cmos电路抗辐射加固研究【字数：11512】
摘 要随着航空航天、核物理和国防战略科技的不断发展, 各种电子芯片已经大量用于人造卫星、太空飞船、运载火箭、核武器以及洲际导弹中。电子设备内部的电子部件不可避免地被置于诸如空间辐射和核辐射环境中。辐射环境中的各种高能粒子会对芯片的各种功能和电路结构造成不同程度的损坏, 这足以致使整个电子设备发生功能故障。这些粒子在集成电路产生的损伤主要有单粒子效应、位移损伤效应和总剂量效应等。所以，设计出辐射效应免疫的集成电路就变得极为重要。一般而言，对于集成电路的辐射效应加固有三种途径，可以分别从电路级，系统级以及器件级这三个方面出发来进行集成电路的抗辐射加固。本文主要介绍了辐射效应的产生原因，着重介绍了单粒子效应及其表现形式，和主要的抗单粒子的加固方法，并以器件级的加固方式为例通过仿真和实际应用分析了其加固的效果。
目 录
1 研究背景 1
1.1 辐射效应的产生 1
1.2 辐射的损伤机制 2
1.3 主要的辐射损伤 2
1.4 研究意义 3
2 辐射引起的效应 4
2.1 电子空穴对的产生 4
2.2 单粒子瞬态脉冲的产生机理 5
2.3 单粒子翻转的产生机理 7
3 电路级抗辐射加固技术 8
3.1 加固方法 8
3.2 DICE结构组成及特点 8
4 系统级抗辐射加固技术 10
4.1 加固方法 10
4.2 电路实现 10
5 器件级抗辐射加固技术 12
5.1 加固方法 12
5.2 以DICE结构为例分析加固方法 12
5.3 基于SOI工艺的 6管SRAM单元的版图加固设计 14
5.3.1 电路结构与原理 14
5.3.2 单粒子效应对6管单元的影响 16
5.3.3 六管SRAM存储单元电路仿真 16
5.3.4 基于SOI存储单元版图绘制 19
6 总结与展望 22
参考文献 23
致谢 24
研究背景
辐射效应的产生
辐射是一个以亚原子微粒 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
或者电磁波的形式向周围释放能量的过程。当IC芯片被某种高能粒子撞击时，轰击粒子和电路之间的相互作用可能会被触发SEE（单粒子效应）。在太空应用中，单粒子效应是非常严重且棘手的[1]。在芯片中有时会出现一种脉冲电压被称为SET（单粒子瞬态）。在高能粒子撞击芯片中的某个器件时，或者器件周围受到高能粒子碰撞时，在电场力的作用下高能粒子轨道周围的电荷会出现漂移的情况，而这些电荷最终仍会被收集并发射出脉冲电压。在特定环境下发出的脉冲电压会在芯片中沿着产生位置到输出位置这一轨迹运动。 SEU（单粒子翻转）的产生是因为存储单元会收集因为辐射所出现的单粒子，或者在存储单元内受到SET事件发生的影响。这也是造成设备损坏的主要原因之一[2]。
从理论上来说主要有四种空间辐射会造成单粒子效应，分别为：等离子体，吸收粒子，太阳耀斑和宇宙的高能射线[3]。由于等离子体所具有的能量不是很高，所以后三者更易引发单粒子效应。地球磁场也是一个影响因子，各种等离子体或是粒子的运动会因地球磁场的影响而产生一定的位移。同时太阳的存在也会影响等离子体、电离辐射强度、磁场强度等。太阳的活动周期是11年，太阳活动最衰弱的是其中的四年时间，剩下的7年时间是太阳活动最强烈的。在比较猛烈的太阳活动时，氦粒子的数目在辐射环境中会比平时快速增长3、4个数量级。电子、质子和宇宙射都因为太阳活动的影响而产生较大波动。引起各种辐射的主要原因之一是太阳耀斑。在太阳活动比较强烈的时候，大的太阳耀斑能够释放出大量的高能质子，仅需不到半小时，这种质子就能传到地球上。在接下来的1到4天内，地球上的磁场会因为太阳风暴以及磁场的到达而造成地磁风暴。航空器上的集成电路也会因为地磁风暴的原因而造成损坏或是失效[4]。
将数量相等的电子和阳离子组合在一起能够构成富含极小能量的等离子体。在太空中行驶的飞行器会因为撞击到存在于宇宙中混乱的电子束从而使得飞行器的材料收集电子[5]，并且飞行器的电气和电子系统会因为这些电子而造成危害。
在太阳及太阳风暴的共同作用下，地球磁场是在不断变化的。地磁场可以不断向太空中延伸，最大可达十个地球半径，但其中变化最明显的是地磁场在2个地球半径之内。地球磁场可以捕获带大量电子或质子，从而导致剧烈的捕获辐射。两个部分组成了范艾伦辐射带，即内带和外带并分别存储质子和电子[6]。在内带中，由于质子流的影响巨大，所以其能量大多不超过600MeV，然而外部区域内，质子流的能量就变得极小，大约在7MeV[7]。因为内带在地球磁场的作用下会捕获粒子。这些带电粒子由宇宙射线和太阳辐射源产生，由于地球磁场的作用这些带电粒子的能量会变得很小。因此，因为有地球磁场的存在，使得地球得以更少的被高能宇宙射线和太阳粒子的影响。地球磁场的高度以及其弯曲的程度极大地上影响了其保护的能力。当航天器飞行到地球两极上空的地球磁场线的弯曲点时，航天器无法受到地球磁场的保护。当接近极地轨道时，粒子沿着地球磁场线的方向非常迅速地下落，并产生极光。随着高度增加，设备便更可能处于辐射环境中。并且，若太阳地运动相对迅猛时，地球磁场会受到其影响而压缩，更多的设备会受到其影响。因为高能宇宙射线和太阳粒子能够穿越地球磁场，到距离地表更近的位置。
在航空航天的开发中，因为辐射效应导致的机器失灵占据着很大的比重，同时，在辐射效应中占据主导位置的应该是单粒子的影响[8]。在IC芯片中，辐射效应可能会导致很多问题比如，芯片参数指标降低，芯片功能失效以及无法修复的损坏等。根据美国国家地球物理数据中心的数据，在1971年到1986年这15年中，美国一共发射卫星39颗，一共出现了1589次故障，其中有1129次是因各种辐射效应造成的损坏，达到了故障总数的七成；在各种辐射效应中造成故障次数最多的便是单粒子效应，单粒子效应造成的失效次数占据了总辐射失效次数五成以上[9]。
目 录
1 研究背景 1
1.1 辐射效应的产生 1
1.2 辐射的损伤机制 2
1.3 主要的辐射损伤 2
1.4 研究意义 3
2 辐射引起的效应 4
2.1 电子空穴对的产生 4
2.2 单粒子瞬态脉冲的产生机理 5
2.3 单粒子翻转的产生机理 7
3 电路级抗辐射加固技术 8
3.1 加固方法 8
3.2 DICE结构组成及特点 8
4 系统级抗辐射加固技术 10
4.1 加固方法 10
4.2 电路实现 10
5 器件级抗辐射加固技术 12
5.1 加固方法 12
5.2 以DICE结构为例分析加固方法 12
5.3 基于SOI工艺的 6管SRAM单元的版图加固设计 14
5.3.1 电路结构与原理 14
5.3.2 单粒子效应对6管单元的影响 16
5.3.3 六管SRAM存储单元电路仿真 16
5.3.4 基于SOI存储单元版图绘制 19
6 总结与展望 22
参考文献 23
致谢 24
研究背景
辐射效应的产生
辐射是一个以亚原子微粒 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
或者电磁波的形式向周围释放能量的过程。当IC芯片被某种高能粒子撞击时，轰击粒子和电路之间的相互作用可能会被触发SEE（单粒子效应）。在太空应用中，单粒子效应是非常严重且棘手的[1]。在芯片中有时会出现一种脉冲电压被称为SET（单粒子瞬态）。在高能粒子撞击芯片中的某个器件时，或者器件周围受到高能粒子碰撞时，在电场力的作用下高能粒子轨道周围的电荷会出现漂移的情况，而这些电荷最终仍会被收集并发射出脉冲电压。在特定环境下发出的脉冲电压会在芯片中沿着产生位置到输出位置这一轨迹运动。 SEU（单粒子翻转）的产生是因为存储单元会收集因为辐射所出现的单粒子，或者在存储单元内受到SET事件发生的影响。这也是造成设备损坏的主要原因之一[2]。
从理论上来说主要有四种空间辐射会造成单粒子效应，分别为：等离子体，吸收粒子，太阳耀斑和宇宙的高能射线[3]。由于等离子体所具有的能量不是很高，所以后三者更易引发单粒子效应。地球磁场也是一个影响因子，各种等离子体或是粒子的运动会因地球磁场的影响而产生一定的位移。同时太阳的存在也会影响等离子体、电离辐射强度、磁场强度等。太阳的活动周期是11年，太阳活动最衰弱的是其中的四年时间，剩下的7年时间是太阳活动最强烈的。在比较猛烈的太阳活动时，氦粒子的数目在辐射环境中会比平时快速增长3、4个数量级。电子、质子和宇宙射都因为太阳活动的影响而产生较大波动。引起各种辐射的主要原因之一是太阳耀斑。在太阳活动比较强烈的时候，大的太阳耀斑能够释放出大量的高能质子，仅需不到半小时，这种质子就能传到地球上。在接下来的1到4天内，地球上的磁场会因为太阳风暴以及磁场的到达而造成地磁风暴。航空器上的集成电路也会因为地磁风暴的原因而造成损坏或是失效[4]。
将数量相等的电子和阳离子组合在一起能够构成富含极小能量的等离子体。在太空中行驶的飞行器会因为撞击到存在于宇宙中混乱的电子束从而使得飞行器的材料收集电子[5]，并且飞行器的电气和电子系统会因为这些电子而造成危害。
在太阳及太阳风暴的共同作用下，地球磁场是在不断变化的。地磁场可以不断向太空中延伸，最大可达十个地球半径，但其中变化最明显的是地磁场在2个地球半径之内。地球磁场可以捕获带大量电子或质子，从而导致剧烈的捕获辐射。两个部分组成了范艾伦辐射带，即内带和外带并分别存储质子和电子[6]。在内带中，由于质子流的影响巨大，所以其能量大多不超过600MeV，然而外部区域内，质子流的能量就变得极小，大约在7MeV[7]。因为内带在地球磁场的作用下会捕获粒子。这些带电粒子由宇宙射线和太阳辐射源产生，由于地球磁场的作用这些带电粒子的能量会变得很小。因此，因为有地球磁场的存在，使得地球得以更少的被高能宇宙射线和太阳粒子的影响。地球磁场的高度以及其弯曲的程度极大地上影响了其保护的能力。当航天器飞行到地球两极上空的地球磁场线的弯曲点时，航天器无法受到地球磁场的保护。当接近极地轨道时，粒子沿着地球磁场线的方向非常迅速地下落，并产生极光。随着高度增加，设备便更可能处于辐射环境中。并且，若太阳地运动相对迅猛时，地球磁场会受到其影响而压缩，更多的设备会受到其影响。因为高能宇宙射线和太阳粒子能够穿越地球磁场，到距离地表更近的位置。
在航空航天的开发中，因为辐射效应导致的机器失灵占据着很大的比重，同时，在辐射效应中占据主导位置的应该是单粒子的影响[8]。在IC芯片中，辐射效应可能会导致很多问题比如，芯片参数指标降低，芯片功能失效以及无法修复的损坏等。根据美国国家地球物理数据中心的数据，在1971年到1986年这15年中，美国一共发射卫星39颗，一共出现了1589次故障，其中有1129次是因各种辐射效应造成的损坏，达到了故障总数的七成；在各种辐射效应中造成故障次数最多的便是单粒子效应，单粒子效应造成的失效次数占据了总辐射失效次数五成以上[9]。
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