SRAM型FPGA单粒子效应敏感性分析研究

首先描述了典型的SRAM型FPGA内部通常包含的三类基本资源,并分析三类基本资源内部不同功能的电路单元对单粒子效应的敏感性,归纳出Virtex系列SRAM型FPGA中6种类型的单粒子效应敏感结构单元,并得出这些敏感结构单元的单粒子翻转、单粒子功能中断、单粒子闩锁的检测方式,最后对SRAM型FPGA单粒子效应评估研究的发展趋势做了简要总结。     

深亚微米SRAM器件单粒子效应的脉冲激光辐照试验研究

利用脉冲激光模拟试验装置对IDT公司0.13 μm工艺IDT71V416S SRAM的单粒子效应进行了试验研究。在3.3 V正常工作电压下,试验测量了单粒子翻转阈值和截面、单粒子闩锁阈值和闩锁电流及其与写入数据和工作状态的关系。单粒子翻转试验研究表明,该器件对翻转极敏感,测得的翻转阈值与重离子、质子试验结果符合较好;该器件对多位翻转较敏感,其中2位翻转占绝大部分且其所占比例随辐照激光能量增加而增大,这与重离子试验结果也一致。单粒子闩锁试验分析了闩锁效应的区域性特点,发现了器件闩锁电流呈微小增大的现象,即表现出单粒子微闩锁效应,分析了这种现象对传统的抗闩锁电路设计可能造成的影响。     

SRAM型FPGA的静态与动态单粒子效应试验

静态随机存取存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)在空间电子设备中取得了广泛的应用。但它内部大量的SRAM型存储单元极易发生单粒子软错误,特别是配置存储器中的单粒子翻转,有可能改变整个电路的结构,给其空间应用带来严重的可靠性问题。因此,有必要开展地面加速器模拟试验以评价该器件对单粒子效应的敏感程度,且对系统在空间中的失效行为进行预估。本工作在重离子加速器上对Xilinx的Virtex系列FPGA进行了单粒子效应试验,取得了典型器件的静态单粒子翻转截面曲线。针对3个测试电路进行的动态测试表明,系统的失效率远低于内部存储器发生翻转的频率,也不能简单地用资源占用率来进行估计。     

加速器单粒子效应样品温度测控系统研制及实验应用

为满足国内半导体器件单粒子效应(SEE)截面与温度的关系研究需求,本文基于北京HI-13串列加速器SEE辐照实验终端研制了样品温度测控系统,实现了90~450K范围内实验样品温度的测量和控制,系统控制精度好于±1K。为验证系统可靠性,使用该系统研究了SRAM单粒子翻转(SEU)截面随温度的变化关系,在215~353 K范围内测量了SRAM翻转截面随温度的变化曲线。结果表明,SRAM SEU截面随温度的升高而增加,与理论预期结果一致。     

温度对TFT SRAM单粒子翻转及其空间错误率预估的影响

本文研究了215～353 K温度范围内商用4M 0.15 μm薄膜晶体管结构SRAM单粒子翻转(SEU)截面随温度的变化。实验结果显示,在截面曲线饱和区,SEU截面基本不随温度变化;在截面曲线上升区,SEU截面随温度的升高而增加。使用Space Radiation 7.0软件研究了温度对其空间错误率预估的影响,模拟结果显示,SEU截面随温度的变化改变了SRAM SEU截面-LET值曲线形状,导致其LET阈值漂移,从而影响空间错误率预估结果     

SRAM K6R4016V1D单粒子闩锁及防护试验研究

本工作利用脉冲激光单粒子效应模拟试验装置对三星公司的SRAM K6R4016V1D进行了单粒子闩锁效应试验研究。试验测得了此器件的单粒子闩锁效应脉冲激光能量阈值、闩锁截面曲线和闩锁电流。针对这款器件,还对工程中防护闩锁过流常用的限流和断电方法进行了试验研究。试验结果表明,该器件具有非常低的单粒子闩锁效应阈值能量和很高的闩锁饱和截面,对空间辐射环境极其敏感。     

重离子加速器地面模拟单粒子效应

宇宙射线中的高能离子与物质相互作用，沿其路径将产生高密度的电离原子和电子的等离子体，通常它们通过再复合而消失。但在半导体器件中，在Ｐ－ｎ结局部电场的作用下，可以将电子和空穴在他们完全复合之前把他们分开，于是产生一个电流脉冲。如果被收集的电荷大于电路状...     

VA140的单粒子闩锁试验研究

专用集成电路是为特定用户或特定电子系统制作的集成电路,具有高性能、高可靠性等优点。专用集成电路VA140是中国暗物质卫星有效载荷硅微条探测器的关键器件。为测试VA140的抗单粒子闩锁特性,设计了简单的测试系统。应用兰州近代物理研究所重离子加速器进行测试,得到了有效试验数据。对试验数据进行处理,得到了VA140的闩锁截面与线性能量传输值的关系曲线、VA140的闩锁阈值及饱和截面,为其航天应用提供必要试验依据。     

SRAM单元中子单粒子翻转效应的Geant4模拟

应用Geant4工具,构造了不同特征尺寸的SRAM单元几何模型及单粒子翻转截面计算模型,分析了敏感体积和临界电荷对低能中子单粒子翻转效应的影响趋势,计算了反应堆裂变中子谱辐射环境下,不同特征尺寸SRAM的中子单粒子翻转截面,认为小尺寸SRAM器件的低能中子单粒子翻转效应更为严重。     

22 nm FDSOI工艺SRAM单粒子效应的重离子实验研究

针对22 nm全耗尽绝缘体上硅（FDSOI）工艺静态随机存储器（SRAM）开展了重离子实验,对比了不同加固设计的FDSOI SRAM的抗单粒子翻转（SEU）和多单元翻转（MCU）能力,分析了读写错误致存储阵列MCU的效应表征和作用机制,揭示了衬底偏置对FDSOI SRAM SEU敏感性的影响机理。研究结果表明：对5款被测FDSOI SRAM而言,抗SEU能力由弱到强依次为八管加固型SRAM2、冗余加固型SRAM1、双互锁结构（DICE）型SRAM3或SRAM4、双DICE型SRAM5;3款DICE型FDSOI SRAM的存储阵列自身抗MCU性能优于其他两款SRAM;虽然DICE型FDSOI SRAM的存储阵列自身抗MCU能力强,但读写错误致存储阵列MCU的影响不可忽略,且该影响随SRAM工作频率的提高愈加严重;衬底偏置通过对寄生双极放大效应的控制来影响FDSOI SRAM的SEU敏感性。     

65 nm工艺SRAM低能质子单粒子翻转实验研究

基于北京HI-13串列加速器质子源及技术改进工作,获得2～15 MeV低能质子束流。针对商业级65 nm工艺4M×18 bit大容量随机静态存储器（SRAM）,开展了质子单粒子翻转实验研究。实验结果表明,低能质子通过直接电离机制可在存储器中引起显著的单粒子翻转,其翻转截面较核反应机制引起的翻转截面大2～3个数量级。结合实验数据分析了质子翻转机制、LET值及射程、临界电荷及空间软错误率等,分析结果表明,实验器件翻转临界电荷约为0.97 fC,而低能质子超过高能质子成为质子软错误率的主要贡献因素。     

脉冲激光模拟SRAM器件单粒子翻转效应的试验方法研究

针对0.13 μm和0.35 μm工艺尺寸的两款商用SRAM器件进行了脉冲激光背部单粒子翻转效应试验方法研究。单粒子翻转效应主要测试单粒子翻转阈值和单粒子翻转截面,本文主要研究了激光聚焦深度、激光脉冲注量、测试模式和芯片配置的数据对测试两者的影响。试验结果表明：只有聚焦到芯片有源区才可测得最低的翻转阈值和最大的翻转截面,此时的结果与重离子结果基本一致;注量对翻转阈值测试无影响,但注量增大时翻转截面会减小,测试时激光脉冲注量应小于1×10⁷cm^-2;测试模式和存储数据对翻转阈值和翻转截面的影响不大,测试时可不考虑。     

特征工艺尺寸对CMOS SRAM抗单粒子翻转性能的影响

采用TCAD工艺模拟工具按照等比例缩小规则构建了从亚微米到超深亚微米级7种不同特征尺寸的MOS晶体管,计算了由这些晶体管组成的静态随机存储器(SRAM)单粒子翻转的临界电荷Qcrit、LET阈值(LETth),建立了LETth与临界电荷之间的解析关系,研究了特征工艺尺寸对CMOS SRAM抗单粒子翻转性能的影响及原因。研究表明:随着特征尺寸的减小,SRAM单元单粒子翻转的临界电荷减小,电荷收集效率由于寄生双极晶体管效应而增加,造成LETth随特征尺寸缩小而迅速减小,CMOS SRAM抗单粒子翻转性能迅速降低。     

SRAM单粒子锁定效应电路级防护设计研究

高密度CMOS工艺SRAM对单粒子锁定极端敏感的特性使其在空间应用时必须采取相应的防护策略。对于抗辐照能力较弱的CTOS,电路级防护成为提高系统可靠性的一项重要内容。利用激光单粒子效应试验装置,对CYPRESS公司的CY62167DV30LL型SRAM开展了一系列单粒子锁定效应试验。通过对试验结果进行线性拟合,计算出该款SRAM维持电压为1?5?1?6 V,维持电流为9?9?11?2 mA。根据维持电流、维持电压、工作电流、工作电压,对能否采用电路级防护做出判断。提出了电源限流和分压电阻两种电路级防护方法,并定量计算出电源限流取值和分压电阻取值范围。以往文献中电阻只是作为锁定被触发后限流的一种手段,并不能阻止器件发生锁定,本研究发现在满足一定条件下分压电阻可达到退出锁定的目的。两种防护方法均通过脉冲激光试验进行了验证。     

微处理器中子单粒子效应测试系统设计与试验研究

为开展微处理器的空间大气中子单粒子效应研究,以一款TI公司65 nm CMOS工艺的微处理器为研究对象,研制了一套微处理器中子单粒子效应测试系统。该测试系统可实现对被测微处理器的单粒子翻转、单粒子功能中断和单粒子闩锁效应的实时监测。利用加速器中子源,对该微处理器开展14 MeV中子辐照试验。试验结果表明,中子注量累积达3?5×1011 cm-2时,该器件未发生单粒子锁定效应。但总线通信、模数转换等功能模块发生了多次单粒子功能中断,其中集成总线通信接口模块为最敏感单位,试验获得的器件中子单粒子效应截面为6?6×10-11 cm2。     

空间单粒子翻转甄别与定位系统原理样机的设计及试验

单粒子翻转（SEU）是影响空间电子设备可靠性的重要因素,本文提出了一种SEU甄别与定位技术方法,研制了原理样机。硅探测器与辐照敏感器件在垂直方向相互临近安装,粒子入射到硅探测器的位置区域与目标辐照器件单粒子翻转的物理位置相对应。采用波形数字化技术实现了多道粒子甄别与能量信号测量,通过数据回读比较法实现了SRAM器件翻转逻辑定位检测。根据实验室测试和单粒子辐照试验结果,可探测高能粒子的LET≥6?06×10-3 MeV·cm2/mg,入射粒子的位置分辨率优于5 mm,最大计数率≥10 000 s-1,SRAM器件的SEU巡检周期时间分辨率为13?76 ms。通过掌握大容量SRAM型器件的SEU甄别与定位及其辐射环境感知能力,有助于提升空间电子设备的在轨工作性能。     

脉冲激光背照射单粒子效应实验研究

为避免集成电路正面金属层对激光的阻挡,采用背面照射的方法对非加固SRAMIL-2和加固SRAM1020-2进行了单粒子效应实验。对脉冲激光背面照射实验的相关问题进行了探讨。比较了两种器件产生单个位翻转的有效激光阈值能量,验证了器件加固措施的有效性。     

静态随机存储器单粒子翻转效应的二维数值模拟

采用MEDICI二维模拟软件对静态存储器SRAM的单粒子翻转(SEU)现象进行了计算。对MOSFET漏区模拟得到的结果与电荷漏斗模型相吻合,表明所建立的物理模型的正确性。通过输入不同粒子的线性能量传输LET值,得到了某一结构器件的收集电荷与LET值的关系曲线,并给出临界电荷7 73×10-14C。