单粒子锁定

空间辐射单粒子效应

单粒子锁定（single event latch-up）是空间辐射单粒子效应的一种。主要发生于互补型金属氧化物半导体晶体管(CMOS)器件上。CMOS器件的PNPN4层结构形成了寄生可控制结构、正常情况下，寄生的可控殊处于高限关闭状态。

效应简介

单粒子锁定（single event latch-up）是空间辐射单粒子效应的一种。主要发生于互补型金属氧化物半导体晶体管(CMOS)器件上。CMOS器件的PNPN4层结构形成了寄生可控制结构、正常情况下，寄生的可控殊处于高限关闭状态。单个带电粒子人射产生的瞬态电流触发可控硅结构使共导通，内丁控砝的正反馈特性使电流不断增大，可控砖进人大电流再生状态，即导致锁定。大电流会导致器件局部温度升高，器件永久性损坏。在航天工程中，防范单粒子锁定的措施主要有限流电阻、限流电路或系统重新掉电、上电等。

原理特征

锁定现象是60年代伴随着CMOS技术一同出现的，其根源是CMOS技术中固有的寄生双极性晶体管结构。由于CMOS器件中固有的PNPN四层结构，构成了寄生的可控硅结构，在正常情况下，寄生的可控硅处于高阻关断状态。离子入射形成触发信号触发其导通，有电流流过，由于可控硅的正反馈特性.流过的电流不断增大，进入大电流再生状态，即发生单粒子锁定现象。由于发生单粒子锁定区的电流在SEL发生时将大幅度增加，所以对于大部分集成电路的单粒子锁定研究都用电源输入端的电流变化来确定单粒子锁定现象，并把它作为单粒子锁定的主要特征。

实验研究

为了更进一步研究单粒子锁定现象，我们利用研制成功的单粒子锁定测试系统分别在激光单粒子效应模拟试验系统和串列加速器上，开展了典型SRAM器件和CPU器件的单粒子锁定实验研究。

防护原理

由于空间辐射环境中的带电粒子能量很高，能够穿透器件芯片表面，深入到器件耗尽层以下，所以空间的带电粒子，包括重离子和质子都能够在芯片表面许多地方形成SEL触发信号，引发SEL现象，发现对于在轨运行的卫星，质子是导致单粒子锁定的主要原因。

单粒子锁定被触发时，如果电源输入条件满足该CMOS器件维持电压和维持电流条件，电路将会无止境的供给电流，形成SEL异常大电流。这些电流一般都会很高，对于典型器件来说一般是0.3-3A，由于SEL被触发后，在CMOS器件中形成了从电源输入端到地端之间的异常大电流。所以迅速关断输入端电源，在锁定现象消失后恢复器件供电，是单粒子锁定防护的主要措施。

防护电路

根据锁定防护的要求一断电时间为几个毫秒，并在电路中的大电流消失后能够自动恢复对电子器件的供电。结合实际应用情况，采用开关三极管对电子器件供电利用电压比较器实时监测供电回路中的电流当电路中出现了不同于器件正常工作电流的异常大电流后，电压比较器立即通过反馈回路关闭器件输入电源，当电路中的异常大电流消失后，断开反馈回路，恢复器件正常供电。

原理验证

在单粒子锁定防护电路研制成功后，利用锁定实验研究中对SEL现象比较敏感的HM65162器件对单粒子锁定防护电路的设计原理和实际效果进行了试验验证，锁定防护电路在锁定触发后迅速关断样品输入电源，在SEL现象消失后又恢复供电的脉冲形状。

防护技术

在整个SEL试验过程中，不同器件发生SEL饱和电流及持续时间相差较大，即使同一批器件也会有一定的差异，小的SEL饱和电流只有几十毫安，大的可达数百毫安，甚至达到安培级。有时还可能出现微锁定、饱和电流略大于正常工作电流。另外由于空间环境的辐射作用，器件承受的辐射剂量不断增加，器件的性能也相应变差，饱和锁定电流和启动锁定电流都会相应变化。对器件SEL监测条件而言，如何正确选择SEL的门槛电流，对于SEL的防护至关重要的。

SEL的防护包含三层含义:

(1) 保护发生SEL的器件及仪器不被SEL产生的大电流(几百mA甚至几A)烧毁;

(2) 保护其所使用的星上二次电源不被此突然骤增的负载电流所损坏;

(3)当其所用二次电源受SEL影响导致输出电压变化后，保护使用该二次电源的其他仪器不受伤害。

各国航天专家都致力于CMOS器件的SEL防护对策研究，提出了许多有效的防护措施，包括选用抗SEL器件(如蓝宝石衬底SOS、单晶硅薄膜被绝缘层SOI等介质隔离工艺CMOS器件不存在PNPN四层结构，为无锁定器件)、电路限流、电源过流保护、遥控断电、过流时自主断电等。

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