技術摘記

1999-07-09 單晶片8085與8051的比較

建立於 2010-12-06, 週一

四 太空級晶片與一般級晶片的差異

一般我們在地球表面所使用的晶片,由於空間中的幅射粒子很少,所以不必考慮到幅射線的影響。但是高空飛行器如:衛星,太空梭…等等,它們飛行的高度會受 到大量幅幅射線的影響,此時幅射線就會明顯的影響晶片的壽命及穩定性。晶片往往會因為承受強烈的粒子轟擊,而造成薄膜結構性及電性的破壞,此種破壞稱為” 幅射性損害”。這些幅射粒子的來源大致可分為下列四種:

  1. 陷入在 Van Allen 帶的電子與質子。
  2. 陷入在磁氣圈的重離子。
  3. 宇宙射線中的質子與重離子。
  4. 從太陽燄斑來的質子與重離子。

以上所提的四種幅射粒子來源都會受到太陽活動的影響。在電子學上,幅射破壞可分為兩類:一種是總離子幅射量(Total Ionizing Dose),另一種是單一事件的影響(Single
Event Effects)。總離子幅射量指的是元件長期暴露在離子化幅射下累增的退化影響。而幅射量dose的定義為物質單位質量所受到的幅射能量,單位通常為rads或gray(Gy),1
Gy=100rads,1 rad=6.24×107MeV/g。單一事件的影響指的是單一的離子化粒子,具有足夠的能量入射到元件上所產生的影響。不同的入射粒子與元件所產生的單一事件的影響是不同的。而單一事件所產生的影響一般分為兩種型態:軟體上的錯誤(soft
errors)與硬體上的錯誤(hard errors)。軟體上的錯誤不會對元件產生破壞,它可能造成記憶體單元或閉鎖一個位元的改變,或是在輸入/輸出,邏輯等電路造成變換。而硬體上的錯誤是指對於元件功能造成永久性的影響,形成對元件本體的破壞。

對於金屬氧化半導體而言,再經過幅射後,會造成固定氧化層電荷及介面阻陷濃度的增加。這些放射線離子主要的影響是會產生電子-電洞對穿越氧化層。這些被 阻陷的電洞可經由回火來移除。氧化層在長晶的過程中可由經驗找出最佳的狀況來強化氧化層。其他強化抗幅射影響的製程有利用鋁來做防護,阻止從空間來的大部 分電子,並且增加MOSFET的起始電壓,如此可減低經由放射影響對電壓改變的靈敏度。

太空電子學已經發展了好幾種不同的電路用來保護與恢復單一事件對積體電路所產生的閉鎖。相較之下,太空級的晶片穩定性與使用壽命比一般晶片來的好。例如LPT(Latchup
Protection Technology)電路是被設計用來保護與恢復易受影響的積體電路元件,有下列幾種特色:

  1. 提供元件電流的限制,限制單一事件閉鎖(Single Event Latchup)電流。
  2. 能夠在預設的初始值偵測SEL電流的增加,防止毀滅性的故障。
  3. 當SEL電流超出限制,可以對被保護的元件產生暫時停止運作。
  4. 元件在暫時停止運作的模式中,能夠維持一段預設的時間。
  5. 在暫時停止運作的模式後,元件能夠回歸到原來運作的層次。

以HARRIS公司出產的產品為例,如果產品編號末端帶有RH字樣,就是代表此晶片具有抗幅射的特性。就HS-80C85RH而言,其抗幅射的系數如下:

Parametrics Guaranteed : 1×105 RAD (防護測量的保證值)
Transient Upset > 1×108 RAD/s (防止短暫混亂的上限值)
Latch-up Free > 1×1012 RAD/s (防止閉鎖的上限值)

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