微电子器件质子单粒子效应敏感性预估研究

发布时间：2017-10-07 23:14

  本文关键词：微电子器件质子单粒子效应敏感性预估研究

  更多相关文章： 质子 单粒子效应 软错误率 蒙特卡罗模拟 Geant4

【摘要】：空间辐射环境中大量存在的高能质子能使卫星中的微电子器件发生单粒子效应,严重影响器件的工作稳定性。因此,预估星用器件的质子单粒子效应截面、计算其空间错误率对保障卫星的在轨安全运行具有重要意义。目前常用的半经验公式预估方法在很多情况下计算精度不高。为了提高质子单粒子效应截面及空间错误率预估精度、满足宇航工程需求,本文进行了以下几项研究工作。首先,建立了预估微电子器件质子单粒子效应截面的计算机模拟程序PRESTAGE。PRESTAGE由重离子测试数据计算得到器件灵敏体积内不同位置的临界电荷。利用蒙特卡罗软件包Geant4, PRESTAGE仿真地模拟质子与器件材料发生的电离激发、弹性与非弹性碰撞、核裂变等物理相互作用,计算所有带电离子在灵敏体积内产生的电荷,并通过与临界电荷的对比判断单粒子效应的发生。与半经验公式法相比,PRESTAGE对灵敏体积和物理过程的描述更为复杂和全面,从而能够更真实地模拟质子单粒子效应发生的物理机制。对20余款器件的计算结果表明,在预估质子非直接电离引起单粒子翻转截面时,使用PRESTAGE可以得到更高的预估精度。而且PRESTAGE还能计算半经验公式法无法计算的质子直接电离和单粒子闩锁效应。大多数情况下,PRESTAGE计算结果与实验数据间的误差在2-3倍以内。其次,研究了PRESTAGE计算结果对输入参数变化的敏感性。在考察某一输入参数的影响时,保持其它输入参数不变,改变该参数的值并观察PRESTAGE计算结果的变化趋势。研究结果表明,在计算质子直接电离引起的单粒子效应时,计算截面随灵敏体积及钝化层厚度这两个输入参数的变化有较为明显的改变。在计算质子核反应引起的单粒子效应时,PRESTAGE计算结果对器件钝化层厚度的改变并不敏感。在0.05～2μm的灵敏体积厚度变化范围内,PRESTAGE计算的截面值基本保持不变,在其它范围内计算截面随灵敏体积厚度的增加而减小。这些研究结果对PRESTAGE的工程应用具有重要的参考价值。最后,利用PRESTAGE预估了VATA160芯片的质子单粒子闩锁空间错误率作为PRESTAGE在实际工程中的应用,预估了暗物质粒子探测卫星核心微电子器件VATA160的单粒子闩锁空间错误率。预估的太阳活动平静年平均在轨错误率约为2×10-5/de vice/day,太阳丰年恶劣情况下的空间错误率比平均情况下高约1～3个数量级。暗物质卫星探测器上使用了32只VATA160芯片,且需要在太空中运行至少3年的时间,该预估结果说明质子单粒子闩锁引起的器件异常不容忽视,在探测器电子学系统中应当引入快速响应的单粒子闩锁保护电路以保障卫星科学目标的完成。PRESTAGE利用Geant4和重离子测试数据仿真地模拟质子单粒子效应发生机制,从而在效应截面预估精度上较半经验公式法有了一定提高。其对VATA160芯片空间错误率的计算结果为暗物质粒子探测卫星项目中器件的抗辐射评估提供了重要的理论依据。
【关键词】：质子 单粒子效应 软错误率 蒙特卡罗模拟 Geant4
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(近代物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V443
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-14
• 引言14-17
• 第一章 微电子器件质子单粒子效应概述17-41
• 1.1 空间辐射环境17-22
• 1.1.1 银河宇宙射线18-19
• 1.1.2 太阳粒子事件19-20
• 1.1.3 地球辐射带与南大西洋异常区20-22
• 1.2 空间辐射效应22-29
• 1.2.1 累积效应22-24
• 1.2.2 单粒子效应24-27
• 1.2.3 不同卫星轨道上的辐射效应27-29
• 1.3 单粒子效应物理机制29-35
• 1.3.1 电荷产生29-32
• 1.3.2 电荷收集32-34
• 1.3.3 器件响应34-35
• 1.4 质子单粒子效应截面理论预估方法35-39
• 1.4.1 半经验公式法35-36
• 1.4.2 基于TCAD的计算机模拟36-39
• 1.5 小结39-41
• 第二章 质子单粒子效应截面预估的蒙特卡罗方法(PRESTAGE)41-65
• 2.1 PRESTAGE方法简介42-52
• 2.1.1 器件建模43-46
• 2.1.2 效应模拟46-51
• 2.1.3 截面计算51-52
• 2.2 PRESTAGE质子单粒子翻转截面预估52-61
• 2.2.1 质子非直接电离引起的单粒子翻转53-59
• 2.2.2 质子直接电离引起的单粒子翻转59-61
• 2.3 PRESTAGE质子单粒子闩锁截面预估61-64
• 2.4 小结64-65
• 第三章 PRESTAGE对输入参数变化的敏感性65-77
• 3.1 器件灵敏体积厚度Tsv66-72
• 3.2 器件钝化层厚度TOL72-74
• 3.3 其它输入参数74-75
• 3.4 小结75-77
• 第四章 VATA160芯片单粒子闩锁空间错误率预估77-103
• 4.1 暗物质粒子探测卫星与VATA160芯片77-83
• 4.2 VATA160芯片单粒子闩锁重离子加速器测试83-92
• 4.2.1 重离子单粒子效应加速器测试方法83-87
• 4.2.2 VATA160芯片重离子加速器测试结果87-92
• 4.3 PRESTAGE对VATA160芯片质子单粒子闩锁截面的预估92-95
• 4.4 VATA160芯片质子单粒子闩锁空间错误率计算95-102
• 4.5 小结102-103
• 第五章 总结103-107
• 参考文献107-121
• 发表文章121-122

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 杨世宇;曹洲;薛玉雄;;空间单粒子锁定及防护技术研究[J];核电子学与探测技术;2007年03期

2 刘必鎏;杨平会;蒋孟虎;王雯雯;张磊;;航天器单粒子效应的防护研究[J];航天器环境工程;2010年06期

3 王长河;单粒子效应对卫星空间运行可靠性影响[J];半导体情报;1998年01期

4 王长龙;沈石岑;张传军;;星载设备抗单粒子效应的设计技术初探[J];控制工程;1995年04期

5 薛玉雄;曹洲;杨世宇;;激光模拟单粒子效应试验研究[J];航天器环境工程;2006年02期

6 P.Robinson;W.Lee;R.Aguero;S.Gabriel;黄玢;;单粒子翻转引起的异常[J];控制工程;1995年03期

7 蔡震波;吴中祥;;SRAM HM—65642的单粒子闩锁特性[J];航天器工程;1996年03期

8 李国政,王普,梁春湖,王燕平,叶锡生,张正选,姜景和;单粒子效应模拟实验研究[J];原子能科学技术;1997年03期

9 康晓军;星载微机空间抗单粒子加固设计技术研究[J];航天返回与遥感;1999年04期

10 董攀;陈莉明;范隆;岳素格;郑宏超;王兴友;;Spacewire通讯路由器单粒子功能中断测试系统研究[J];微电子学与计算机;2014年04期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 贺朝会;李永宏;杨海亮;;单粒子效应辐射模拟实验研究进展[A];第一届中国核技术及应用研究学术研讨会摘要文集[C];2006年

2 耿超;刘杰;侯明东;孙友梅;段敬来;姚会军;张战刚;莫丹;罗捷;;基于RPP模型的单粒子在轨翻转率计算[A];第二十四届全国空间探测学术交流会论文摘要集[C];2011年

3 侯明东;刘杰;孙友梅;段敬来;常海龙;张战刚;莫丹;;宇航器件单粒子效应的加速器地面模拟[A];第七届中国核学会“三核”论坛中国放射医学教育五十年暨中国毒理学会放射毒理委员会第八次全国会议论文集[C];2010年

4 侯明东;刘杰;李保权;甄红楼;;单粒子效应实验中的几个关键技术问题[A];中国空间科学学会空间探测专业委员会第十二次学术会议论文集[C];1999年

5 张庆祥;侯明东;刘杰;王志光;金运范;朱智勇;孙友梅;宋银;段敬来;;混合离子加速技术在单粒子效应和探测器标定实验中的应用[A];中国空间科学学会空间探测专业委员会第十五次学术会议论文集[C];2002年

6 黄建国;韩建伟;张庆祥;黄治;陈东;李小银;张振龙;;脉冲激光模拟单粒子效应机理研究[A];第十一届全国日地空间物理学术讨论会论文摘要集[C];2005年

7 刘杰;;元器件单粒子效应的加速器地面测试研究[A];中国空间科学学会第七次学术年会会议手册及文集[C];2009年

8 李保权;侯明东;刘杰;朱光武;王世金;梁金宝;孙越强;张微;翟应应;黄红锦;沈思忠;高平;;加速器模拟单粒子效应研究[A];实践五号卫生空间探测与试验成果学术会议论文集[C];2002年

9 路秀琴;刘建成;郭继宇;郭刚;沈东军;惠宁;张庆祥;张振龙;韩建伟;;重离子单粒子效应灵敏体积及电荷收集研究[A];第一届中国核技术及应用研究学术研讨会摘要文集[C];2006年

10 张战刚;刘杰;侯明东;孙友梅;常海龙;段敬来;莫丹;姚会军;;元器件单粒子效应加速器试验中的新现象[A];第二十三届全国空间探测学术交流会论文摘要集[C];2010年

中国博士学位论文全文数据库 前7条

1 杨振雷;Flash型FPGA单粒子效应研究及新型测试验证系统的研制[D];中国科学院研究生院(近代物理研究所);2016年

2 习凯;微电子器件质子单粒子效应敏感性预估研究[D];中国科学院研究生院(近代物理研究所);2016年

3 邢克飞;星载信号处理平台单粒子效应检测与加固技术研究[D];国防科学技术大学;2007年

4 古松;基于重离子加速器的SOI SRAM器件单粒子翻转实验研究[D];中国科学院研究生院（近代物理研究所）;2015年

5 耿超;微纳级SRAM器件单粒子效应理论模拟研究[D];中国科学院研究生院（近代物理研究所）;2014年

6 王忠明;SRAM型FPGA的单粒子效应评估技术研究[D];清华大学;2011年

7 刘必慰;集成电路单粒子效应建模与加固方法研究[D];国防科学技术大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 禹金标;用于空间探测的电子元器件辐照性能研究[D];郑州大学;2015年

2 周恒;SRAM单粒子加固设计[D];电子科技大学;2015年

3 林子壬;纳米集成电路单粒子瞬变中电荷收集机理及加固方法研究[D];国防科学技术大学;2013年

4 李博;基于商用工艺的抗辐照SRAM存储器设计[D];国防科学技术大学;2014年

5 周威;GaAs HBT单粒子效应的研究[D];西安电子科技大学;2014年

6 程佳;单粒子效应瞬态电荷收集的试验研究[D];中国科学院国家空间科学中心;2016年

7 刘征;单粒子效应电路模拟方法研究[D];国防科学技术大学;2006年

8 王佩;单粒子效应电路模拟方法研究[D];电子科技大学;2010年

9 戴然;单粒子翻转效应的模拟和验证技术研究[D];电子科技大学;2013年

10 段雪岩;单粒子脉宽抑制和单粒子测试方法研究[D];复旦大学;2011年

，

本文编号：990624