增大,进而引发栅介质击穿,这个效应称为单粒子栅穿(Single Event Gate Rupture)。

3 位移损伤效应(Displacement Damage Effects)

        半导体材料是由Si、SiC、GaAs、GaN等材料以晶体和局域掺杂所呈现出特别的导电物理特性。高能粒子尤其是具有质量的粒子,如质子,其除了能够引起电离效应从而耗散自身能量外,还可以像“仔弹"一样与半导体晶体上的晶格原子发生“碰撞",扰乱正常的晶格排布,改变了“中性"的晶格环境,这种扰乱是持久性的,如同仔弹贯穿物体,留下持久的弹坑一样。被扰乱的晶格会表现出对载流子的吸附效果,从而使得载流子在半导体运动过程中被这些击穿的“孔洞"所俘获,进而造成载流子传输效率下降。