宇宙環(huán)境對(duì)航天電子元器件的影響-宇宙環(huán)境及其影響

前言

宇宙充滿(mǎn)了形式多樣的輻射射線(xiàn)和粒子，它們可能來(lái)自于恒星體釋放出的高能射線(xiàn)，也可能來(lái)自星體之間的碰撞過(guò)程釋放出的射線(xiàn)。早在1903年盧瑟福和虎克就探測(cè)到非人造電離環(huán)境的存在，萊特和沃爾夫最早提出了這種電離放射源來(lái)自于宇宙。在虛無(wú)的宇宙中，暴露于這種輻射環(huán)境下的任何生物都無(wú)法生存。

地球?yàn)槭裁闯蔀樾疫\(yùn)兒

地球作為幸運(yùn)兒成為了適宜生物存在和生長(zhǎng)的環(huán)境是由于地磁場(chǎng)和大氣環(huán)境對(duì)這些高能射線(xiàn)的屏蔽。在太陽(yáng)系中，宇宙射線(xiàn)主要來(lái)自于太陽(yáng)釋放的高能射線(xiàn)，包括質(zhì)子、電子、以及太陽(yáng)系外的高能離子。這些離子都有共同特點(diǎn)，自帶電荷，而地球鐵心旋轉(zhuǎn)下產(chǎn)生的地磁場(chǎng)，能夠俘獲這些“噴射”而來(lái)的帶電離子，將其束縛并甩出，從而保護(hù)了地面萬(wàn)物。但也在地球周邊形成了一道道屏障，這個(gè)屏障就是由地磁場(chǎng)俘獲的帶電粒子，并以最早發(fā)現(xiàn)它的科學(xué)家范艾倫命名，稱(chēng)為為范艾倫輻射帶(Van Allen radiation belt）。

對(duì)人類(lèi)探索活動(dòng)的影響

范艾倫帶保護(hù)了地球，但也形成了從幾百千米到60000千米的高能粒子墻。而這個(gè)區(qū)域恰恰是人類(lèi)探索空間，應(yīng)用空間的主要活動(dòng)區(qū)域，對(duì)于人類(lèi)空間探索活動(dòng)，我們的天然保護(hù)傘變得“不那么友好”。在人類(lèi)沒(méi)有發(fā)明半導(dǎo)體元器件之前，這些輻射離子僅僅可能造成航天人員身體上的“不適”。但是隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷發(fā)展，尤其是超大規(guī)模集成電路在空間飛行器廣泛應(yīng)用后，問(wèn)題隨之而來(lái)。電子元器件工作基于半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的定向移動(dòng)，而無(wú)論是帶電的質(zhì)子，電子，重離子還是不帶電的中子和光子，都會(huì)誘發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生額外的電離，這使得電子元器件的載流子活動(dòng)發(fā)生“失控”。一般稱(chēng)這種射線(xiàn)輻射造成器件“失控”的現(xiàn)象為輻射效應(yīng)（Radiation Effects）。

根據(jù)產(chǎn)生影響機(jī)理和效果不同，輻射效應(yīng)分成如下幾類(lèi)：

1總劑量效應(yīng)（Dose Effects）

總劑量效應(yīng)體現(xiàn)在“總”字面上，意味著這種現(xiàn)象是一種與輻射量相關(guān)的累積過(guò)程。高能射線(xiàn)入射到半導(dǎo)體器件內(nèi)部就會(huì)與半導(dǎo)體材料發(fā)生“交互作用”，這種作用主要是入射射線(xiàn)將自身的能力釋放出來(lái)，通過(guò)產(chǎn)生熱量或者誘發(fā)半導(dǎo)體材料發(fā)生電離，即使中性區(qū)電離，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在這個(gè)過(guò)程中熱效應(yīng)可以忽略，而明顯影響半導(dǎo)體器件工作的是電離效應(yīng)。能量的釋放多少?zèng)Q定了效應(yīng)大或小，工程上人們通常以離子入射軌跡上沉積電離能量來(lái)描述這種能量釋放過(guò)程，即線(xiàn)性能量沉積值（LET-Linear Energy Transfer，MeV cm2/mg），工程標(biāo)定普遍采用以Si為沉積介質(zhì)來(lái)比較不同離子電離效應(yīng)的大小，而科學(xué)上可以基于Monte-Carlo方法獲得不同介質(zhì)內(nèi)LET值的大小。我們可以想象，粒子射線(xiàn)的LET越大，射線(xiàn)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)越多。而在半導(dǎo)體器件中尤其是結(jié)區(qū)，或者中性層中均存在較高的反偏電場(chǎng)，電場(chǎng)能夠造成新產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的分離，宏觀上表現(xiàn)出電流波動(dòng)?？上攵?，如果粒子LET過(guò)大，將產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，這種瞬態(tài)電流會(huì)產(chǎn)生其他的電路功能異常。而在低LET值下，瞬態(tài)電流很小，不會(huì)直接誘發(fā)器件功能異常，但是載流子再輸運(yùn)過(guò)程中會(huì)與器件中Si和鈍化層界面上發(fā)生交互作用，被Si/SiO2界面缺陷俘獲，或由于氧化層絕緣性質(zhì)，電子和空穴遷移速度不同，導(dǎo)致正電荷俘獲累積。這些都會(huì)引起器件功能異常，而且這些被俘獲的電荷會(huì)隨著射線(xiàn)累積量的增加而增加，從而引發(fā)電路參數(shù)的不斷漂移，這就是總劑量效應(yīng)的累積效應(yīng)的根本原因。器件參數(shù)隨著總劑量累積的變化與器件功能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)有關(guān)，篇幅原因不詳細(xì)論述。

2單粒子效應(yīng)（Single Event Effects）

接著前面說(shuō)到的，當(dāng)入射粒子LET值較大時(shí)，產(chǎn)生瞬態(tài)電流過(guò)高時(shí)，引發(fā)另一種瞬態(tài)效應(yīng)，幸運(yùn)的是，大LET粒子在宇宙空間中的分布非常稀薄，稀薄到?jīng)]有兩個(gè)粒子能夠同時(shí)入射到器件上，因此這種瞬態(tài)效應(yīng)，宏觀表現(xiàn)的是較低占空比的脈沖形式，如果一個(gè)個(gè)獨(dú)立事件發(fā)生一樣，因此稱(chēng)之為單粒子事件，這種單事件瞬態(tài)效應(yīng)主要產(chǎn)生的影響如下：

1）電荷收集，造成器件某些電位的狀態(tài)發(fā)生改變，常見(jiàn)于邏輯電路，存儲(chǔ)器，這些器件共同特性依賴(lài)于電位高低傳遞表征信息，而高能粒子射線(xiàn)產(chǎn)生的瞬態(tài)電流會(huì)帶來(lái)“節(jié)點(diǎn)”電荷收集，而超過(guò)臨界量，節(jié)點(diǎn)電位就會(huì)發(fā)生改變，這個(gè)過(guò)程成為單粒子翻轉(zhuǎn)（Single Event Upset）。

2）瞬態(tài)電流激活器件內(nèi)部寄生的“可控硅”結(jié)構(gòu)，從而使得電流流動(dòng)進(jìn)入正向回饋循環(huán)，造成器件工作電流“階梯”上升，這個(gè)效應(yīng)稱(chēng)為單粒子鎖定（Single Event Latch up）。

3）對(duì)于復(fù)雜邏輯器件，如MCU、FPGA、DSP、CPU、GPU等處理器，單瞬態(tài)電流脈沖會(huì)造成某個(gè)或某段時(shí)序邏輯發(fā)生錯(cuò)誤，從而造成程序“跑飛”，功能喪失，這個(gè)效應(yīng)稱(chēng)為單粒子功能中斷（Single Event Function interrupt）。

4）對(duì)于功率類(lèi)器件，其本身工作過(guò)程要承載較大的功率，瞬態(tài)電流可能造成器件內(nèi)的寄生BJT導(dǎo)通，從而使得寄生結(jié)構(gòu)進(jìn)入正反饋狀態(tài)，最終造成器件的燒毀，這個(gè)效應(yīng)稱(chēng)為單粒子燒毀（Single Event Burnup）；或入射粒子穿透柵極，在器件內(nèi)形成界面電荷累積，使柵電場(chǎng)瞬態(tài)增大，進(jìn)而引發(fā)柵介質(zhì)擊穿，這個(gè)效應(yīng)稱(chēng)為單粒子?xùn)糯⊿ingle Event Gate Rupture）。

3 位移損傷效應(yīng)（Displacement Damage Effects）

半導(dǎo)體材料是由Si、SiC、GaAs、GaN等材料以晶體和局域摻雜所呈現(xiàn)出獨(dú)特的導(dǎo)電物理特性。高能粒子尤其是具有質(zhì)量的粒子，如質(zhì)子，其除了能夠引起電離效應(yīng)從而耗散自身能量外，還可以像“子彈”一樣與半導(dǎo)體晶體上的晶格原子發(fā)生“碰撞”，擾亂正常的晶格排布，改變了“中性”的晶格環(huán)境，這種擾亂是永久性的，如同子彈貫穿物體，留下永久的彈坑一樣。被擾亂的晶格會(huì)表現(xiàn)出對(duì)載流子的吸附效果，從而使得載流子在半導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被這些擊穿的“孔洞”所俘獲，進(jìn)而造成載流子傳輸效率下降。