電子器件和集成電路單粒子效應

曹洲

研究員，理學博士。
長期從事空間輻射效應及航天器抗輻射加固技術研究工作。
負責完成了十多項預先研究項目及基金項目，
研究成果為航天器電子系統空間輻射防護設計提供了技術依據；
建立了空間單粒子效應地面實驗室試驗與評估的手段和方法，
使锎源單粒子效應試驗系統和脈衝激光模擬單粒子效應試驗系統在工程設計及加固評估中得到應用；
基於研究工作中形成的實驗方法，負責和參與編制了兩項空間輻射效應試驗與評估方面的國家標準；
負責完成了多個航天工程單粒子效應加固設計的驗證與評估試驗。
獲省部級科學技術進步二等獎和三等獎各一項。
撰寫多篇專題科學技術報告，
參加了多次國內外學術交流及研討會議，
公開發表論文30多篇，會議論文30篇。

目錄
第 1章 誘發單粒子效應的空間輻射環境 001
1.1　銀河宇宙射線 003
1.2　太陽風和太陽活動週期 007
1.3　太陽粒子事件 010
1.4　輻射帶高能質子 013
1.5　南大西洋異常區高能質子 015
參考文獻 016

第 2章 輻射與半導體材料的相互作用 019
2.1　輻射與半導體材料相互作用的基本過程 021
2.1.1　重離子線性能量傳輸值LET和射程R 023
2.1.2　重離子與半導體材料相互作用過程的空間尺度 027
2.1.3　重離子與半導體材料相互作用過程的時間尺度 028
2.2　重離子在半導體矽材料中的電離徑跡結構 030
2.2.1　Katz理論 030
2.2.2　電荷徑向分佈輪廓（徑向劑量計算） 032
2.2.3　重離子徑跡結構的經驗模型 035
2.3　聚焦脈衝激光束在半導體矽材料中的電離徑跡結構 038
2.3.1　一般性物理描述 038
2.3.2　激光誘發的電子 空穴對產生率 040
2.4　質子與半導體矽材料的相互作用 042
2.4.1　高能質子與硅材料核反應過程 044
2.4.2　質子與硅材料核反應反沖核 046
2.4.3　反沖核的LET值分佈 048
2.5　不同模擬源的等效性問題 051
2.5.1　重離子誘發的電子 空穴對產生率 052
2.5.2　LET值等效計算中的非線性引入誤差分析 053
2.5.3　線性等效激光LET 054
參考文獻 056

第3章　單粒子效應機理 059
3.1　概述 061
3.2　單粒子翻轉機理 067
3.2.1　單粒子翻轉現象物理描述 068
3.2.2　敏感節點的電荷收集 070
3.2.3　單粒子翻轉敏感性與特徵尺寸關係 078
3.3　單粒子瞬態機理 085
3.3.1　單粒子瞬態現象描述 085
3.3.2　單粒子瞬態的產生及傳播 087
3.3.3　傳播過程的脈衝加寬特性 091
3.3.4　單粒子瞬態脈衝湮滅及電荷共享 095
3.3.5　總劑量對單粒子瞬態的影響 097
3.3.6　溫度效應 102
3.4　單粒子鎖定機理 104
3.4.1　單粒子鎖定現象物理描述 107
3.4.2　單粒子鎖定與溫度的關係 114
3.5　單粒子燒毀機理 117
3.5.1　單粒子燒毀現象物理描述 117
3.5.2　單粒子燒毀與漏 源電壓的關係 119
3.6　單粒子柵擊穿機理 122
3.6.1　單粒子柵擊穿現象物理描述 123
3.6.2　單粒子柵擊穿的半經驗模型 126
3.6.3　薄層電荷模型 129
3.7　單粒子功能中斷機理 131
參考文獻 133

第4章 單粒子效應 145
4.1　單粒子效應概論 147
4.1.1　系統的主要功能 148
4.1.2　軟件設計一般要求 148
4.1.3　靜態偏置方法 149
4.1.4　黃金芯片比較法 150
4.1.5　準黃金芯片法 152
4.1.6　鬆散式耦合系統法 152
4.2　單粒子翻轉 153
4.2.1　器件偏壓和數據形態設置 154
4.2.2　器件工作模式選擇 154
4.2.3　器件溫度及控制 156
4.2.4　入射離子能量與角度 157
4.3　單粒子瞬態 158
4.3.1　單粒子瞬態方法及原則 159
4.3.2　基於芯片的內嵌式SET脈寬 163
4.3.3　基於芯片外的SET脈寬 165
4.3.4　單粒子瞬態舉例 167
4.4　單粒子鎖定 170
4.4.1　單粒子鎖定主要特徵 170
4.4.2　單粒子鎖定原理 171
4.4.3　系統方案設計 174
4.5　單粒子燒毀 176
4.5.1　破壞性方法 177
4.5.2　非破壞性方法 178
4.5.3　系統方案設計 179
4.6　單粒子柵擊穿 184
4.7　單粒子功能中斷 188
4.7.1　SDRAM器件的單粒子功能中斷 188
4.7.2　微處理器的單粒子功能中斷 193
4.8　單粒子效應試驗模擬源 195
4.8.1　重離子模擬源 195
4.8.2　放射性同位素锎源252Cf 199
4.8.3　激光單粒子效應模擬試驗系統 201
4.9　單粒子效應試驗標準簡介 202
4.10　加固保障 205
4.10.1　質子SEE加固保障 205
4.10.2　重離子SEE加固保障 221
4.11　在軌數據舉例 232
參考文獻 235

第5章　單粒子效應對器件及系統特性的影響 239
5.1　單粒子效應造成的系統故障 241
5.1.1　單粒子效應對微處理器系統的影響 242
5.1.2　單粒子效應對FPGA系統的影響 254
5.1.3　單粒子效應對數字信號處理系統的影響 265
5.1.4　單粒子效應對SOC系統的影響 269
5.1.5　單粒子效應對二次電源系統的影響 273
5.2　系統故障模擬注入分析 279
5.2.1　故障模型 280
5.2.2　故障注入流程 281
5.2.3　硬件故障模擬注入 282
5.2.4　軟件故障模擬注入 284
5.2.5　模擬仿真故障注入方法 287
5.2.6　混合故障注入方法 290
5.2.7　電路模擬故障注入方法 290
5.3　航天器單粒子故障事例 291
5.3.1　國外航天器單粒子故障 293
5.3.2　國內航天器單粒子故障 297
參考文獻 299

第6章 單粒子效應減緩設計 303
6.1　系統設計時面臨的問題 307
6.1.1　任務需求分析 308
6.1.2　單粒子效應危害性分析 309
6.2　SEU減緩設計 310
6.2.1　屏蔽防護方法 311
6.2.2　加固存儲單元設計 316
6.2.3　冗餘和刷新 324
6.2.4　檢錯與糾錯 329
6.2.5　複雜器件的SEU緩解技術 338
6.3　SEL減緩設計 350
6.3.1　器件工藝與結構的SEL防護設計 351
6.3.2　電路板級的SEL防護設計 355
6.4　SEB和SEGR減緩設計 361
6.4.1　降額設計的一般要求 362
6.4.2　結合具體應用的降額設計 366
6.5　SET減緩設計 368
6.5.1　SET信號屏蔽 368
6.5.2　三模冗餘設計 370
6.5.3　邏輯重複 371
6.5.4　時閾冗餘 372
6.5.5　驅動晶體管尺寸調整方法 373
6.5.6　動態閾值MOS邏輯陣列電路原理 374
6.5.7　共源 共柵電壓開關邏輯門電路 376
6.6　SEFI減緩設計 379
參考文獻 379

第7章 單粒子翻轉率計算 383
7.1　計算用輻射環境模型 387
7.1.1　銀河宇宙射線離子模型 388
7.1.2　太陽耀斑質子模型 391
7.1.3　LET譜曲線及應用 393
7.2　翻轉率計算模型 396
7.2.1　長方形平行管道（RPP）模型 399
7.2.2　有效通量模型 403
7.3　翻轉率計算方法 404
7.4　翻轉截面模型 408
7.5　半經驗計算方法 410
7.6　質子單粒子翻轉率計算 411
7.6.1　利用質子單粒子翻轉截面計算翻轉率 411
7.6.2　利用重離子翻轉試驗數據計算質子單粒子翻轉率 413
7.6.3　計算方法的適應性 415
7.7　不確定性分析 416
7.7.1　環境模型及不確定性 418
7.7.2　LET不確定性 420
7.7.3　綜合性因素分析 425
參考文獻 428
附錄 431
索引 437