中小规模逻辑电路单粒子效应实验研究

工艺
功能
L ST TL 高速 CM O S
六反相器 双 D 触发器 双单稳态振荡器
六反相器 双 D 触发器 双单稳态振荡器
型号
74L S04 74L S74 74L S123 54H C 04 54H C 74 54H C 123
DU T 座架相对于束流方向的角度可 以调节。DU T 座架置于真空靶室内, 挡板
1 实验
实 验所用样品 (DU T ) 的工艺类型、功能及型号列于 表 1。实 验 选 用 L S T TL 和 高 速 CM O S 两种工艺的六反相器、双 D 触发器和双单稳态振荡器 3 种功能的 DU T。
总剂量辐照是采用兰州辐照技术开发中心的 60Co Χ 辐射源完成的, 该辐射源的活度为 714×1015 B q。DU T 在辐照过程中处于静态偏置状态。
7 Koga R , Ko la sin sk iW A. H eavy Ion2induced Sing le Even t U p sets of M odern M icrocircu its; A Summ a ry of the A ero sp ace Co rpo ra tion T est D a ta. IEEE T ran s N ucl Sci, 1984,N S231 (6) : 1190.
图3 不同总吸收剂量下 74L S123 的 Ρ2L ET 曲线 F ig. 3 Ρ vs L ET cu rve of
74L S123 a t d ifferen t to ta l ab so rbed do ses 1——D t= 0 Gy; 2——D t= 140 Gy; 3——D t= 160 Gy
第31卷第3期 1997年5月
原子能科学技术 A tom ic Energy Science and T echno logy
V o l. 31, N o. 3 M ay 1997
中小规模逻辑电路单粒子效应实验研究
敬 辉 曹 洲 杨兆铭
(兰州物理研究所, 730000)
李志常
(中国原子能科学研究院, 北京, 102413)
4 P rice W E, N icho ls D K,M ea sel PR , et a l. Sing le Even t U p set Sen sitivity of L ow Pow er Scho ttky D evices. IEEE T ran s N ucl Sci, 1982,N S229 (6) : 2064.
式中: N 为 SEU 次数, F 为入射到 DU T 表面的离子束注量 (单位: cm - 2) , Η为离子束与器件
表面法线负方向之间的夹角。因此, Ρ2L ET 曲线的实验可归结为在不同的重离子轰击下 (亦即
对于不同的 L ET 值) 监测 N 和 F。N 用计算机监测记录系统监测, F 则用谱仪监测 (图1)。
5 N icho ls D K, P rice W E, M a lone CJ , et a l. A Summ a ry of J PL Sing le Even t U p set T est D a ta F rom M ay 1982 T h rough J anua ry 19841 IEEE T ran s N ucl Sci, 1984,N S231 (6) : 1186.
6 N icho ls D K, P rice W E, Ko la sin sk iW A , et a l. T rend s in Pa rts Su scep tib ility to Sing le Even t U p set F rom H eavy Ion s. IEEE T ran s N ucl Sci, 1985, N S232 (6) : 4189.
Ρ cm 2
1185×10- 4 7150×10- 5 1110×10- 4 1175×10- 4
注: 1) 总吸收剂量 D t (Si) 由 0 增至 116×102 Gy
Ρ 增幅1) % - 60
+ 37
逻辑电路的 SEU 属于瞬时性的, 不同于 CPU 、RAM 和 ROM 的“永久性”SEU 。此外, 从 数量级上进行比较也可以说明中小规模逻辑电路的 SEU 不容忽视。当然, 并非所有中小规模 逻辑电路 SEU 都很严重, 本工作就未观察到 74L S04 的 SEU ; 实验结果表明高速 CM O S 电 路的 SEU 敏感性比低功耗 T TL 电路弱得多。实验所用 L ET 值最高为 5311 M eV m g- 1 cm 2, 具有这么高的 L ET 值的 I 离子垂直入射 3 种高速 CM O S 电路未监测到 SEU 。让 I 离子 以 45°角入射 DU T (有效 L ET 值约为 75 M eV m g- 1 cm 2) , 仅对于 D t (Si) = 116×102 Gy 时 54HC123 才记录到 SEU , 其器件截面 Ρ= 313×10- 6 cm 2。实际上, 高速 CM O S 电路临界 L ET 值比较高, 例如, 54HC164 和 54HC109 的临界 L ET 值分别为 40 和 100 M eV m g- 1 cm 2。
Cu 离子、B r 离子和 I 离子, 其有关参数列
1——散射用金板; 2——挡板; 3——DU T 座架;
于表2。
4——谱仪探头; 5——真空靶室
表2 重离子束的参数 Table 2 Param eters of heavy ion beam s used in the exper im en t
表3 总吸收剂量对 Ρ 的影响 Table 3 Inf luence of tota l absorbed dose on Ρ
器件 74L S74
轰击离子 I 离子
L ET M eV m g- 1 cm 2 5311
74L S123 B r 离子
3910
总吸收剂量 D t Gy 0 116×102 0 116×102
离子种类
Cu 离子 B r 离子
I 离子
离子能量 M eV
12513 14216 15017
L ET M eV m g- 1 cm 2
3117 3910 5311
Si 内射程 Λm
2112 2111 1818
2 结果与讨论
SEU 截面 Ρ (单位: cm 2) 为:
Ρ= N (F co sΗ)
(1)
270
原子能科学技术 第31卷
3 结论
开展了典型中小规模逻辑电路单粒子效应及协合效应的实验研究, 得到以下结果。 1) 74L S74 和 74L S123 的 SEU 较为严重, 其截面可与 80C86 相比较, 但 74L S04 未观察 到 SEU 。 2) 54HC 系列逻辑电路 SEU 敏感性比 74L S 系列弱得多。在本实验范围内, 仅当辐照至 一定总吸收剂量时 54HC 123 才记录到 SEU 。星载电子设备应尽量选用高速 CM O S 而避免使 用 L S T TL 电路。“伽利略”号木星探测器在发射之前采取紧急措施, 用高速 CM O S 电路替换 L S T TL 电路[10 ]。 3) 总吸收剂量对 Ρ2L ET 曲线的影响因器件而异: 对于 74L S74, Ρ2L ET 曲线随总吸收剂 量而下移; 相反, 对于 74L S123 则上移。
将不处于实验状态的 DU T 与离子束隔 开。SEU 的瞬时脉冲经前置测试系统整形 后送入计算机监测记录系统。从前置测试
系统至计算机监测记录系统的电缆长 50
图1 SEU 实验系统图示
m。谱仪用来监测离子束注量。实验采用 F ig. 1 T he schem e of the SEU 2exp erim en tal arrangem en t
介绍了中小规模逻辑电路的单粒子效应实验。单粒子效应实验是在中国原子能科学研究院核 物理国家实验室的 H I213 型串列加速器上完成的。用60Co Χ 射线辐照至一定剂量后再用重离子轰 击, 在不同总吸收剂量下获得了 Ρ2L ET 曲线。对实验结果进行了讨论并得出中小规模逻辑电路的 单粒子效应不容忽视的结论。
参 考 文 献
1 B inder D , Sm ith EC , Ho lm an AB. Sa tellite A nom a lies F rom Ga lactic Co sm ic R ays. IEEE T ran s N ucl Sci, 1975,N S222 (6) : 2675.
2 N ew berry DM , Kaye DH , So li GA. Sing le Even t Induced T ran sien ts in I O D evices: A Cha racteriza tion. IEEE T ran s N ucl Sci, 1990, 37 (6) : 1974.
第3期Leabharlann Baidu 敬 辉等: 中小规模逻辑电路单粒子效应实验研究
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星入轨运行时间的加长, 74L S74 SEU 减弱, 而 74L S123 SEU 增强。本文对增强或减弱的程度 作了一定量的比较。当总吸收剂量 D (Si) 由 0 增至 116×102 Gy 时, 74L S74 的 Ρ 减小 60% , 而 74L S123 的 Ρ 则增大 37% (表3)。
74L S74 和 74L S123 逻辑电路的 Ρ2L ET 曲线随总吸收剂量而变化的方向是不同的 (图2、
3) : 对于 74L S74, 曲线随总吸收剂量而下移, 表明随着总吸收剂量的增大 SEU 减弱 (图2) ; 相
反, 对于 74L S123, 曲线上移, 意味着 SEU 随总吸收剂量增大而增强。由此可以推断, 随着卫
关键词 单粒子效应 单粒子翻转 总吸收剂量 线性能量传输 单粒子翻转截面 (Ρ)
B inder 小组[1]1975 年就 T TL J 2K 触发器讨论了星载电子设备的单粒子效应 (SEE ) , 这 种触发器属于中小规模逻辑电路。随着大规模、超大规模集成电路在星载电子设备 (尤其是星 载计算机) 里的广泛应用, 对 SEE 的注意力集中于 CPU 、RAM 和 ROM , 而或多或少地忽视 了中小规模逻辑电路的 SEE。实际上, 单粒子翻转效应 (SEU ) 可以分为“永久性”SEU 与瞬时 SEU 两种。CPU 、RAM 和 ROM 的 SEU 属于“永久性”SEU , 而逻辑电路的 SEU 则属于瞬时 SEU [2]。检错纠错 (EDA C) 技术无法解决逻辑电路的 SEU 。80 年代以来, 已有人利用加速器重 离子做过中小规模逻辑电路的 SEU 实验, 给出临界 L ET 值或饱和截面, 但未见报道完整的 Ρ2L ET 曲线[3- 9]。此外, 逻辑电路 Ρ2L ET 曲线与总吸收剂量的关系未见有人研究。本文的工作 致力于研究几种典型的逻辑电路的 Ρ2L ET 曲线与总吸收剂量的关系。
SEU Ρ2L ET 曲线实验是在中国原子能科学研究院核物理国家实验室用其 H I213 型串列
收稿日期: 1996206204 收到修改稿日期: 1996208206
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原子能科学技术 第31卷
加速器的重离子束完成的。实验系统示于图1。实验前须将 DU T 的顶盖撬掉。
表1 样品的工艺类型、功能及型号 Table 1 Technolog ica l type and function of the sam ple
3 N icho ls D K, P rice W E,M a lone CJ. Sing le Even t U p set of Sem iconducto r D evices—— a Summ a ry of J PL T est D a ta. IEEE T ran s N ucl Sci, 1983,N S230 (6) : 4520.
图2 不同总吸收剂量下 74L S74 的 Ρ2L ET 曲线 F ig. 2 Ρ vs L ET cu rve of
74L S74 a t d ifferen t to ta l ab so rbed do ses 1——D t (Si) = 0 Gy; 2——D t (Si) = 140 Gy; 3——D t (Si) = 160 Gy