单粒子效应电路模拟方法研究

论文摘要

空间辐射环境中的高能质子、中子、α粒子、重离子等都能导致航天器电子系统中的半导体器件发生单粒子效应,严重影响航天器的可靠性和寿命。在对电子元器件,尤其是宇航级微处理器进行抗辐射加固设计的过程中,需要一种方法能够对电路的辐射效应进行计算机的仿真模拟,而当前国内对单粒子效应的模拟方法停留在器件一级,严重制约了评估对象的规模,单粒子效应的电路级模拟方法成为抗辐射加固设计必须首先解决的问题。本文深入研究了单粒子效应的机理,在理论推导和解析分析的基础上,总结出一套单粒子效应的电路模拟方法,实现了模拟精度和时间开销上的折中。通过与文献中其它方法和试验数据的比较,验证了这种方法的实用性。论文的研究成果包括以下几点:一、在描述单粒子效应瞬态脉冲的Messenger经典双指数模型的基础上,量化了瞬态电流脉冲与偏压的关系,引入了描述晶体管偏压和瞬态电流关系的因子,能够更加真实的描述单粒子效应引起的瞬态电流脉冲。二、利用器件模拟软件DESSIS进行了深亚微米工艺下器件单粒子效应的3D数值模拟,通过对大量模拟结果进行数值拟合,确定了改进后双指数模型的参数,得到了瞬态电流脉冲和线形能量传输（LET）之间的关系表达式。三、利用该方法对普通未加固SRAM存储单元进行了单粒子翻转效应的电路模拟,得到了该单元的临界LET为0.49 MeV.mg-1.cm2,与文献[1]中预测的0.3-0.7 MeV.mg-1.cm2相符合。四、利用该方法对前人提出的七种设计加固的SRAM存储单元结构进行了单粒子翻转的电路模拟,权衡抗单粒子效应的能力、性能、面积、功耗等各方面的因素,选出了三种适合用于宇航级微处理器Cache设计的存储单元结构,准备流片测试。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题研究内容
• 1.4 论文结构
• 第二章 单粒子效应概述
• 2.1 单粒子效应产生的环境
• 2.1.1 空间辐射环境
• 2.1.2 核辐射环境
• 2.1.3 大气环境
• 2.1.4 地面环境
• 2.2 单粒子效应的分类
• 2.3 单粒子效应量化表述
• 2.4 单粒子效应对集成电路的影响
• 2.4.1 对时序电路的影响
• 2.4.2 对组合电路的影响
• 2.4.3 对时钟复位网络的影响
• 2.4.4 对模拟电路的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 单粒子效应的机理与解析分析
• 3.1 重带电粒子与物质的相互作用
• 3.1.1 电离和激发
• 3.1.2 重带电粒子的电离损失
• 3.1.3 重带电粒子的吸收和射程
• 3.1.4 关于SRIM
• 3.2 电荷收集双指数模型解析分析与优化
• 3.3 本章小结
• 第四章 单粒子效应的模拟方法
• 4.1 工艺对准
• 4.2 器件级单粒子效应模拟和数值拟合
• 4.3 电路级模拟和混合模拟
• 4.4 与其它方法的比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 单粒子效应模拟方法在SRAM设计中的应用
• 5.1 设计加固存储单元总结
• 5.2 各单元尺寸确定
• 5.3 存储单元的模拟比较
• 5.3.1 抗单粒子翻转性能的比较
• 5.3.2 一般性能的比较
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果