芯片在某些特定的使用场景下需要考虑辐射对芯片应用可靠性的影响，比如航空航天领域，那么如何对芯片开展这类的测试来确认是否满足这些场景下的使用可靠性呢？

本文将从单粒子效应入手，以TI的一颗宇航级负载开关为例，简单介绍单粒子效应的测试流程与方法。

1. 什么是单粒子效应

单粒子效应（SEE）包括：

1）单粒子锁定（SEL）

2）单粒子烧毁（SEB）

3）单粒子栅极击穿（SEGR）

CMOS电路有SEL敏感性的潜在风险，如果由高能离子通过引起的过量电流注入足够高，触发寄生交叉耦合PNP和NPN双极结构的形成（在p衬底和n阱以及n+和p+接触之间形成），则可能发生SEL。由单粒子触发的寄生双极结构会形成高导电路径（导致稳态电流，通常比正常工作电流高几个数量级）。这种电源和地之间的电流会持续或锁定，直到电源被移除、器件复位或器件被高电流状态破坏。

DMOS在关闭状态下容易受到SEB/SEGR的影响。然而，器件也在所有可能的情况下（启用和禁用）进行了评估。SEB与SEL类似，当重离子撞击DMOSFET的寄生BJT时发生。当具有足够能量的重离子击中p体时，会产生过量电荷，引起电压降。该电压降正向偏置寄生NPN的发射极-基极结（由N+源极、P基极区域和N漂移区域形成）。如果这种情况发生在DMOSFET处于高漏极偏置时，寄生npn BJT的二次击穿可能发生，导致DMOS永久损坏。

当重离子击中DMOS的颈部区域（栅极下方）时，会在氧化物和硅上产生电子-空穴对。由于DMOS的漏极到源极的正偏置场，漂移将过量电子和空穴分离。空穴被驱动到氧化物上方，而电子被传输到漏极。氧化物上收集的空穴在栅极氧化物的另一侧产生等量的电子镜像。由于事件后的电荷注入和收集比电子-空穴对的传输和复合快，栅极氧化物上可能会产生电压瞬态。如果该电压累积高于氧化物击穿电压，则可能在氧化物上引起永久性损坏，导致破坏性栅极击穿。

2. 辐射测试准备：器件和测试板准备

本次研究的对象是TPS7H2211-SP，它是一款航天级、4.5-V至14-V输入、BiCMOS工艺、3.5-A负载开关。

测试样品准备

测试板准备：使用修改后的TPS7H2211EVM-CVAL评估板来评估TPS7H2211-SP在重离子下的性能和特性。用于重离子测试活动的板与官方TPS7H2211EVM-CVAL板的唯一区别是输出电压（VOUT

out）平面的分离。

3. 辐照设施和设置

本次介绍的SEE研究使用的重离子种类由TAMU回旋加速器辐射效应设施提供，使用超导回旋加速器和先进的电子回旋共振（ECR）离子源。在使用的通量下，离子束具有良好的通量稳定性和高辐照均匀性，适用于1英寸直径的圆形横截面区域。

4. 测试设置和程序

TPS7H2211-SP采用TI线性BiCMOS 7（LBC7，250-nm工艺）制造，后端（BEOL）堆栈由四层标准厚度铝金属组成。基于标称层厚度，从钝化层表面到硅表面的总堆栈高度为13.5 μm，如图5-1所示。考虑到通过1-mil厚的Aramica束流端口窗口、40-mm空气间隙和TPS7H2211-SP上的BEOL堆栈的能量损失，使用SEUSS 2020软件（由德州农工大学回旋加速器研究所提供，基于最新的SRIM-2013模型）确定了硅衬底表面的有效LET、深度和离子范围。

SEE测试在安装在修改后的TPS7H2211EVM-CVAL上的TPS7H2211-SP器件上进行。器件电源通过J6（VIN-1in-1）和J10（GND）输入为顶部供电，J18（VIN-2inin-2）和J22（GND）输入为底部供电，使用N6765A精密电源和N6705机架上的4线配置。使用Chroma E-Load（电子负载）在恒定电流（CC）和恒定电阻（CR）模式下将器件加载到3.5A进行SEE测试活动。

对于SEL和SEB/SEGR，器件被供电至最大推荐工作电压14V，并加载最大负载3.5A。对于SEB/SEGR表征，器件在启用和禁用模式下进行了测试。通过将TP9（顶部）和TP24（底部）连接到GND来禁用器件。

使用一个National Instruments™（NI）PXIe-5162示波器卡和一个National Instruments™（NI）PXIe-5172示波器卡监控SEE事件。5172示波器用于监控和触发VOUTout out，使用围绕标称输出电压±3%的窗口触发。5162示波器用于监控和触发软启动（SS）信号，触发条件为VIN-0.3 V，使用上升沿/正触发。两个示波器都安装在NI PXIe-1095机箱上。

5. 测试结果示例

注：TPS7H2211-SP的总电离剂量（TID）额定值为100 krad（Si）。在SEE测试过程中，每次运行的重离子辐照剂量约为10 krad（Si）/10^7 ions/cm²。所有器件的累积TID暴露量控制在100 krad（Si）的额定值以下。