多灵敏区单粒子效应预计的方法和系统

摘要

本发明涉及一种多灵敏区单粒子效应预计的方法和系统，其中，多灵敏区单粒子效应预计的方法，包括以下步骤：确定半导体器件各灵敏区的临界电荷值，获取触发半导体器件一次单粒子效应所需的灵敏区的数量；在有效灵敏区的数量等于所需的灵敏区的数量时，确定在半导体器件中触发了一次单粒子效应；有效灵敏区为收集的电荷量大于临界电荷值的灵敏区。本发明提供了单粒子效应的触发需多个灵敏区的收集电荷均大于其临界电荷的模型，可以从根本上解决传统RPP/IRPP模型无法计算多位翻转的问题，为TMR、DICE、ADE等加固电路提供单粒子效应预计模型，实现抗辐射加固器件在轨单粒子效应的准确预计。

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路单粒子效应预计领域，特别是涉及一种多灵敏区单粒子效应预计的方法和系统。

背景技术

空间飞行器运行于恶劣的天然辐射环境中，银河宇宙射线、太阳宇宙射线和地磁场俘获带中的高能质子、α粒子和重离子在空间电子学系统中产生的单粒子效应(Single Event Effects，SEE)严重威胁航天器的安全运行。

据美国国家地球物理数据中心统计，自1971年至1986年间，美国发射的39颗同步卫星中由各种原因造成的故障总数共1589次，其中由单粒子翻转(Single Event Upset，SEU)引起的故障达621次，占故障总数的39％。中国空间科学技术研究院统计了我国6颗同步卫星中的故障原因，空间辐射环境引起的故障在总故障中的比例达到了40％。美国国家航空航天局(NationalAeronautics and Space Administration，NASA)马歇尔太空飞行中心(MarshallSpace Flight Center，MSFC)将一百多次空间环境引起的卫星异常分为七大类，分别为等离子体、辐射、空间碎片和流星体、大气、太阳、热和地磁场。2011年，法国国家空间研究中心使用NASA MSFC的分类方法，并按照物理起因，将太阳引起的异常划分入等离子体、辐射或地磁范畴，各类别所占比例如图1所示。由图1可知，辐射效应是引起飞行器工作异常的主要原因，所占比例达到45％。图2进一步将辐射效应分类，给出各种辐射效应引起空间飞行器异常所占的比例，图2中单粒子翻转包括单粒子瞬态脉冲(Single Event Transient，SET)的贡献。由图2可知，相比于总剂量效应和太阳电池板退化，单粒子效应是最主要的异常起因，所占比例达到86％。单粒子效应日益成为制约现代先进电子元器件航天应用的瓶颈问题。

作为目前行业内最广泛使用的空间环境错误率预测模型和计算机代码的基础，RPP/IRPP(Rectangular ParallelePiped/Integral Rectangular ParallelePiped,立方 体/积分立方体)模型已取得了近30年的成功，其有效性也被多年的在轨数据所证实。

但是在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：RPP/IRPP模型仅考虑单个RPP中的电荷收集，不考虑多RPP电荷共享。因此，传统RPP/IRPP模型无法预计多位翻转，也不具备评估加固电路如三模冗余(TripleModular Redundancy，TMR)、双互锁单元(Dual Interlocked Cell，DICE)、活跃延迟元素(Active Delay Element，ADE)等单粒子效应敏感性和有效性的能力，原因在于上述加固方法的失效均需要多个灵敏区的电荷共享引起。

发明内容

基于此，有必要针对传统RPP/IRPP模型无法预计多灵敏区单粒子效应的问题，提供一种多灵敏区单粒子效应预计的方法和系统。

为了实现上述目的，本发明技术方案的实施例为：

一方面，提供了一种多灵敏区单粒子效应预计的方法，包括以下步骤：

确定半导体器件各灵敏区的临界电荷值；

获取触发半导体器件一次单粒子效应所需的灵敏区的数量；

在有效灵敏区的数量等于所需的灵敏区的数量时，确定在半导体器件中触发了一次单粒子效应；有效灵敏区为收集的电荷量大于临界电荷值的灵敏区。

另一方面，提供了一种多灵敏区单粒子效应预计的系统，包括：

第一确定模块，用于确定半导体器件各灵敏区的临界电荷值；

获取模块，用于获取触发半导体器件一次单粒子效应所需的灵敏区的数量；

触发模块，用于在有效灵敏区的数量等于所需的灵敏区的数量时，确定在半导体器件中触发了一次单粒子效应；有效灵敏区为收集的电荷量大于临界电荷值的灵敏区。

上述技术方案具有如下有益效果：

本发明多灵敏区单粒子效应预计的方法和系统，提供了单粒子效应的触发需多个灵敏区的收集电荷均大于其临界电荷的模型，可以从根本上解决传统RPP/IRPP模型无法计算多位翻转的问题，为TMR、DICE、ADE等加固电路提 供单粒子效应预计模型，实现抗辐射加固器件在轨单粒子效应的准确预计。基于“当且仅当多个灵敏区收集的电荷均大于其临界电荷时，才触发一次单粒子效应”的技术方案，确定触发一次单粒子效应需要的灵敏区数量、位置、大小和间距，可替代传统RPP/IRPP模型，用于TMR、DICE、ADE等加固电路的单粒子效应预计，并用于多位翻转的计算。

附图说明

图1为空间环境引起的飞行器异常的占比示意图；

图2为辐射效应引起的飞行器异常的占比示意图；

图3为DICE电路的结构示意图；

图4为本发明多灵敏区单粒子效应预计的方法实施例1的流程示意图；

图5为本发明多灵敏区单粒子效应预计的方法实施例1中多灵敏区单粒子效应模型示意图；

图6为本发明多灵敏区单粒子效应预计的系统实施例1的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了更清楚的说明本发明的技术方案，对本发明中出现的缩略语和关键术语进行一一说明：

单粒子效应(Single Event Effects，SEE)：指具有一定能量的单个粒子(包括重离子、质子、中子等)在半导体器件中产生的效应，包括单粒子翻转、多 位翻转、单粒子锁定、单粒子硬错误、单粒子功能中断、单粒子烧毁、单粒子栅穿、单粒子瞬态脉冲等。

单粒子翻转(Single Event Upset，SEU)：指由于单粒子辐射引起电路的逻辑状态发生变化，即逻辑“1”变成逻辑“0”，或逻辑“0”变成逻辑“1”，造成电路逻辑功能混乱。

多位翻转(Multiple-bit Upset，MBU)：指单个粒子入射到存储电路中，沉积足够的能量，导致多个存储单元发生翻转；通常认为其产生原因为单个离子径迹中的电荷通过漂移、扩散或寄生双极放大效应被多个灵敏节点共享而引起。

直接电离：具有一定能量的粒子入射半导体器件，直接与器件材料原子的核外电子相互作用，产生电离作用。

间接电离：具有一定能量的粒子入射半导体器件，通过与器件材料的原子核相互作用，产生次级粒子，该次级粒子进一步在器件中传播，产生电离作用。

DICE(Dual Interlocked Cell，双互锁单元)：一种设计加固的存储单元电路，如图3所示。

TMR(Triple Modular Redundancy，三模冗余)：一种电路加固方法，采用时间或空间的方法将对象备份两份，最终输出结果通过表决三个模块的各自输出结果，“少数服从多数”。

本发明多灵敏区单粒子效应预计的方法实施例1：

为了解决传统RPP/IRPP模型无法预计多灵敏区单粒子效应的问题，本发明提供了一种多灵敏区单粒子效应预计的方法实施例1，图4为本发明多灵敏区单粒子效应预计的方法实施例1的流程示意图；如图4所示，可以包括以下步骤：

步骤S410：确定半导体器件各灵敏区的临界电荷值；

其中，能够选用的半导体器件可以包括存储器、处理器以及FPGA(Field－Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)等；

步骤S420：获取触发半导体器件一次单粒子效应所需的灵敏区的数量；

步骤S430：在有效灵敏区的数量等于所需的灵敏区的数量时，确定在半导体器件中触发了一次单粒子效应；有效灵敏区为收集的电荷量大于临界电荷值的灵敏区。

具体而言，图5为本发明多灵敏区单粒子效应预计的方法实施例1中多灵敏区单粒子效应模型示意图；如图5所示，每个灵敏区SV_i，对应一个临界电荷值，Q_c，i；当且仅当多个灵敏区收集的电荷Q_i均大于其临界电荷时，才触发一次单粒子效应。具体流程可以为：

(1)确定灵敏区的数量和各自的临界电荷；

(2)各个灵敏区收集的电荷是否均大于其临界电荷？

(3)是，即触发一次单粒子效应；否，不触发单粒子效应。

即每个灵敏区均有一个临界电荷值，每个灵敏区各自收集的电荷量均需要大于其临界电荷值。在本发明中，一般根据半导体器件的类型不同，多个灵敏区中的多个可以为两个，但也有大于两个的情况；对于多位翻转，对多个灵敏区中的多个可以没有具体的数值范围。

在一个具体的实施例中，本发明多灵敏区单粒子效应预计的方法实施例1，还可以包括步骤：

根据单粒子效应的类型或半导体器件的类型，确定所需的灵敏区的数量；其中，单粒子效应的类型可以包括多位翻转；半导体器件的类型可以包括TMR加固器件和DICE加固器件。

在一个具体的实施例中，上述根据单粒子效应的类型或半导体器件的类型，确定所需的灵敏区的数量的步骤可以包括：

在单粒子效应的类型为多位翻转时，根据多位翻转的大小确定所需的灵敏区的数量；

在半导体器件的类型为TMR加固器件时，确定所需的灵敏区的数量为两个；

在半导体器件的类型为DICE加固器件时，确定所需的灵敏区的数量为两个。

具体而言，触发一次单粒子效应需要的灵敏区数量一般为两个，但也有大于两个的情况；对于多位翻转，没有具体的数值范围(即大于等于2个)；触发一次单粒子效应需要的灵敏区数量或位置可以通过以下方式确定：

对于多位翻转，根据多位翻转的大小确定灵敏区数量，如两位翻转对应的灵敏区为两个，三位翻转对应的灵敏区为三个，以此类推；

对于TMR加固器件，触发一次单粒子效应需要的灵敏区数量为两个，灵敏 区的位置为三个单元中的任意两个；

对于DICE加固器件，触发一次单粒子效应需要的灵敏区数量两个。

在一个具体的实施例中，在步骤S430之前还可以包括步骤：

通过对半导体器件进行粒子入射，在各灵敏区中或附近沉积能量，获得供灵敏区进行收集的电荷；粒子包括重离子、质子和中子；在各灵敏区中或附近沉积能量的方式包括以下方式中的任意一项：直接电离或间接电离。

在一个具体的实施例中，在步骤S410之前还可以包括步骤：

根据灵敏区的大小和间距，确定半导体器件包含的全部灵敏区。

具体而言，通常应在确定整个器件包含的灵敏区的大小和间距后，将整个器件的灵敏区考虑在内，评估单个粒子入射后，收集电荷量超过临界电荷的灵敏区；而灵敏区的大小和间距可通过重离子试验、电路版图、反向分析或其它方式获得。若开展重离子试验，一般需要进行倾角入射来评估多位翻转敏感性或加固电路的有效性，其中，多位翻转敏感性是确定灵敏区大小和间距的一种技术手段。

为了更为清楚的说明本发明多灵敏区单粒子效应预计的方法的技术方案，特以本发明多灵敏区单粒子效应预计模型为基础，阐述本发明方法的整个实施过程，主要可以包括以下步骤：

1)粒子入射半导体器件，在灵敏区中或附近沉积能量产生电荷；其中，宏观上，粒子可以为重离子、质子、中子等，半导体器件可以包括存储器、处理器、FPGA等；微观上，例如可以指单个重离子入射存储器。在一个具体的实施例中，可以采用单个粒子入射半导体器件的方式沉积能量产生电荷。在灵敏区中或附近产生电荷的方式可以为直接电离或间接电离。

2)灵敏区收集电荷；收集电荷的方式可为漂移、扩散等，在一个具体的实施例中，即电荷通过漂移、扩散等过程，从原始位置移动到灵敏节点，被收集后形成一个瞬态脉冲。

3)每个灵敏区SV_i，对应一个临界电荷值，Q_c，i；当且仅当多个灵敏区收集的电荷Q_i均大于其临界电荷时，才触发一次单粒子效应(如图5所示)。

触发一次单粒子效应需要的灵敏区数量或位置一般可以通过以下方式确定：

a)对于多位翻转，根据多位翻转的大小确定了灵敏区数量，灵敏区的位置一般为相邻或相近的多个灵敏区；

b)对于TMR加固器件，触发一次单粒子效应需要的灵敏区数量为两个，灵敏区的位置为三个单元中的任意两个；

c)对于DICE加固器件，触发一次单粒子效应需要的灵敏区数量为两个。

本发明多灵敏区单粒子效应预计的方法实施例1，提供了单粒子效应的触发需多个灵敏区的收集电荷均大于其临界电荷的模型，可以从根本上解决传统RPP/IRPP模型无法计算多位翻转的问题，为TMR、DICE、ADE等加固电路提供单粒子效应预计模型，实现抗辐射加固器件在轨单粒子效应的准确预计。基于“当且仅当多个灵敏区收集的电荷均大于其临界电荷时，才触发一次单粒子效应”的技术方案，确定触发一次单粒子效应需要的灵敏区数量、位置、大小和间距，可替代传统RPP/IRPP模型，用于TMR、DICE、ADE等加固电路的单粒子效应预计，并用于多位翻转的计算。

本发明多灵敏区单粒子效应预计的系统实施例1：

基于上述多灵敏区单粒子效应预计的方法的技术思想，本发明还提供了一种多灵敏区单粒子效应预计的系统实施例1；图6为本发明多灵敏区单粒子效应预计的系统实施例1的结构示意图，如图6所示，可以包括：

第一确定模块610，用于确定半导体器件各灵敏区的临界电荷值；

获取模块620，用于获取触发半导体器件一次单粒子效应所需的灵敏区的数量；

触发模块630，用于在有效灵敏区的数量等于所需的灵敏区的数量时，确定在半导体器件中触发了一次单粒子效应；有效灵敏区为收集的电荷量大于临界电荷值的灵敏区。

在一个具体的实施例中，获取模块620可以用于根据单粒子效应的类型或半导体器件的类型，确定所需的灵敏区的数量；其中，单粒子效应的类型可以包括多位翻转；半导体器件的类型可以包括TMR加固器件和DICE加固器件。

在一个具体的实施例中，获取模块620可以包括：

第一类型获取模块622，用于在单粒子效应的类型为多位翻转时，根据多位 翻转的大小确定所需的灵敏区的数量；

第二类型获取模块624，用于在半导体器件的类型为TMR加固器件时，确定所需的灵敏区的数量为两个；

第三类型获取模块626，在半导体器件的类型为DICE加固器件时，确定所需的灵敏区的数量为两个。

在一个具体的实施例中，本发明多灵敏区单粒子效应预计的系统实施例1，还可以包括：

粒子入射模块640，用于通过对半导体器件进行粒子入射，在各灵敏区中或附近沉积能量，获得供灵敏区进行收集的电荷量；粒子包括重离子、质子和中子；在各灵敏区中或附近沉积能量的方式包括以下方式中的任意一项：直接电离或间接电离。

在一个具体的实施例中，本发明多灵敏区单粒子效应预计的系统实施例1，还可以包括：

第二确定模块650，用于根据灵敏区的大小和间距，确定半导体器件包含的全部灵敏区。

为了更为清楚的说明本发明多灵敏区单粒子效应预计的系统的技术方案，特以本发明多灵敏区单粒子效应预计模型为基础，阐述本发明系统的整个实现过程：

粒子入射模块用于对半导体器件进行粒子入射，在灵敏区中或附近沉积能量产生电荷；

灵敏区收集电荷；收集电荷的方式可为漂移、扩散等，在一个具体的实施例中，即电荷通过漂移、扩散等过程，从原始位置移动到灵敏节点，被收集后形成一个瞬态脉冲。

每个灵敏区SV_i，对应一个临界电荷值，Q_c，i；当且仅当多个灵敏区收集的电荷Q_i均大于其临界电荷时，触发模块用于确定触发了一次单粒子效应。

触发一次单粒子效应需要的灵敏区数量或位置可以通过获取模块来确定：

对于多位翻转，第一类型获取模块根据多位翻转的大小确定灵敏区数量，灵敏区的位置一般为相邻或相近的多个灵敏区；

对于TMR加固器件，第二类型获取模块确定触发一次单粒子效应需要的灵敏区数量为两个，灵敏区的位置为三个单元中的任意两个；

对于DICE加固器件，第三类型获取模块确定触发一次单粒子效应需要的灵敏区数量为两个。

通常应在确定整个器件包含的灵敏区的大小和间距后，将整个器件的灵敏区考虑在内，评估单个粒子入射后，收集电荷量超过临界电荷的灵敏区；而第二确定模块可以用于确定灵敏区的大小和间距，具体可以通过重离子试验、电路版图、反向分析或其它方式获得。

本发明多灵敏区单粒子效应预计的系统实施例1，提供了单粒子效应的触发需多个灵敏区的收集电荷均大于其临界电荷的模型，可以从根本上解决传统RPP/IRPP模型无法计算多位翻转的问题，为TMR、DICE、ADE等加固电路提供单粒子效应预计模型，实现抗辐射加固器件在轨单粒子效应的准确预计。基于“当且仅当多个灵敏区收集的电荷均大于其临界电荷时，才触发一次单粒子效应”的技术方案，确定触发一次单粒子效应需要的灵敏区数量、位置、大小和间距，可替代传统RPP/IRPP模型，用于TMR、DICE、ADE等加固电路的单粒子效应预计，并用于多位翻转的计算。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。