脉冲激光模拟试验数字器件单粒子效应的机理与方法研究

论文摘要

数字器件包括SRAM、FLASH、FPGA、ASIC、PROM、EEPROM、CPU等,是构成航天器电子系统的主要部分,实现数据的获取、写入、存储等工作。空间粒子辐射环境容易引发数字器件的单粒子效应,它是导致航天器故障或异常的主要原因之一。在单粒子效应中,单粒子翻转(Single Event Upset, SEU)效应和单粒子闩锁(Single Event Latchup, SEL)效应是对器件影响最多且被广泛关注的两种效应。随着半导体工艺减小到深亚微米、超深亚微米,数字器件表现出对单粒子效应的极端敏感性。为了保障航天器的安全可靠飞行,需要对航天器电子系统中的数字器件进行地面模拟试验以判定单粒子效应特性。本文首先对脉冲激光模拟试验单粒子效应的机理进行了研究,提出激光试验中应该解决的包括等效LET值转换、扫描覆盖性、多位翻转等问题的试验解决思路,同时分析了激光的准确定位的优势在试验中的应用。对所选取的SRAM、ASIC、FPGA三种器件进行了激光单粒子效应试验,测试了翻转阈值、闩锁阈值以及翻转截面,分析了不同的工作状态对单粒子效应现象的影响。以这三种数字器件为基础,进一步试验探讨了扫描覆盖性和多位翻转问题的办法,与重离子试验结果进行了比对以验证有效性。最后,发挥了激光的可准确定位优势,研究了多次闩锁效应、微闩锁效应、以及闩锁效应对翻转效应造成的影响。本文给出了脉冲激光模拟试验单粒子效应存在的多位翻转的修正思路和方法,发挥了激光的可准确定位优势在数字器件测试中的应用,本试验结果对相似类型的数字器件的单粒子效应测试及空间应用有一定借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文内容安排
• 1.4 本文解决的关键问题
• 第二章 研究背景
• 2.1 空间粒子辐射环境
• 2.2 数字器件发展现状
• 2.3 单粒子效应
• 2.3.1 单粒子翻转
• 2.3.2 单粒子闩锁
• 2.3.3 单粒子微闩锁
• 2.3.4 单粒子多位翻转
• 2.3.5 单粒子瞬态脉冲
• 2.3.6 单粒子烧毁
• 2.3.7 单粒子栅穿
• 2.4 地面模拟单粒子效应试验方法
• 2.4.1 重离子源
• 2.4.2 锎-252 源
• 2.4.3 质子和中子法
• 2.4.4 脉冲激光
• 2.5 常见的加固方法
• 第三章 脉冲激光模拟试验单粒子效应的方法
• 3.1 研究历史
• 3.2 脉冲激光模拟试验装置
• 3.3 激光模拟的可行性与优劣
• 第四章 激光模拟试验单粒子效应的机理研究
• 4.1 脉冲激光与重离子模拟试验单粒子的异同
• 4.1.1 径迹结构
• 4.1.2 响应时间
• 4.2 脉冲激光与重离子拟合的关键问题
• 4.2.1 等效LET 值换算
• 4.2.2 多位翻转和覆盖性问题
• 4.3 本章小结
• 第五章 脉冲激光模拟单粒子效应试验
• 5.1 被测芯片
• 5.2 芯片预处理
• 5.3 激光背部辐照聚焦调节深度
• 5.4 被测器件测试系统及示意图
• 5.5 单粒子效应试验过程
• 5.5.1 单粒子翻转效应与闩锁效应试验
• 5.5.2 多位翻转修正试验
• 5.5.3 覆盖性试验
• 5.5.4 多次闩锁效应及微闩锁效应试验
• 5.5.5 闩锁效应对翻转效应的影响试验
• 5.6 本章小结
• 第六章 脉冲激光模拟试验结果及分析
• 6.1 单粒子效应试验结果及初步分析
• 6.1.1 单粒子翻转效应试验结果
• 6.1.2 单粒子闩锁效应试验结果
• 6.1.3 写入数据与翻转截面的关系
• 6.1.4 ASIC 和FPGA 翻转截面
• 6.2 激光试验的关键问题的验证结果
• 6.2.1 多位翻转修正结果
• 6.2.2 覆盖问题试验结果
• 6.3 激光准确定位的验证结果
• 6.3.1 多次闩锁试验结果及分析
• 6.3.2 微闩锁试验结果及分析
• 6.3.3 闩锁对翻转的影响试验结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 在读期间发表的论文
• 致谢