SRAM型FPGA总剂量辐射效应及影响的研究

发布时间：2017-06-17 07:06

  本文关键词：SRAM型FPGA总剂量辐射效应及影响的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着航天技术的不断发展和信息传输数据量的快速增长,人们对数据传输率的需求也由Mbps量级增长到Gbps量级,传统的微波通信由于载波频率的限制,很难将数据率提高到几Gbps甚至几十Gbps。采用激光作为信息载体的卫星光通信技术就是一种很好的解决方案,相比于传统的微波通信技术,卫星光通信技术具有通信数据率高(可达几百Gb/s)、抗干扰能力强、保密性好以及终端质量轻、体积小、功耗低等优势。在卫星光通信中终端系统中,SRAM型FPGA由于其可编程、集成度高、功耗低、速度快等特点,在高速数据采集、系统控制等方面有着极其重要的地位。然而,由于目前我国FPGA芯片制造技术水平的落后及美国禁运政策的限制,导致国内军品级和宇航级FPGA芯片的获取困难,价格昂贵。而商用SRAM型FPGA器件的成本低、获取容易,在卫星光通信终端系统中具有很大的应用前景。然而,卫星等航天器运行的空间中存在着非常复杂的辐射环境,当卫星光通信终端在轨工作时,其系统中的SRAM型FPGA芯片会受到辐射的影响,将会导致整个芯片的电学特性发生退化,主要表现为工作电流增大甚至功能失效,进而威胁光通信终端在轨工作的安全性和可靠性。因此,很有必要对SRAM型FPGA的空间辐射效应进行研究,评估其空间应用的可靠性。本文对SRAM型FPGA在空间辐射环境中的总剂量辐射效应进行了理论和实验研究。首先,概述了SRAM型FPGA在航天领域的应用及研究现状;其次,结合空间辐射理论,分析了SRAM型FPGA总剂量辐射效应的作用机理;最后,本文采用60Co-?辐射源对Xilinx公司Virtex-5系列的商用SRAM型FPGA进行了总剂量辐射效应地面模拟实验研究,结果表明,实验器件在辐照累积剂量达到一定值后,其功耗电流会随着累积剂量的增加而上升,但在实验所辐照的剂量内,FPGA未出现功能失效,实验最终得出所选SRAM型FPGA芯片的总剂量失效阈值超过70krad(Si),能够满足LEO卫星低轨工作3年的总剂量要求。此外,本文还对SRAM型FPGA芯片辐照后的退火效应进行了研究,结果表明,退火前期FPGA功耗电流的变化比较明显,退火约3天后趋于稳定,但退火250h后仍不能恢复到辐照前的水平,另外,实验器件在退火期间未出现功能失效。
【关键词】：Gbps 卫星光通信技术 SRAM型FPGA 空间辐射环境 总剂量辐射效应 60Co-g辐射源 退火效应
【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】：2016
【分类号】：TN929.1;TN791
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-13
• 1.1 课题背景及研究的意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-12
• 1.3 本文主要研究内容12-13
• 第2章 空间辐射环境及其效应的研究13-24
• 2.1 空间辐射环境介绍13-17
• 2.1.1 地球辐射带14-15
• 2.1.2 太阳宇宙射线15-16
• 2.1.3 银河宇宙射线16
• 2.1.4 空间核爆辐射环境16-17
• 2.2 空间轨道系统及辐射剂量17-21
• 2.2.1 卫星轨道17-18
• 2.2.2 航天器轨道环境中的辐射分布18-20
• 2.2.3 卫星轨道与空间辐射剂量值20-21
• 2.3 空间辐射对半导体器件的损伤与机理21-23
• 2.3.1 辐射效应21-22
• 2.3.2 高能射线与半导体器件材料的相互作用22-23
• 2.4 本章小结23-24
• 第3章 空间辐射对SRAM型FPGA性能影响的研究24-40
• 3.1 SRAM型FPGA简介24-28
• 3.1.1 SRAM型FPGA芯片结构24-26
• 3.1.2 SRAM型FPGA的工作原理26-27
• 3.1.3 SRAM型FPGA工艺27-28
• 3.2 MOSFET的工作原理28-31
• 3.2.1 MOSFET的基本结构28
• 3.2.2 Si-SiO_2系统的电荷性质28-31
• 3.3 空间辐射对MOSFET参数的影响31-38
• 3.3.1 对阈值电压的影响32-36
• 3.3.2 对漏电流的影响36-38
• 3.4 辐照实验参数的选取38
• 3.5 本章小结38-40
• 第4章 SRAM型FPGA总剂量效应的实验研究40-65
• 4.1 实验方案40-50
• 4.1.1 实验条件40
• 4.1.2 实验对象40-43
• 4.1.3 实验布局43-44
• 4.1.4 测试方案的设计44-50
• 4.2 辐射前测试50-53
• 4.3 总剂量效应实验结果及分析53-61
• 4.4 退火效应实验结果及分析61-64
• 4.5 本章小结64-65
• 结论65-66
• 参考文献66-71
• 致谢71

  本文关键词：SRAM型FPGA总剂量辐射效应及影响的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：457661