單粒子鎖定(單粒子鎖定)

單粒子鎖定（single event latch-up）是空間輻射單粒子效應的一種。主要發生於互補型金屬氧化物半導體電晶體(CMOS)器件上。CMOS器件的PNPN4層結構形成了寄生可控制結構、正常情況下，寄生的可控殊處於高限關閉狀態。

基本介紹

• 中文名：單粒子鎖定
• 外文名：single event latch-up
• 學科：航空工程
• 領域：航空航天
• 釋義：空間輻射單粒子效應的一種
• 發生於：互補型金屬氧化物半導體電晶體

簡介

單粒子鎖定（single event latch-up）是空間輻射單粒子效應的一種。主要發生於互補型金屬氧化物半導體電晶體(CMOS)器件上。CMOS器件的PNPN4層結構形成了寄生可控制結構、正常情況下，寄生的可控殊處於高限關閉狀態。單個帶電粒子人射產生的瞬態電流觸發可控矽結構使共導通，內丁控砝的正反饋特性使電流不斷增大，可控磚進人大電流再生狀態，即導致鎖定。大電流會導致器件局部溫度升高，器件永久性損壞。在航天工程中，防範單粒子鎖定的措施主要有限流電阻、限流電路或系統重新掉電、上電等。

單粒子鎖定觸發原理及主要特徵

鎖定現象是60年代伴隨著CMOS技術一同出現的，其根源是CMOS技術中固有的寄生雙極性電晶體結構。由於CMOS器件中固有的PNPN四層結構，構成了寄生的可控矽結構，在正常情況下，寄生的可控矽處於高阻關斷狀態。離子入射形成觸發信號觸發其導通，有電流流過，由於可控矽的正反饋特性.流過的電流不斷增大，進入大電流再生狀態，即發生單粒子鎖定現象。由於發生單粒子鎖定區的電流在SEL發生時將大幅度增加，所以對於大部分積體電路的單粒子鎖定研究都用電源輸入端的電流變化來確定單粒子鎖定現象，並把它作為單粒子鎖定的主要特徵。

單粒子鎖定實驗研究

為了更進一步研究單粒子鎖定現象，我們利用研製成功的單粒子鎖定測試系統分別在雷射單粒子效應模擬試驗系統和串列加速器上，開展了典型SRAM器件和CPU器件的單粒子鎖定實驗研究。

單粒子鎖定防護原理

由於空間輻射環境中的帶電粒子能量很高，能夠穿透器件晶片表面，深入到器件耗盡層以下，所以空間的帶電粒子，包括重離子和質子都能夠在晶片表面許多地方形成SEL觸發信號，引發SEL現象，發現對於在軌運行的衛星，質子是導致單粒子鎖定的主要原因。

單粒子鎖定被觸發時，如果電源輸入條件滿足該CMOS器件維持電壓和維持電流條件，電路將會無止境的供給電流，形成SEL異常大電流。這些電流一般都會很高，對於典型器件來說一般是0.3-3A，由於SEL被觸發後，在CMOS器件中形成了從電源輸入端到地端之間的異常大電流。所以迅速關斷輸入端電源，在鎖定現象消失後恢復器件供電，是單粒子鎖定防護的主要措施。

單粒子鎖定防護電路

根據鎖定防護的要求一斷電時間為幾個毫秒，並在電路中的大電流消失後能夠自動恢復對電子器件的供電。結合實際套用情況，採用開關三極體對電子器件供電利用電壓比較器實時監測供電迴路中的電流當電路中出現了不同於器件正常工作電流的異常大電流後，電壓比較器立即通過反饋迴路關閉器件輸入電源，當電路中的異常大電流消失後，斷開反饋迴路，恢復器件正常供電。

單粒子鎖定防護電路原理驗證

在單粒子鎖定防護電路研製成功後，利用鎖定實驗研究中對SEL現象比較敏感的HM65162器件對單粒子鎖定防護電路的設計原理和實際效果進行了試驗驗證，鎖定防護電路在鎖定觸發後迅速關斷樣品輸入電源，在SEL現象消失後又恢復供電的脈衝形狀。

SEL防護技術

在整個SEL試驗過程中，不同器件發生SEL飽和電流及持續時間相差較大，即使同一批器件也會有一定的差異，小的SEL飽和電流只有幾十毫安，大的可達數百毫安，甚至達到安培級。有時還可能出現微鎖定、飽和電流略大於正常工作電流。另外由於空間環境的輻射作用，器件承受的輻射劑量不斷增加，器件的性能也相應變差，飽和鎖定電流和啟動鎖定電流都會相應變化。對器件SEL監測條件而言，如何正確選擇SEL的門檻電流，對於SEL的防護至關重要的。
SEL的防護包含三層含義:

(1) 保護髮生SEL的器件及儀器不被SEL產生的大電流(幾百mA甚至幾A)燒毀;

(2) 保護其所使用的星上二次電源不被此突然驟增的負載電流所損壞;

(3)當其所用二次電源受SEL影響導致輸出電壓變化後，保護使用該二次電源的其他儀器不受傷害。
各國航天專家都致力於CMOS器件的SEL防護對策研究，提出了許多有效的防護措施，包括選用抗SEL器件(如藍寶石襯底SOS、單晶矽薄膜被絕緣層SOI等介質隔離工藝CMOS器件不存在PNPN四層結構，為無鎖定器件)、電路限流、電源過流保護、遙控斷電、過流時自主斷電等。