高低温条件下MOSFET与反相器链辐射效应仿真研究

发布时间：2020-08-14 19:15

【摘要】：随着人类向深空探测领域的迫切发展需要,近年来越来越多的宇航器件均处于极端的空间环境下。太空中存在着大量高能的宇宙射线,工作在太空中的电子器件会受到辐射的影响产生包括总剂量效应、位移损伤效应和单粒子效应等一系列的辐射效应。在空间实际应用中,高低温环境是与辐射环境伴随出现的重要空间环境,也是影响元器件在轨可靠性的重要因素,高低温环境会影响器件内部辐射缺陷的产生和复合,使得辐射损伤呈现出与常温环境不同的效应。因此,需要针对典型元器件在高低温环境下的辐射效应进行深入研究,从而保证元器件的在轨服役可靠性。本文主要针对MOSFET及反相器链在高低温辐照环境下的电学参数特性变化进行了仿真研究。所考虑的空间极端环境分别为高低温单因素环境、辐射单因素环境以及高低温与辐射共同作用下的综合环境。基于以上环境,构建了MOSFET及反相器链的3D模型并加以准确性验证,分别搭建了高低温仿真模型、辐射仿真模型以及高低温辐照综合作用仿真模型,进行电学参数的仿真研究。结果显示,MOSFET在低温条件下,转移特性曲线发生右移,阈值电压增大,载流子迁移率增大;在总剂量效应的影响下,阈值电压发生漂移,漏电流增大;而单粒子效应则会影响MOSFET中由漏极瞬态电流脉冲所带来的电荷收集量,随LET值的增大,漏极的电荷收集量均会成倍增加。在发生单粒子效应时,反相器链由于结构的原因,电荷收集量远大于MOSFET。当器件处于温度与辐射共同作用时,低温条件会对MOSFET的漏电特性起到一定的改善作用,并且在低温时产生的阈值电压漂移会在一定程度上抵消总剂量效应产生的阈值电压漂移。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V443;TN386
【图文】：

中温,压强,电子器件

太空中电子器件所处的极端环境还包括循环往复的高低温变化。图1-1 给出了 NASA 发布的数据，太空中的天体比如月球、金星等等在自转与公转中有着向阳面与背阳面的转换，这会使器件处于极端温度的循环之下，故所有的航天器件在执行任务时都会在极端高温与极端低温、粒子辐射等多种因素的综合环境中工作[2]。硅单片集成电路若要达到军用等级，则其工作温度范围需在-55~125℃之间，若是工作在太空用的宇航级器件工作温度将会更低。而火星上工作的电子器件所处环境温度大约为 218K，但温度的跨度却宽至 140K到 300K[3]。由此可见，太空中工作的电子器件所处环境非常恶劣。图 1-1 太空中温度、辐射及压强[2]由此可知，航天器上的电子器件在空间环境中除了会受到宇宙射线和地球辐射带等高能粒子的辐射外，还会受到极端环境的影响，循环往复的极端温度便是其中之一。低温环境下，电子器件的电学特性和抗辐射特性将会发生变化，

空间辐射环境

器件的电学特性和抗辐射特性的变化，针对器件发生的变高器件的工作性能和抗辐射性能。本课题针对 MOSFET 及D 工具仿真研究高低温环境下对 MOS 器件电学性能以及外研究现状间环境概述辐射环境一般按粒子的电荷状态、动能以及原子序数进行以将粒子分为带电粒子和中性粒子；按粒子所带能量大小子体；按原子序数可分为轻粒子和重粒子。一般认为，当V，或者质子或中子的能量大于 1MeV 时，即可称为高能般认为是能量较低的质子、电子等粒子。对航天器需要进的一般都是针对空间高能带电粒子[6-8]。在实际空间轨道要有地球磁场俘获辐射带、银河宇宙线以及太阳粒子事1-2 所示。

示意图,重离子,电荷,单粒子

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文的原因是单个空间高能带电粒子击中微电子器件灵敏部位，由于电离作用产额外电荷，使器件逻辑状态改变、功能受到干扰或失效等[17]。造成航天器件单粒子效应的高能带电粒子主要是高能质子和高能重离子。包括单粒子转、单粒子闩锁、单粒子瞬态、单粒子栅击穿等等，重离子电荷沉积到半导的过程如图 1-3 所示。

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