静态随机访问存储器型现场可编程门阵列辐照效应测试系统研制

　　随着航天事业的发展,小型化已经成为卫星发展的主要趋势,它要求所用电子元器件必须具有集成度高、尺寸小的特点,这就使得现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)成为星用电子元器件的主要器件。静态随机访问存储器(Static Random Access Memory, SRAM)是目前应用最为广泛的FPGA架构,它具有快速的可重编程能力,使得卫星在轨编程成为可能,因此在空间得到了广泛的应用。但空间应用表明,SRAM型FPGA器件具有较弱抗辐射能力[1-2],这使得FPGA器件的辐照效应研究成为空间电子元器件辐照效应研究的一个重要课题。

　　效应测试是进行电子元器件抗辐照性能评价的基础,目前国外对FPGA的辐照效应测试方法种类繁多[3-7],但没有形成统一的测试规范,而国内仍未见到相关工作的报导。因此,研究FPGA器件的辐照效应测试方法,建立FPGA辐照效应测试平台,就成为当前FPGA辐照效应研究的当务之急。

　　1　辐照效应及其影响

　　空间辐照环境对SRAM型的FPGA造成的辐照效应[3]主要有:总剂量效应(Total Ionizing Dose, TID)、单粒子翻转(Single Event Upset, SEU)、单粒子闭锁(Single Event Latchup, SEL)、单粒子功能中断(SingleEvent Functional Interrupt, SEFI)、单粒子瞬态脉冲(Single Event Transient, SET)、位移损伤(DisplacementDamage)等,它们的机理不尽相同,引起的失效形式也有所不同。

　　总剂量效应[9-10]:它是γ光子或高能离子在集成电路材料中电离产生电子空穴对,从而在氧化层中形成氧化物陷阱电荷及氧化层与Si界面处形成界面陷阱电荷,这两种电荷会造成MOSFET阈值电压、漏电流、阻抗等的变化。漏电流的变化体现在整个FPGA器件上,就是器件功耗电流的变化,而阈值电压变化到一定程度,则会造成内部存储器、触发器的翻转。国外研究表明,由于当前FPGA栅氧已经很薄,阈值电压的变化不大,漏电流是造成器件总剂量失效的主要因素。

　　单粒子翻转[11]:具有一定能量的带电粒子射入器件存储单元的耗尽区,引起电离,产生电离通道,在沟道中形成的电荷被灵敏体积收集并形成瞬态电流,当电流超过一定值时就会使存储单元的状态发生翻转。SRAM型FPGA内的配置存储器、块存储器、触发器等资源是单粒子翻转的敏感区。

　　单粒子闭锁[5]:CMOS器件的固有的P+NPN+四层结构,构成了可控硅结构。质子或重粒子的入射可以触发可控硅导通,进入大电流再生状态,从而发生单粒子闭锁。当器件发生闭锁时,功耗电流会迅速增大,必须在尽可能短的时间内切断电流,以防止器件烧毁。

　　单粒子功能中断[12]:它的机理与单粒子翻转相似,只是它主要发生在FPGA的全局控制部分,如上电复位电路(Power on Reset, POR),SelectMAP接口,JTAG接口等。它会造成FPGA器件的控制逻辑混乱,使得用户无法对FPGA进行正常的控制,需要断电复位重新配置才能恢复正常。