一种基于电路仿真的单粒子翻转效应判别方法技术

一种基于电路仿真的单粒子翻转效应判别方法，结合空间重离子与SRAM器件的物理相互作用过程，建立理论模型。通过电路仿真的形式，获得SRAM器件电信号故障模式的响应结果，能够分析不同重离子类型、不同粒子入射倾角等条件下器件能否发生单粒子翻转效应。本发明专利技术方法不需要地面重离子试验，仅仅通过电路仿真的形式即可判定在空间辐射环境下，不同条件下的粒子能否引起电路发生单粒子翻转，判别方法直观简便。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电路仿真的单粒子翻转效应判别方法
本专利技术属于微电子
，涉及一种通过电路仿真获取故障电信号的响应，来判别基本存储单元SRAM是否发生单粒子翻转的方法。
技术介绍
空间中充满了来自浩瀚宇宙的各种粒子：质子、电子、α粒子、重离子、γ射线等，这些粒子引起的辐射效应，尤其是单粒子翻转效应(SEU：SingleEventUpset)影响着空间电子系统的可靠性。航天应用的XilinxFPGA的配置区是由SRAM基本单元组成的。SRAM型FPGA以及SRAM存储器等是空间电子系统中的关键器件，单粒子效应是其面临的主要威胁。对于SRAM型FPGA，百分之九十以上发生的单粒子效应是单粒子翻转效应。重离子入射到SRAM的敏感节点时，能够引起晶体管状态的翻转，SRAM单粒子翻转效应可以看作是单个粒子入射以后引起节点瞬时电流，导致逻辑翻转的现象。发生单粒子翻转的基本物理过程是粒子在器件灵敏区中沉积足够的能量，从而产生足够的电离电荷，当高能带电粒子通过半导体器件的灵敏区时，在粒子通过的路径上将产生电离电荷，沉积在器件灵敏区中的电荷部分被电极收集，当收集到的电荷超过电路状态的临界电荷时，电路就会出现翻转，出现逻辑功能的混乱。目前判别器件发生单粒子效应的方法，主要是通过地面重离子模拟试验来实现。基于地面模拟试验开展的单粒子效应依赖于国内重离子源的限制，束流时间无法保证，且地面试验费用相对昂贵。而通过模拟仿真来进行判别时，广泛采用的模型方法都是基于经典的F.B.Mclean“漏斗”模型理论，但是“漏斗”模型不能表征重离子引起电流的瞬时特性，需要结合载流子输运理论研究空间辐射环境中重离子引起的器件结区的电荷收集机理。而且漏斗模型只是针对单个MOS单元进行理论建模，仅获取能够引起MOS单元发生单粒子翻转的临界电荷值Qc，即收集电荷能够引起单粒子翻转的电荷阈值。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于电路仿真的单粒子翻转效应判别方法，该方法能够快速有效的判别在不同能量、不同角度、不同种类重离子辐射条件下，电路是否会发生单粒子翻转。本专利技术的技术解决方案是：一种基于电路仿真的单粒子翻转效应判别方法，包括如下步骤：(1)确定入射的重离子类型，并计算重离子入射到SRAM器件上产生的电子-空穴对浓度N；其中：LET为重离子的线性能量传输系数，ρ为SRAM器件的衬底材料密度，为重离子最终剩余能量对应的阻止本领；(2)建立入射到SRAM器件后产生的瞬态电流源模型，I(t)＝I0·sec(θ)[exp(-αt)-exp(-βt)]其中：I0是近似的最大电流，θ指重离子入射倾角，t为时间变量，μn为电子迁移率，μp为空穴迁移率，E0为电离能，k为玻尔兹曼常数，q为电子电量，ε0＝8.85×10-14F/cm，ND为施主杂质的密度；(3)将步骤(2)建立的瞬态电流源模型等效成标准脉冲电流源；所述的标准脉冲电流源的参数包括电流最小值I1，电流最大值I2，脉冲宽度PW，上升时间TR，下降时间TF，周期PER；(4)根据SRAM器件工艺参数，选择寄生晶体管和寄生电阻，建立等效寄生电路，然后在等效寄生电路中至少一个寄生晶体管的PN结上并联一个标准脉冲电流源，PN结的位置根据需要仿真的SRAM器件可能发生单粒子翻转的位置确定；(5)获取SRAM器件工作正常时所述等效寄生电路的输出波形作为标准波形，将叠加标准脉冲电流源后所述等效寄生电路的输出波形作为实际波形，如果实际波形与标准波形一致，则判定SRAM器件未发生单粒子翻转，如果实际波形与标准波形不一致，则判定SRAM器件发生了单粒子翻转。本专利技术与现有技术相比的优点在于：本专利技术方法结合载流子输运理论，获得了重离子引起的电流瞬时特性，并将电流瞬时特性等效成SPICE中的标准电流源模型，能够直观的获得电路的单粒子翻转效应的响应结果。通过这一方法，能够针对不同的重离子辐射、不同的电路形式，进行建模仿真，能够快速有效的判别在不同能量、不同角度、不同种类重离子辐射条件下，电路是否会发生单粒子翻转。地面加速器试验是判别单粒子翻转效应的一种比较直接的方法，但是由于地面加速器束流时间紧张，且价格昂贵，导致电路的单粒子效应判别成本很高，而本方法基于电路建模仿真的方法，能够针对不同电路实现经济、快捷的单粒子翻转效应判别，获得的电路仿真器件的电信号响应结果可用于故障注入技术。附图说明图1为本专利技术方法的流程框图；图2(a)为重离子入射到器件中得到的电流响应，图2(b)为电流源模型等效成SPICE软件中的标准脉冲电流源示意图；图3为本专利技术SRAM受单粒子翻转效应影响的等效寄生电路示意图；图4为本专利技术SRAM单粒子翻转效应的仿真结果示意图；图4(a)为正确输出波形，图4(b)为发生了单粒子翻转的错误输出波形。具体实施方式空间中的重离子的种类不同，并且入射方向为全空间入射，因此首先需要分析不同粒子种类、能量和入射角度的重离子的影响机制。然后在获得重离子入射到器件产生的电流脉冲模型的基础上，结合电路仿真方法，能够实现重离子入射到电路引起电路输出的变化，进而获得电路故障的电信号响应，从而判别器件是否发生单粒子翻转。图1是本专利技术基于电路仿真的单粒子翻转效应判别方法的流程图，下面以SRAM器件为实施例进行详细说明。(1)计算重离子入射到器件上产生的电子-空穴对浓度N；根据入射重离子种类、能量，进行LET值的计算，重离子LET值计算公式为：其中：LET：重离子的线性能量传输系数，单位为MeV·cm2/mg；ρ：衬底材料密度，硅的密度为2.33×103mg/cm3；dE/dx：重离子最终剩余能量对应的阻止本领，单位为MeV/cm。一定类型的重离子入射到衬底中，其能量为E。dE/dx存在和重离子类型、能量和衬底类型的对应关系，目前较为权威的是SRIM软件给出的结果。下面举例说明dE/dx的计算过程：以C离子在衬底Si中的数据为例，SRIM软件可以给出如下面表1中所示的数据格式。表1SRIM计算C离子入射到硅衬底的相关参数其中“IonEnergy”代表重离子能量，“dE/dxElec.”代表电子阻止本领，单位为MeV·cm2/mg，“dE/dxNuclear”代表核阻止本领，单位为MeV·cm2/mg，“ProjectedRange”代表重离子射程，“LongitudinalStraggling”代表射程的纵向岐离，“LateralStraggling”代表射程的水平岐离。重离子的LET值指的是电子阻止本领和核阻止本领之和，因此需要将“dE/dxElec.”和“dE/dxNuclear”相加得到总的阻止本领。但由于“dE/dxNuclear”相比“dE/dxElec.”小很多，因此可以忽略。所以C离子入射到硅衬底中，不同能量E和阻止本领dE/dx的关系如表2所示：表2C离子能量和阻止本领根据LET值，可以计算入射后产生的电子-空穴对(载流子)的浓度N。对于硅衬底，产生一个电子-空穴对需要3.6eV的能量，所以产生的电子-空穴对的浓度为：N：电子-空穴对的浓度，单位为个/cm。(2)建立入射到器件后产生的瞬态电流源模型；电流源公式推导基于半导体输运模型和载流子连续性方程，如下所示：其中：Jn和Jp分别指电子电流密度本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电路仿真的单粒子翻转效应判别方法，其特征在于包括如下步骤：(1)确定入射的重离子类型，并计算重离子入射到SRAM器件上产生的电子‑空穴对浓度N；其中：N=LEF3.6,LET=1ρdEdx]]>LET为重离子的线性能量传输系数，ρ为SRAM器件的衬底材料密度，为重离子最终剩余能量对应的阻止本领；(2)建立入射到SRAM器件后产生的瞬态电流源模型，I(t)＝I0·sec(θ)[exp(‑αt)‑exp(‑βt)]I0=-qμ‾NE0,α=kϵ0qμ‾ND,β=1011s-1]]>其中：I0是近似的最大电流，θ指重离子入射倾角，t为时间变量，μn为电子迁移率，μp为空穴迁移率，E0为电离能，k为玻尔兹曼常数，q为电子电量，ε0＝8.85×10‑14F/cm，ND为施主杂质的密度；(3)将步骤(2)建立的瞬态电流源模型等效成标准脉冲电流源；所述的标准脉冲电流源的参数包括电流最小值I1，电流最大值I2，脉冲宽度PW，上升时间TR，下降时间TF，周期PER；(4)根据SRAM器件工艺参数，选择寄生晶体管和寄生电阻，建立等效寄生电路，然后在等效寄生电路中至少一个寄生晶体管的PN结上并联一个标准脉冲电流源，PN结的位置根据需要仿真的SRAM器件可能发生单粒子翻转的位置确定；(5)获取SRAM器件工作正常时所述等效寄生电路的输出波形作为标准波形，将叠加标准脉冲电流源后所述等效寄生电路的输出波形作为实际波形，如果实际波形与标准波形一致，则判定SRAM器件未发生单粒子翻转，如果实际波形与标准波形不一致，则判定SRAM器件发生了单粒子翻转。...

【技术特征摘要】
1.一种基于电路仿真的单粒子翻转效应判别方法，其特征在于包括如下步骤：(1)确定入射的重离子类型，并计算重离子入射到SRAM器件上产生的电子-空穴对浓度N；其中：LET为重离子的线性能量传输系数，ρ为SRAM器件的衬底材料密度，为重离子最终剩余能量对应的阻止本领；(2)建立入射到SRAM器件后产生的瞬态电流源模型，I(t)＝I0·sec(θ)[exp(-αt)-exp(-βt)]其中：I0是近似的最大电流，θ指重离子入射倾角，t为时间变量，μn为电子迁移率，μp为空穴迁移率，E0为电离能，k为玻尔...

【专利技术属性】
技术研发人员：王颖，蔡震波，张庆祥，赵小宇，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：北京;11