电子器件和集成电路单粒子效应

　　本书系统阐述了电子器件和集成电路空间单粒子效应的基本概念和原理，试验测试的基础理论与方法，单粒子效应对电子系统的影响及防护设计的基本方法，空间单粒子翻转率计算方法及不确定性分析等方面内容。全书共分为七章，主要包括：诱发单粒子效应的空间辐射环境，介绍了能够诱发产生单粒子效应的几种空间辐射因素；辐射与半导体材料相互作用，论述了重离子、质子及脉冲激光与半导体材料的相互作用过程；单粒子效应机理与分类，主要对常见单粒子现象产生的基本过程和特征进行了分析说明；单粒子效应测试方法，详细介绍常见单粒子效应（SEU、SEL、SEB、SEGR、SET、SEFI）测试方法及辐射模拟源，包括有关试验及加固保障测试标准与方法；单粒子效应对器件及系统特性的影响，介绍了单粒子效应引起的系统故障及其模拟注入分析方法；单粒子效应减缓设计，介绍了常见单粒子效应（SEU、SEL、SEB、SET、SEFI）诱发系统故障的防护设计方法；模拟试验与单粒子翻转率计算，介绍了单粒子翻转率计算中涉及到的环境因素、模型和方法及不确定度分析等。

　　曹洲，研究员，理学博士。长期从事空间辐射效应及航天器抗辐射加固技术研究工作。负责完成了十多项预先研究项目及基金项目，研究成果为航天器电子系统空间辐射防护设计提供了技术依据；建立了空间单粒子效应地面实验室试验与评估的手段和方法，使锎源单粒子效应试验系统和脉冲激光模拟单粒子效应试验系统在工程设计及加固评估中得到应用；基于研究工作中形成的实验方法，负责和参与编制了两项空间辐射效应试验与评估方面的国家标准；负责完成了多个航天工程单粒子效应加固设计的验证与评估试验。获省部级科学技术进步二等奖和三等奖各一项。撰写多篇专题科学技术报告，参加了多次国内外学术交流及研讨会议，公开发表论文30多篇，会议论文30篇。

第 1章 诱发单粒子效应的空间辐射环境001
1.1 银河宇宙射线003
1.2 太阳风和太阳活动周期007
1.3 太阳粒子事件010
1.4 辐射带高能质子013
1.5 南大西洋异常区高能质子015
参考文献016
第 2章 辐射与半导体材料的相互作用019
2.1 辐射与半导体材料相互作用的基本过程021
2.1.1 重离子线性能量传输值LET和射程R023
2.1.2 重离子与半导体材料相互作用过程的空间尺度027
2.1.3 重离子与半导体材料相互作用过程的时间尺度028
2.2 重离子在半导体硅材料中的电离径迹结构030
2.2.1 Katz理论030
2.2.2 电荷径向分布轮廓（径向剂量计算）032
2.2.3 重离子径迹结构的经验模型035
2.3 聚焦脉冲激光束在半导体硅材料中的电离径迹结构038
2.3.1 一般性物理描述038
2.3.2 激光诱发的电子 空穴对产生率040
2.4 质子与半导体硅材料的相互作用042
2.4.1 高能质子与硅材料核反应过程044
2.4.2 质子与硅材料核反应反冲核046
2.4.3 反冲核的LET值分布048
2.5 不同模拟源的等效性问题051
2.5.1 重离子诱发的电子 空穴对产生率052
2.5.2 LET值等效计算中的非线性引入误差分析053
2.5.3 线性等效激光LET054
参考文献056
第3章 单粒子效应机理059
3.1 概述061
3.2 单粒子翻转机理067
3.2.1 单粒子翻转现象物理描述068
3.2.2 敏感节点的电荷收集070
3.2.3 单粒子翻转敏感性与特征尺寸关系078
3.3 单粒子瞬态机理085
3.3.1 单粒子瞬态现象描述085
3.3.2 单粒子瞬态的产生及传播087
3.3.3 传播过程的脉冲加宽特性091
3.3.4 单粒子瞬态脉冲湮灭及电荷共享095
3.3.5 总剂量对单粒子瞬态的影响097
3.3.6 温度效应102
3.4 单粒子锁定机理104
3.4.1 单粒子锁定现象物理描述107
3.4.2 单粒子锁定与温度的关系114
3.5 单粒子烧毁机理117
3.5.1 单粒子烧毁现象物理描述117
3.5.2 单粒子烧毁与漏 源电压的关系119
3.6 单粒子栅击穿机理122
3.6.1 单粒子栅击穿现象物理描述123
3.6.2 单粒子栅击穿的半经验模型126
3.6.3 薄层电荷模型129
3.7 单粒子功能中断机理131
参考文献133
第4章 单粒子效应测试145
4.1 单粒子效应测试概论147
4.1.1 测试系统的主要功能148
4.1.2 测试软件设计一般要求148
4.1.3 静态偏置测试方法149
4.1.4 黄金芯片比较法150
4.1.5 准黄金芯片法152
4.1.6 松散式耦合系统法152
4.2 单粒子翻转测试153
4.2.1 器件偏压和数据形态设置154
4.2.2 器件工作模式选择154
4.2.3 器件温度及控制156
4.2.4 入射离子能量与角度157
4.3 单粒子瞬态测试158
4.3.1 单粒子瞬态测试方法及原则159
4.3.2 基于芯片的内嵌式SET脉宽测试163
4.3.3 基于芯片外的SET脉宽测试165
4.3.4 单粒子瞬态测试举例167
4.4 单粒子锁定测试170
4.4.1 单粒子锁定主要特征170
4.4.2 单粒子锁定测试原理171
4.4.3 测试系统方案设计174
4.5 单粒子烧毁测试176
4.5.1 破坏性测试方法177
4.5.2 非破坏性测试方法178
4.5.3 测试系统方案设计179
4.6 单粒子栅击穿测试184
4.7 单粒子功能中断测试188
4.7.1 SDRAM器件的单粒子功能中断测试188
4.7.2 微处理器的单粒子功能中断测试193
4.8 单粒子效应试验模拟源195
4.8.1 重离子模拟源195
4.8.2 放射性同位素锎源252Cf199
4.8.3 激光单粒子效应模拟试验系统201
4.9 单粒子效应试验标准简介202
4.10 加固保障测试205
4.10.1 质子SEE加固保障测试205
4.10.2 重离子SEE加固保障测试221
4.11 在轨测试数据举例232
参考文献235
第5章 单粒子效应对器件及系统特性的影响239
5.1 单粒子效应造成的系统故障241
5.1.1 单粒子效应对微处理器系统的影响242
5.1.2 单粒子效应对FPGA系统的影响254
5.1.3 单粒子效应对数字信号处理系统的影响265
5.1.4 单粒子效应对SOC系统的影响269
5.1.5 单粒子效应对二次电源系统的影响273
5.2 系统故障模拟注入分析279
5.2.1 故障模型280
5.2.2 故障注入流程281
5.2.3 硬件故障模拟注入282
5.2.4 软件故障模拟注入284
5.2.5 模拟仿真故障注入方法287
5.2.6 混合故障注入方法290
5.2.7 电路模拟故障注入方法290
5.3 航天器单粒子故障事例291
5.3.1 国外航天器单粒子故障293
5.3.2 国内航天器单粒子故障297
参考文献299
第6章 单粒子效应减缓设计303
6.1 系统设计时面临的问题307
6.1.1 任务需求分析308
6.1.2 单粒子效应危害性分析309
6.2 SEU减缓设计310
6.2.1 屏蔽防护方法311
6.2.2 加固存储单元设计316
6.2.3 冗余和刷新324
6.2.4 检错与纠错329
6.2.5 复杂器件的SEU缓解技术338
6.3 SEL减缓设计350
6.3.1 器件工艺与结构的SEL防护设计351
6.3.2 电路板级的SEL防护设计355
6.4 SEB和SEGR减缓设计361
6.4.1 降额设计的一般要求362
6.4.2 结合具体应用的降额设计366
6.5 SET减缓设计368
6.5.1 SET信号屏蔽368
6.5.2 三模冗余设计370
6.5.3 逻辑重复371
6.5.4 时阈冗余372
6.5.5 驱动晶体管尺寸调整方法373
6.5.6 动态阈值MOS逻辑阵列电路原理374
6.5.7 共源 共栅电压开关逻辑门电路376
6.6 SEFI减缓设计379
参考文献379
第7章 单粒子翻转率计算383
7.1 计算用辐射环境模型387
7.1.1 银河宇宙射线离子模型388
7.1.2 太阳耀斑质子模型391
7.1.3 LET谱曲线及应用393
7.2 翻转率计算模型396
7.2.1 长方形平行管道（RPP）模型399
7.2.2 有效通量模型403
7.3 翻转率计算方法404
7.4 翻转截面模型408
7.5 半经验计算方法410
7.6 质子单粒子翻转率计算411
7.6.1 利用质子单粒子翻转截面计算翻转率411
7.6.2 利用重离子翻转试验数据计算质子单粒子翻转率413
7.6.3 计算方法的适应性415
7.7 不确定性分析416
7.7.1 环境模型及不确定性418
7.7.2 LET不确定性420
7.7.3 综合性因素分析425
参考文献428
附录431
索引437