本文關(guān)鍵詞：微電子器件質(zhì)子單粒子效應(yīng)敏感性預(yù)估研究

  更多相關(guān)文章： 質(zhì)子 單粒子效應(yīng) 軟錯(cuò)誤率 蒙特卡羅模擬 Geant4

【摘要】：空間輻射環(huán)境中大量存在的高能質(zhì)子能使衛(wèi)星中的微電子器件發(fā)生單粒子效應(yīng),嚴(yán)重影響器件的工作穩(wěn)定性。因此,預(yù)估星用器件的質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面、計(jì)算其空間錯(cuò)誤率對(duì)保障衛(wèi)星的在軌安全運(yùn)行具有重要意義。目前常用的半經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)估方法在很多情況下計(jì)算精度不高。為了提高質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面及空間錯(cuò)誤率預(yù)估精度、滿足宇航工程需求,本文進(jìn)行了以下幾項(xiàng)研究工作。首先,建立了預(yù)估微電子器件質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面的計(jì)算機(jī)模擬程序PRESTAGE。PRESTAGE由重離子測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到器件靈敏體積內(nèi)不同位置的臨界電荷。利用蒙特卡羅軟件包Geant4, PRESTAGE仿真地模擬質(zhì)子與器件材料發(fā)生的電離激發(fā)、彈性與非彈性碰撞、核裂變等物理相互作用,計(jì)算所有帶電離子在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的電荷,并通過(guò)與臨界電荷的對(duì)比判斷單粒子效應(yīng)的發(fā)生。與半經(jīng)驗(yàn)公式法相比,PRESTAGE對(duì)靈敏體積和物理過(guò)程的描述更為復(fù)雜和全面,從而能夠更真實(shí)地模擬質(zhì)子單粒子效應(yīng)發(fā)生的物理機(jī)制。對(duì)20余款器件的計(jì)算結(jié)果表明,在預(yù)估質(zhì)子非直接電離引起單粒子翻轉(zhuǎn)截面時(shí),使用PRESTAGE可以得到更高的預(yù)估精度。而且PRESTAGE還能計(jì)算半經(jīng)驗(yàn)公式法無(wú)法計(jì)算的質(zhì)子直接電離和單粒子閂鎖效應(yīng)。大多數(shù)情況下,PRESTAGE計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間的誤差在2-3倍以?xún)?nèi)。其次,研究了PRESTAGE計(jì)算結(jié)果對(duì)輸入?yún)?shù)變化的敏感性。在考察某一輸入?yún)?shù)的影響時(shí),保持其它輸入?yún)?shù)不變,改變?cè)搮?shù)的值并觀察PRESTAGE計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)。研究結(jié)果表明,在計(jì)算質(zhì)子直接電離引起的單粒子效應(yīng)時(shí),計(jì)算截面隨靈敏體積及鈍化層厚度這兩個(gè)輸入?yún)?shù)的變化有較為明顯的改變。在計(jì)算質(zhì)子核反應(yīng)引起的單粒子效應(yīng)時(shí),PRESTAGE計(jì)算結(jié)果對(duì)器件鈍化層厚度的改變并不敏感。在0.05～2μm的靈敏體積厚度變化范圍內(nèi),PRESTAGE計(jì)算的截面值基本保持不變,在其它范圍內(nèi)計(jì)算截面隨靈敏體積厚度的增加而減小。這些研究結(jié)果對(duì)PRESTAGE的工程應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。最后,利用PRESTAGE預(yù)估了VATA160芯片的質(zhì)子單粒子閂鎖空間錯(cuò)誤率作為PRESTAGE在實(shí)際工程中的應(yīng)用,預(yù)估了暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星核心微電子器件VATA160的單粒子閂鎖空間錯(cuò)誤率。預(yù)估的太陽(yáng)活動(dòng)平靜年平均在軌錯(cuò)誤率約為2×10-5/de vice/day,太陽(yáng)豐年惡劣情況下的空間錯(cuò)誤率比平均情況下高約1～3個(gè)數(shù)量級(jí)。暗物質(zhì)衛(wèi)星探測(cè)器上使用了32只VATA160芯片,且需要在太空中運(yùn)行至少3年的時(shí)間,該預(yù)估結(jié)果說(shuō)明質(zhì)子單粒子閂鎖引起的器件異常不容忽視,在探測(cè)器電子學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)引入快速響應(yīng)的單粒子閂鎖保護(hù)電路以保障衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo)的完成。PRESTAGE利用Geant4和重離子測(cè)試數(shù)據(jù)仿真地模擬質(zhì)子單粒子效應(yīng)發(fā)生機(jī)制,從而在效應(yīng)截面預(yù)估精度上較半經(jīng)驗(yàn)公式法有了一定提高。其對(duì)VATA160芯片空間錯(cuò)誤率的計(jì)算結(jié)果為暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星項(xiàng)目中器件的抗輻射評(píng)估提供了重要的理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：質(zhì)子 單粒子效應(yīng) 軟錯(cuò)誤率 蒙特卡羅模擬 Geant4
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(近代物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：V443
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• ABSTRACT9-14
• 引言14-17
• 第一章 微電子器件質(zhì)子單粒子效應(yīng)概述17-41
• 1.1 空間輻射環(huán)境17-22
• 1.1.1 銀河宇宙射線18-19
• 1.1.2 太陽(yáng)粒子事件19-20
• 1.1.3 地球輻射帶與南大西洋異常區(qū)20-22
• 1.2 空間輻射效應(yīng)22-29
• 1.2.1 累積效應(yīng)22-24
• 1.2.2 單粒子效應(yīng)24-27
• 1.2.3 不同衛(wèi)星軌道上的輻射效應(yīng)27-29
• 1.3 單粒子效應(yīng)物理機(jī)制29-35
• 1.3.1 電荷產(chǎn)生29-32
• 1.3.2 電荷收集32-34
• 1.3.3 器件響應(yīng)34-35
• 1.4 質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面理論預(yù)估方法35-39
• 1.4.1 半經(jīng)驗(yàn)公式法35-36
• 1.4.2 基于TCAD的計(jì)算機(jī)模擬36-39
• 1.5 小結(jié)39-41
• 第二章 質(zhì)子單粒子效應(yīng)截面預(yù)估的蒙特卡羅方法(PRESTAGE)41-65
• 2.1 PRESTAGE方法簡(jiǎn)介42-52
• 2.1.1 器件建模43-46
• 2.1.2 效應(yīng)模擬46-51
• 2.1.3 截面計(jì)算51-52
• 2.2 PRESTAGE質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面預(yù)估52-61
• 2.2.1 質(zhì)子非直接電離引起的單粒子翻轉(zhuǎn)53-59
• 2.2.2 質(zhì)子直接電離引起的單粒子翻轉(zhuǎn)59-61
• 2.3 PRESTAGE質(zhì)子單粒子閂鎖截面預(yù)估61-64
• 2.4 小結(jié)64-65
• 第三章 PRESTAGE對(duì)輸入?yún)?shù)變化的敏感性65-77
• 3.1 器件靈敏體積厚度Tsv66-72
• 3.2 器件鈍化層厚度TOL72-74
• 3.3 其它輸入?yún)?shù)74-75
• 3.4 小結(jié)75-77
• 第四章 VATA160芯片單粒子閂鎖空間錯(cuò)誤率預(yù)估77-103
• 4.1 暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星與VATA160芯片77-83
• 4.2 VATA160芯片單粒子閂鎖重離子加速器測(cè)試83-92
• 4.2.1 重離子單粒子效應(yīng)加速器測(cè)試方法83-87
• 4.2.2 VATA160芯片重離子加速器測(cè)試結(jié)果87-92
• 4.3 PRESTAGE對(duì)VATA160芯片質(zhì)子單粒子閂鎖截面的預(yù)估92-95
• 4.4 VATA160芯片質(zhì)子單粒子閂鎖空間錯(cuò)誤率計(jì)算95-102
• 4.5 小結(jié)102-103
• 第五章 總結(jié)103-107
• 參考文獻(xiàn)107-121
• 發(fā)表文章121-122

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