临近空间中子辐射环境分析及其引起的单粒子效应预计研究

使用Space Radiation 7.0工具分析临近空间中子辐射环境,研究其与海拔高度、太阳活动和经纬度的关系及内在原因.在此基础上,提出了一种基于蒙特卡罗方法的大气中子实时错误率预计方法,并以航空电子系统关键集成电路FPGA为例,预计其单粒子翻转敏感模块包括配置存储器、块存储器和用户触发器,单粒子功能中断敏感模块包括上电复位电路、SelectMAP接口等的实时飞行错误率.结果表明,配置存储器中发生的单粒子翻转达到总单粒子翻转率的77%,而上电复位电路和SelectMAP接口中发生的单粒子功能中断各占总单粒子功能中断率的36%.根据RTCA DO-254对飞行系统失效等级的划分,该FPGA器件不可用于航空电子系统关键位置.     

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.      

浮栅型单电子存储器的等效电路模型

在介绍浮栅型硅量子点单电子存储器的结构与工作原理的基础上,通过分析建立了相应的集总电容电路模型,计算了存储器在线性、饱和、亚阈值情况下的电流。利用单电子器件的"阈值漂移"特性,可以得到纳米存储器在不同阈值电压下的存储状态。仿真表明,该模型可以准确地模拟存储器的"读"和"写"状态。     

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.     

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.     

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。     

14 nm pFinFET器件抗单粒子辐射的加固方法

为探究先进互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺在空间应用中的可靠性问题,研究14 nm工艺下P型沟道鳍式场效应晶体管(pFinFET)器件中的抗单粒子瞬态(SET)加固策略。通过在器件中插入平行于鳍方向的重掺杂N型沟槽(Ntie)和P型沟槽(Ptie)来减缓SET的影响。三维TCAD仿真结果表明：加固之后器件的抗SET特性和沟槽本身的偏置条件相关。当重掺杂沟槽处于零偏状态时,抗辐射加固的性能最好,SET脉冲宽度降低程度可达40%左右;然而,当处于反偏状态时,由于特殊的电荷收集过程的存在,使得SET脉冲幅度反而会明显增大,脉冲宽度减小程度并不明显。此外,还研究沟槽面积、间距及掺杂浓度对pFinFET中的SET脉冲宽度的影响,得到提高抗SET效果的加固方法。     

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.     

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.     

K6R4016V1D芯片在低地球轨道发生单粒子效应频次的分析

俄罗斯福布斯-土壤火星探测器于2011年11月9日携带中国首个火星探测器萤火一号进入低地球轨道(LEO),但原定于159min后探测器在轨发动机点火变轨未能实施,最终探测计划失败.俄罗斯航天局研究分析认为,事故最可能是由于宇宙线重离子轰击星载计算机存储器件,导致两台计算机重启所致.但是抗辐射专家对空间辐射粒子会在如此短时间内通过单粒子效应(SEE)导致LEO探测器失效的观点并不认同.本文根据俄罗斯航天局发布的受影响器件信息,通过实验和计算,分析了K6R4016V1D芯片在低地球轨道运行时可能遇到的空间辐射粒子诱发单粒子效应的频次,探讨了单粒子效应导致福布斯-土壤火星探测器失效的可能性.     

FY-2卫星太阳质子事件监测警报系统及质子事件警报的尝试

介绍搭载在FY-2地球同步轨道气象卫星上的空间粒子监测器和太阳X射线探测器所组成的太阳质子事件监测报警系统;1997-11-04和1997-11-06二次质子事件警报的尝试及相关的观测资料.     

空间轨道单粒子翻转率预估方法研究

系统分析了国外单粒子翻转率预估方法,提出了一种适合国内现状的单粒子翻转率预估方法,计算了五个典型轨道上的单粒子翻转率和轨道翻转率系数,为评价半导体器件抗单粒子效应的能力提供了依据.     

空间粒子环境对单粒子效应影响的比较

空间的高能重离子和高能质子都能引起单粒子效应。几种典型环境中的重离子和质子对不同器件单粒子效应的影响的比较表明，在地磁捕获质子强度较大的区域，捕获质子对单粒子效应的作用必须考虑；而在该区域以外，对单粒子效应的发生有显著影响的是宇宙射线的重离子而不是占绝大多数的质子。     

环境条件对相机焦面影响的实验研究

环境条件,特别是温度和压力环境的变化,对相机焦面位置有很大影响,从而影响摄影照片的像质。文章用实验的方法定量地分析了温度和压力环境变化对相机焦面的影响。     

空间粒子辐射对卫星中集成芯片的影响

本文分析了在“风云一号(B)”气象卫星环境中各种粒子辐射在集成芯片临界体积中产生的能量沉积, 即LET(线性能量传输);得到了银河宇宙线1≤Z≤28、银河宇宙线异常成分(C、N、O、Ne、Ar、Fe)、内辐射带质子等产生的LET, 计算了其分别产生的单粒于事件(SEU)翻转率。     

燃烧室头部进气规律对煤粉燃烧效率的影响

用实验方法研究了火焰筒式煤粉燃烧室头部进气规律对燃烧效率的影响。通过对6种结构的头部配气方案的分析比较,得出了煤粉燃烧室合理的头部配气方案,为今后煤粉燃烧室的设计和工作状态的选择提供了重要的实验依据。