0.13μm部分耗尽SOI工艺反相器链SET脉宽传播

基于0.13 μm部分耗尽绝缘体上硅（PD-SOI）工艺,设计了一款片上反相器链（DFF）单粒子瞬态（SET）脉宽测试电路并流片实现,SET脉宽测试范围为105~3 150 ps,精度为±52.5 ps。利用重离子加速器和脉冲激光模拟单粒子效应试验装置对器件进行了SET脉宽试验。采用线性能量传输（LET值）为37.6 MeV·cm2/mg的86Kr离子触发了反相器链的三级脉宽传播,利用脉冲激光正面测试器件触发了相同级数的脉宽,同时,激光能量值为5 500 pJ时触发了反相器链的双极放大效应,脉宽展宽32.4%。通过对比激光与重离子的试验结果,以及明确激光到达有源区的有效能量的影响因子,建立了激光有效能量与重离子LET值的对应关系,分析了两者对应关系偏差的原因。研究结果可为其他种类芯片单粒子效应试验建立激光有效能量与重离子LET值的对应关系提供参考。      

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。     

130nm体硅反相器链的单粒子瞬态脉宽特性研究

针对130 nm体硅反相器链,利用脉冲激光和重离子实验研究了目标电路单粒子瞬态（SET）的脉宽特性,并分析了电路被辐射诱发的SET脉宽特性受激光能量、重离子线性能量传递（LET）值、PMOS管栅长尺寸等因素的影响机制。重离子和脉冲激光实验结果类似,均表现为随激光能量、LET值的增加,电路被辐射诱发的SET脉宽逐步增大,且表现出明显的双（多）峰分布趋势,但辐射诱发的SET脉冲个数呈先增加再减少规律。此外,实验结果表明,在不同激光能量、LET值下,PMOS管栅长尺寸影响反相器链SET脉冲的特征不同。当激光能量、LET值较低时,PMOS管栅长尺寸大的电路产生的SET脉宽较大,而当激光能量、LET值较大时,PMOS管栅长尺寸小的电路反而产生更宽的SET脉冲。分析表明,较高激光能量、LET辐照时,寄生双极放大效应被触发可能是导致PMOS管栅长尺寸影响电路SET特征差异的主要原因。      

CMOS器件单粒子效应电荷收集机理

针对90 nm CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）工艺,采用三维数值模拟方法,研究了反相器中NMOS（Negative channel-Metal-Oxide-Semiconductor）晶体管与PMOS（Positive channel-Metal-Oxide-Semiconductor）晶体管的单粒子瞬变（SET,Single Event Transient）电流脉冲,深入分析了PMOSFET（Positive channel-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）与NMOSFET（Negative channel-Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）发生单粒子效应时电荷输运过程和电荷收集机理.研究结果表明,由于电路耦合作用,反相器中晶体管的电荷收集与单个晶体管差异显著;反相器中PMOS晶体管电荷收集过程中存在寄生双极放大效应,NMOS晶体管中不存在寄生双极放大效应;由于双极放大效应,90 nm工艺下PMOS晶体管产生的SET电压脉冲比NMOS晶体管产生的电压脉冲持续时间更长,进而导致PMOS晶体管的SET效应更加敏感.研究结果为数字电路SET的精确建模、进行大规模集成电路SET效应模拟提供了参考依据.      

运算放大器单粒子瞬态脉冲效应试验评估及防护设计

线性器件的单粒子瞬态脉冲效应（SET）具有瞬发性和传播性，其对星用电子系统和设备的在轨故障定位及防护设计造成较大困难，已成为威胁航天器可靠性的重要因素之一.星用电子设备需要对所采用线性器件的SET特征进行细致的试验评估，以确定其最坏情况，并在此基础上结合具体应用电路特点进行有针对性的滤波等防护设计.本文以典型的星用线性器件LM124运算放大器作为研究对象，利用脉冲激光对其SET特征进行试验评估，得到宽度为35μs、幅度为7.2V的最坏情况SET参数.利用Hspice仿真验证LM124的SET特性与规律，针对最坏情况SET，仿真设计了外围滤波电路，研究不同减缓电路参数对SET脉冲的抑制效果，确定出最优电路参数.再次利用脉冲激光试验检验滤波电路对最坏情况SET的减缓效果，结果表明采用最优参数设计的滤波电路对最坏情况SET有较好的抑制作用，能够满足通常的应用电路需求.      

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。     

基于脉冲激光定位的SRAM单粒子闩锁事件率预估

器件单粒子闩锁效应(SEL)预估方法一般是建立在只有一个敏感体积单元的长方体(RPP)模型上,静态随机存储器(SRAM)单粒子闩锁敏感区的定位试验结果表明敏感体积单元不仅有一个.利用脉冲激光定位SRAM K6R4016V1D单粒子闩锁效应敏感区的试验结果对器件在轨SEL事件率进行了修正计算.首先利用脉冲激光定位SRAM SEL敏感区,获得敏感区的分布情况,并确定整个器件敏感体积单元的数量.然后针对不同的空间轨道、辐射粒子以及敏感体积厚度和敏感体积单元数进行了相应的器件SEL事件率计算,并对计算结果进行了分析讨论.结果表明,重离子引起的SEL事件率随敏感体积单元数量的增大而减小;修正敏感体积单元数量对预估质子引起的SEL事件率非常必要,否则将会过高评估质子直接电离作用对SEL事件率的贡献.      

存储器空间单粒子翻转率预测

根据SSO上两卫星搭载的三个PREM测得的空间中重离子LET谱,以及利用Weibull分布模型拟合出的不同器件的σ-LET曲线,对由空间中重离子引起的单粒子翻转的翻转率进行了预测估算.将预测值与实测值对比,分析了影响翻转率的因素.对于相同器件,翻转率与设备在卫星上的位置和朝向有关.位于卫星尾部面向后退（-x）方向的翻转率高于位于底部对地（+z）方向的器件翻转率;太阳活动水平高的时间段翻转率高于太阳活动水平低的时间段.探测器接收的重离子微分LET谱的强度和硬度决定了器件的单粒子翻转率.在高于翻转LET阈值时,LET谱的强度越高,其硬度和翻转率越大.不同器件的翻转率也不相同.      

Flash芯片电流“尖峰”现象的脉冲激光试验

利用皮秒脉冲激光单粒子效应试验装置研究了一款宇航级Flash芯片的电流“尖峰”（HCS）现象。利用激光准确定位的特点，确定电流“尖峰”是由芯片的电荷泵单元充放电引起的，不同的激光能量、入射位置会触发不同频率、相同幅值的电流“尖峰”现象，虽然电流“尖峰”发生的瞬间电流增大的现象与单粒子锁定效应表现一致，但机理完全不同。当激光能量足够高（对应于重离子LET值99.8 MeV·cm2/mg）时，在电荷泵的同一个敏感位置累积多次辐照不断触发芯片发生电流“尖峰”，芯片会因多次充放电而损坏。      

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.     

Single event upset investigations on the “Flying Laptop” satellite mission

The radiation effects in electronic parts are called single-event effects, which are deemed to be critical for space missions. This paper presents the Single Event Upsets that were observed in an onboard memory device of the Low Earth Orbit “Flying Laptop” satellite mission during its in-orbit operation. The Single Event Upsets were carefully mapped on the satellite orbital space itself and their root causes were investigated together with their rates of occurrence. Subsequently, the events were traced to show several root cause sources such as (i) trapped energetic protons leaking to low altitudes within the South Atlantic Anomaly, (ii) Solar Energetic Particles emitted by an impulsive event on 10 September 2017, and (iii) Galactic Cosmic Rays. A profound analysis was carried out on the observed flight data, and its corresponding results are actually in agreement with the standard energetic particle models. The presented results provide another important insight on the Single Event Upsets for future Low Earth Orbit satellite missions.     

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.      

星载软件无线电平台及其单粒子效应研究方法

结合国内外研究进展,介绍了软件无线电技术在星载设备中的应用,给出了一种星载软件无线电平台的结构.针对单粒子效应对星载软件无线电平台可靠性影响,提出了一种软件无线电平台对抗单粒子效应的设计与验证方法,并给出了针对该平台中FPGA和DSP的故障注入方法.这种抗单粒子效应的研究方法和故障注入方法代价低、设计灵活,在某卫星星载多用户扩频接收机的可靠性设计过程中得到了验证和实施,使低等级高性能器件在星载信号处理平台中的应用成为可能.      

可编程逻辑器件在空间电子学设备中的应用

介绍了几种常用于空间电子学设备的可编程逻辑器件 (FPGA), 基于空间环境特点, 分析了可编程逻辑器件在空间电子学设备中应用时需要考虑的特殊问题. 针对空间试验中经常出现的单粒子翻转事件(SEU), 介绍了一种基于冗余(FTMR) 的FPGA设计方法, 并通过实例给出了这种方法对系统性能和设计规模的影响.      

几种256Kbit SRAM芯片的单粒子翻转规律

给出了实践４号（ＳＪ－４）星载ＩＤＴ７１２５６Ｄ高速ＣＭＯＳ静态存储器和ＨＭ８８３２异步静态存储器单粒子事件（ＳＥＵ）的总翻转率,器件类型翻转率,逻辑状态翻转率,并与国外某些卫星的监测结果进行了比较。另外对部分ＳＥＵ数据进行了统计分析,给出了ＳＥＵ的片上地址和到达时间差的分布规律及拟合曲线。