基于TCAD和Geant 4的SRAM单粒子效应评估

基于Geant4和TCAD (Technology-Computer Aided-Design)建立了一套评估静态存储器(SRAM)单粒子效应的方法. 该方法利用TCAD软件模拟半导体存储单元对粒子能量沉积的响应, 获得SRAM的重离子单粒子翻转截面, 并应用蒙特卡罗工具包Geant 4计算质子与硅材料的核反应以及次级粒子在灵敏体积内的能量沉积, 进而获得质子的单粒子翻转率. 利用该方法, 计算了TSMC 0.18 μm未加固SRAM的重离子和质子翻转率, 通过与同工艺SRAM的重离子实验结果进行比较, 初步验证了该方法的有效性. 该方法不依赖于地面模拟实验, 可以用来评估处于设计阶段的抗辐射加固器件.      

脉冲激光诱发130nm体硅CMOS器件的单粒子闩锁效应

基于130nm体硅CMOS工艺，设计了具有不同阱/衬底接触与MOS管有源区间距、NMOS有源区与PMOS有源区间距的反相器链，利用脉冲激光试验开展了不同设计和不同工作电压下CMOS电路的单粒子闩锁效应敏感性研究.结果表明，随着阱/衬底接触与MOS管有源区的间距减小，以及NMOS与PMOS有源区间距的增大，电路抗SEL效应能力增强.此外，不同工作电压下电路的SEL效应规律表明，电压越大，反相器电路的SEL电流越大，且随着阱/衬底接触与MOS管有源区间距的减小以及NMOS与PMOS有源区间距的增大，电路出现SEL效应的开启电压增大.结合CMOS中寄生结构和单粒子闩锁效应触发机制，分析了相关因素影响电路单粒子闩锁效应敏感性的内在机制.      

脉冲激光模拟空间载荷单粒子效应研究进展

脉冲激光作为模拟测试空间探测载荷半导体器件的单粒子效应现象的一种较新型手段,具有可以定位器件对单粒子效应敏感的具体单元以及动态测试电路系统对单粒子效应的时间响应特性的特点,能够满足工程部门、器件研发部门的不同需求。通过实验与理论研究,建立单粒子锁定与翻转效应的激光阈值能量与重离子LET值的对应关系,解决了脉冲激光模拟测试的激光结果如何定量的关键问题,据此可以定量摸底评估器件的单粒子效应敏感度,使脉冲激光测试载荷的结果更具评价以及指导意义,这对建立统一的脉冲激光单粒子效应评估试验标准以及对脉冲激光试验的推广具有重要意义。空间探测载荷发生单粒子效应后器件功能特性及电路系统的影响、防范单粒子效应电路条件影响的手段下电路系统的抗单粒子效应设计措施是的有效性,以及为空间探测专门研制的抗辐射ASIC电路评价,都需要更加精细的单粒子效应测试方法。通过建立便捷、低成本的脉冲激光定量试验的手段,解决了空间探测载荷上述单粒子效应试验的问题。     

运算放大器SET效应的试验研究

模拟器件的单粒子瞬态脉冲效应的研究, 成为近来国际上单粒子效应研究的热点. 针对中国生产的运算放大器SF3503, 利用脉冲激光单粒子效应测试装置, 试验研究了SF3503工作于反相放大器与电压比较器模式SET效应的特征与规律. 获取了器件的敏感节点分布、LET阈值和SET脉冲波形的特征参数, 其中器件的敏感节点均分布在输入级与放大级, LET阈值不大于1.2 MeV•cm2•mg-1, 电压比较器产生的最大SET脉冲的幅度达27 V、脉冲宽度为51μs. 试验表明SF3503对SET效应极其敏感, 在不采取任何措施的情况下, 在空间任务中直接使用, 会严重影响系统的可靠性.      

质子引发的单粒子翻转率估算的研究

根据质子单粒子翻转事件的物理本质,及空间高能质子环境特性,给出了一种基于重离子单粒子翻转实验数据基础之上的估算质子引发的单粒子翻转的方法.利用这种方法计算了几种器件的翻转情况,与地面模拟实验及飞行观测结果符合得非常好.      

临近空间大气中子诱发电子器件单粒子翻转模拟研究

根据重离子试验数据, 采用长方体(RPP)模型, 用GEANT4软件工具包编程, 建立了垂直于器件表面入射的中子诱发电子器件的单粒子翻转模型. 考虑敏感体积及其附近的次级粒子对单粒子翻转的贡献, 统计了次级粒子在敏感体积内沉积能量的微分能谱分布, 对在敏感体积内沉积不同能量的次级粒子对单粒子翻转的贡献进行了区分计算, 模拟计算结果与地面试验结果符合较好.      

SRAM型FPGA单粒子效应逐位翻转故障注入方法

针对SRAM(Static Random Access Memory)型FPGA(Field Programmable Gate Array)空间应用的可靠性评测问题,提出一种逐位翻转的故障注入试验方法,利用动态重配置技术,通过检测逻辑电路设计配置存储单元中的单粒子翻转敏感位数量和位置,可计算出动态翻转截面和失效率,绘出可靠度变化曲线.分别对采用TMR(Triple Modular Redundancy)防护设计的和未采用TMR防护设计的SRAM型FPGA乘法器模块进行了故障注入试验,验证了得到的敏感位位置的正确性,并计算出各自的可靠性参数和曲线.     

星用大容量静态存储器多位翻转实验研究

给出典型大容量静态存储器(SRAM)的多位翻转实验研究 结果。用HI-13串列型静电加速器和兰州重离子加速器(HIRFL)加速的重离子轰击样品,用 一套基于 网络协议的高分辨率SRAM单粒子效应检测系统检测发生的多位翻转。实验结果表明多位翻转 可以由多种机制产生：在两种Hitachi SRAM中检测到的同一字节多位翻转(SMU)是由单个离 子产生的电荷被相邻敏感节点共享所致;当IDT71256中写入测试图形“00”时,其外围电路 中产生的单粒子瞬时脉冲(SET)引起多达8位的SMU;离子大角度掠射下,IDT71256中检测到 了同一事件多位翻转(SEMU)。同时预示了两种Hitachi大容量SRAM在地球同步轨道和两条太 阳同步轨道发生SMU的频度。     

航空电子设备NSEE试验评价方法

本文定义了航空电子设备大气中子单粒子效应(NSEE)硬失效、硬错误与软错误等大气中子辐射可靠性表征参数,提出了一套航空电子设备抗大气中子单粒子效应危害能力的试验评价方法,包括试验应力终止条件与起始条件的确定方法、M_NSEE预估方法、试验程序、试验评价方法等,并通过某航空用卫星导航接收机试验案例证明了该方法在工程应用中的可操作性与有效性,通过掌握数字信号处理(DSP)、静态随机存储器(SRAM)、现场可编程门阵列(FPGA)的NSEE敏感特性,可为航空用卫星导航接收机NSEE危害防控提供针对性的技术支持.本文为我国航空电子产品大气中子单粒子效应试验评价奠定了理论与应用基础,同时也为其他电子信息产品在大气中子单粒子效应试验评价方面提供了重要依据和参考.      

空间高能粒子与器件布线层核反应后次级粒子LET分布研究

空间高能质子和重离子是导致元器件发生单粒子效应的根本原因,为准确评估元器件在轨遭遇的单粒子效应风险,必须清楚高能质子、重离子与器件材料发生核反应的物理过程及生成的次级重离子LET（Line EnergyTransfer）分布规律。针对典型CMOS工艺器件模拟计算了不同能量质子和氦核粒子在器件灵敏单元内产生的反冲核、平均能量及线性能量转移值,并分析了半导体器件金属布线层中重金属对次级重离子LET分布的影响规律。计算结果表明：高能粒子与器件相互作用后产生大量次级重离子,且高能质子作用后产生的次级粒子的LET值主要分布为0～25MeV·cm²/mg;高能氦核粒子作用后产生的次级粒子的LET值主要分布为0～35 MeV·cm²/mg;有重金属钨（W）存在时能提高次级粒子的LET值,增加了半导体器件发生单粒子效应的概率,该研究结果可为元器件单粒子效应风险分析、航天器抗单粒子效应指标确定提供重要依据。     

基于TCAD仿真建模的瞬时剂量率效应研究

针对一款百万门级0.18 μm互补金属氧化物半导体（0.18 μm CMOS）工艺抗辐射加固的微处理器电路，提出了采用TCAD仿真建模技术对加固电路开展瞬时剂量率效应研究的方法，仿真结果表明通过保护环结构加固设计，可有效提升电路的抗瞬时剂量率效应性能，并利用瞬时剂量率辐射源进行了仿真有效性的试验验证。结果表明,采用TCAD仿真手段得到的瞬时光电流峰值与试验得到的光电流峰值误差小于5%，证实了仿真研究电路瞬时剂量率效应方法的有效性。     

A comparison of two different types of geosynchronous satellite measurements during the 1989 solar proton events.

The proton telescope aboard the GOES-7 satellite continuously records the proton flux at geosynchronous orbit, and therefore provides a direct measurement of the energetic protons arriving during solar energetic particle (SEP) events. Microelectronic devices are susceptible to single event upset (SEU) caused by both energetic protons and galactic cosmic ray (GCR) ions. Some devices are so sensitive that their upsets can be used as a dosimetric indicator of a high fluence of particles. The 93L422 1K SRAM is one such device. Eight of them are on the TDRS-1 satellite in geosynchronous orbit, and collectively they had been experiencing 1-2 upset/day due to the GCR background. During the large SEP events of 1989 the upset rate increased dramatically, up to about 250 for the week of 19 Oct, due to the arrival of the SEP protons. Using the GOES proton spectra, the proton-induced SEU cross section curve for the 93L422 and the shielding distribution around the 93L422, the calculated upsets based on the GOES satellite data compared well against the log of measured upsets on TDRS-1.     

星载SRAM型FPGA可靠性快速评估技术

空间辐射环境严重影响星载SRAM (Static Random Access Memory)型FPGA (Field Programmable Gate Array)的可靠性,提出了星载SRAM型FPGA可靠性快速验证评估方法.在传统故障注入验证的基础上,引入可靠性预评估技术,在逻辑门级分析单粒子翻转对FPGA配置信息位的影响,同时对TMR (Triple Modular Redundancy)冗余方式进行单粒子翻转关键位置评估.然后构成不同敏感级别的故障序列,最后根据应用需求选择不同故障序列进行故障注入从而有效快速评估系统可靠性.该方法与逐位翻转相比,能够在保证故障覆盖率的同时,有效地减少实验时间,提高实验效率.     

脉冲相位法及其在复合材料无损检测中的应用

为了抑制各种因素的干扰,提高脉冲热像无损检测对复合材料的缺陷探测能力,研究了基于像素点时间信号FFT(Fast Fourier Transform)的脉冲相位法及其在复合材料结构检测中的应用.介绍了利用脉冲相位法进行脉冲热像数据处理的原理,讨论了信号处理中的频域混叠和频谱泄漏问题,进行了碳纤维增强塑料试件的脉冲相位法检测实验,以信噪比为指标对图像处理效果进行了定量比较.通过实验说明脉冲相位法不仅具有快速获取原始热像、对表面加热不均不敏感、无需预先知道无缺陷区的位置的优点,而且对随机噪声有较好的抗干扰能力,所得的相位图像有较高的信噪比,因此是复合材料结构无损检测和评估的有效方法.     

基于静电互相关灵敏度加权的气路碎片监测

由于静电传感器阵列（ESA）安装位置及电极数目受到工作环境限制，导致航空发动机故障预测与健康管理（PHM）系统的线性独立测量信息数较少。针对此问题，提出了一种基于静电互相关（CC）灵敏度加权的气路碎片监测方法，在同一电极数目的条件下利用互相关聚焦原理有效增加了能够表征不同敏感区域的测量信息。在此基础上设计了8电极ESA，建立了不同电极对的互相关灵敏度分布，并以获取的16个相关速度值对其进行加权计算，计算结果反映了带电碎片的速度和位置信息。带式静电实验装置和颗粒落体实验装置的实验结果验证了所提方法的有效性，对单颗粒与多颗粒的监测结果和实际分布的平均相关系数分别达到了0.668与0.652，提高了PHM系统的监测信息量和稳定性。      

SRAM型FPGA单粒子翻转效应加固方法

应用重离子加速器和皮秒脉冲激光器开展Virtex-Ⅱ FPGA（Field Programmable Gate Array）单粒子效应加固方法有效性研究.实验结果表明,同时应用三模冗余和动态刷新加固方法能够完全纠正单粒子效应产生的功能错误.实验获得数据加密算法在不同单粒子效应加固方法下功能错误截面,发现少量的存储位翻转就可以导致程序功能错误;程序功能对存储位翻转较敏感.分析Virtex-Ⅱ FPGA不同加固方法在不同卫星轨道的有效性,同时应用动态刷新和三模冗余加固方法,可以完全校正由于存储位翻转造成的功能错误.重离子加速器和脉冲激光器实验结果同时表明,脉冲激光可以模拟重离子加速器研究单粒子效应加固方法有效性.