深亚微米和纳米级集成电路的辐照效应及抗辐照加固技术
深亚微米和纳米级集成电路的辐照效应及抗辐照加固技术
随着我国航空航天技术的不断进步和核物理科学研究的深入,抗辐照加固集成电路的需求与日俱增。一方面我国抗辐照加固芯片研制尚处于起步阶段,自主研发能力还不够强,另一方面高性能抗辐照加固集成电路一直是西方发达国家技术封锁和产品禁运的首要目标,我国核心关键技术领域用抗辐照加固集成电路尚不能完全自主可控,长期受制于技术领先国家,因此对集成电路辐照效应和抗辐照加固技术进行深入研究将极大地促进我国国防和现代化事业的发展。
集成电路设计工艺从深亚微米逐渐向纳米级技术节点过渡,辐照效应和抗辐照加固技术也日新月异。在0.18μm工艺水平以上,由于器件氧化层和场氧区较厚,总剂量效应较为显著。
进入65 nm工艺节点以下,由于器件氧化层减薄,采用浅槽隔离技术,总剂量效应大大降低,已不再成为主要辐照损伤因素。但随着工艺缩减,单粒子效应引发的“软错误”对电路的威胁越来越严重,甚至超过其他所有失效因素的总和,成为电路可靠性的首要问题。
本文在深亚微米(0.18μm)和纳米级(65 nm)体硅CMOS工艺水平上,对器件、电路的辐照效应及抗辐照加固技术进行了较为深入的研究,主要研究成果如
下:(1)对0.18μm体硅CMOS工艺N沟道core和I/O晶体管进行了总剂量辐照实验,得到了晶体管电气特性在总剂量辐照下的变化。研究发现:辐照累积总剂量提升,晶体管亚阈区漏电流增大,阈值电压漂移,晶体管电气特性退化;I/O晶体管
的总剂量效应比core晶体管明显,窄沟晶体管由于辐照诱生窄沟道效应的影响总剂量效应比宽沟晶体管显著;晶体管负体偏置能够减轻器件总剂量效应。
基于晶体管辐照实验和器件参数提取,对0.18μm体硅CMOS工艺普通条形栅
和无边缘NMOSFET进行了辐照效应SPICE建模。模型仿真结果与实验结果吻合较好,能有效预测器件、电路的总剂量响应。
(2)研究了组合逻辑数字电路中SET脉冲的产生和传播。研究发现:入射重离子LET值增大,SET电流脉冲尖峰值增大,电流持续时间延长,SET脉宽增大;SET 电流呈现脉冲尖峰之后的平台期,与传统双指数形态不同,表明晶体管电气耦合状态下单粒子响应有别于孤立的晶体管,采用混合模拟仿真能较精准预测电路SEE;宽沟晶体管SET脉宽小于窄沟晶体管,长沟晶体管SET脉宽大于短沟晶体管,在设计中可尽量选用沟道短而宽的晶体管以抑制SET效应。
(3)研究了时序逻辑数字电路中SEU的物理机制。研究发现:0.18μm非加固标准6管SRAM的翻转截面高于65 nm SRAM,这主要是由于工艺缩减单粒子敏感体积减小,电荷收集量降低造成的。
(4)研究了工艺缩减、工作频率提升等因素对电路SEE的影响。研究发现:增加阱接触数量,减小接触孔与器件之间的距离有助于降低SET脉宽,减轻阱电势调制,从而抑制SEE;重离子入射角度增大,器件间的电荷共享增强,通过脉冲压缩机制有助于减小SET脉宽;深N阱结构能够有效截断重离子入射产生的电荷漏斗,降低敏感节点电荷收集量,使得SET脉宽小于普通双阱工艺结构。
(5)提出了一种抗SEU的SRAM单元电路拓扑新结构。此SRAM单元电路的SEU 临界电荷高达12,320 fC,是非加固标准6T SRAM单元的1,000倍以上,与其他加固单元电路相比也有显著提升,而电气性能没有显著退化,能充分保证在强辐射环境下的高可靠应用。
(6)基于65 nm体硅CMOS工艺设计开发了一款抗辐照加固标准数字单元库,可应用于实际抗辐照加固芯片研制。(7)基于0.18μm和65 nm体硅CMOS工艺分
别设计开发了两款抗辐照加固芯片。
提出了一种评估电路总剂量效应的正向体偏置法。与晶体管辐照效应SPICE 模型仿真对比验证了新方法的有效性。
提出了一种高速数据合成电路。与传统数据合成器相比,新数据合成电路避免了数据穿通的可能,且多级级联应用能够保证数据天然同步特性。
设计了一种宽带锁相环VCO振荡带自动校准算法,实现了超宽频率范围覆盖的两个VCO振荡频率校正,在较短时间内实现较高精度的频率锁定功能。
卫星抗辐射加固技术.
文章编号 :1006-1630(2001 02-0056-05 卫星抗辐射加固技术 宋明龙 , 朱海元 , 章生平 (上海航天技术研究院 509所 , 上海 200240 摘要 :分析了 F Y 21C 卫星运行轨道空间辐射环境 , 介绍了整星、单机、器件抗辐射要求。卫星研制过程中 , 对各单机和系统在技术设计、元器件选择、软件编制等的抗辐射加固设计要求。特别对有 CPU 和存储器的单粒子翻转效应 (SEU 和闩锁效应 (SEL 试验。仪器和系统的软件均用故障注入的方法完成了抗 SEU 的仿真试验。 关键词 :太阳同步卫星 ; 空间辐射 ; 抗辐射加固 ; 仿真试验中图分类号 :V520.6文献标识码 :A R adiation 2R esistance and R of S SON G Ming 2 2, G Sheng 2ping Shanghai 200240, China the needs of radiation 2resistance and reinforce of the whole F Y 21C satellite , stand 2alones analyzing space radiation environment of the satellite. In the design and manufacture , we raise clearly the requirements of radiation 2resistance and reinforce about the stand 2alones and system ’ s technology design , unit selection and software programming. Especially SEU and SEL tests are done for the stand 2alones with CPU or memory SEU 2resisting simulation test is also done for the software of the instruments and s ystem by failure 2injecting method. K eyw ords :Sunsynchronous satellite ; S pace radiation ; Radiation 2resistance and reinforce ; Simulation test 收稿日期 :2000-09-29; 修回日期 :2001-01-05
反应堆材料辐照损伤概述
反应堆材料辐照损伤概述 【摘要】随着能源问题日益严峻，发展核电成为人类缓解能源紧缺问题的重要手段之一。当今核电站反应堆的技术已经比较成熟，但仍存在很多难以解决的技术问题。反应堆材料的辐照损伤问题直接关系到反应堆的安全性和经济性。本文对反应堆燃料芯块、包壳、压力容器的辐照损伤机理进行了概述，并提出一些减小辐照效应的措施。 【关键字】辐照损伤燃料芯块包壳压力容器材料 一、引言 随着能源问题日益严峻，发展核电成为人类缓解能源紧缺问题的重要手段之一。当今核电站反应堆的技术已经比较成熟，但仍存在很多难以解决的技术问题。其中，反应堆材料的辐照损伤问题尤为重要。材料的辐照损伤问题与反应堆的安全性和经济性有密切的关系。甚至直接关系到未来反应堆能否安全稳定运行。 关于反应堆的材料辐照损伤问题，主要包括三个方面：燃料芯块的辐照损伤，包壳的辐照损伤，压力容器的辐照损伤。深入认识和了解这三方面的问题，并讨论有关缓解措施具有极大地研究价值。 二、水冷堆燃料芯块的辐照损伤 1.燃料芯块的结构与辐照损伤 水冷堆燃料芯块为实心圆柱体，由低富集度UO2粉末经混合、压制、烧结、磨削等工序制成。为了减小轴向膨胀和PCI（芯块-包壳相互作用），芯块两端做成浅碟形并倒角。芯块制造工艺必须稳定，以保证成品芯块的化学成分、密度、尺寸、热稳定性及显微组织等满足要求。 燃料芯块中的铀在辐照过程中会发生肿胀，造成尺寸的不稳定性和导热性能的下降。随着燃耗的增加，铀的力学性能和物理性能将发生变化，铀将变得更硬、更脆，热导率减小，燃料包壳的腐蚀作用也在加剧。对燃料芯块辐照损伤的认识和研究，一方面有助于了解在役燃料元件的运行状态和使用寿命，及时地发现并解决问题；另一方面根据辐照特性，可以采取适当的措施增强燃料元件的性能，进一步提高核电的经济效益。 2.辐照条件下燃料芯块微观结构的演化 燃料芯块在辐照过程中，辐射与物质相互作用的方式可以分为原子过程和电子过程两大类。原子过程主要产生位移效应，位移效应的主要产物是间隙-空位对。而电子过程主要产生电离效应，其主要产物是电子-离子对。 燃料芯块在辐照过程中，将产生能量很高的裂变碎片，造成严重的辐照损伤，并伴有大量的原子重新分布，尤其是裂变产物中的氙和氪，产额高，又不溶于固体，在辐照缺陷的协同作用下形成气泡，造成肿胀。另外，固体裂变产物具有很强侵蚀作用，将使芯块发生应力腐蚀而开裂。 3.燃料芯块辐照损伤机理和宏观性能变化 （1）辐照肿胀 辐照会引起体膨胀，称辐照肿胀。燃料芯块中所使用的重要金属铀，其单晶体会显示出特殊的辐照生长现象。在辐照过程中，铀的晶体线度发生异常变化。引起燃料辐照肿胀的根本原因是裂变产物的积累。发生肿胀一方面是由于铀原子的固体裂变产物以金属、氧化物、盐类等形态与燃料相形成固溶体或作为夹杂物存在于燃料相中，裂变产物的总体积超过了裂变前裂变原子所占的体积（一般在2-3%），另一方面是由于在金属中形成了大量的裂变气泡
基于半导体集成电路辐射效应的空间辐射环境探测器
第22卷 第4期核电子学与探测技术 V o l .22 N o .4 2002年 7月 N uclear E lectron ics &D etecti on T echno logy July 2002 基于半导体集成电路辐射效应的空间 辐射环境探测器 张庆祥,侯明东,甄红楼 (中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州 730000) 摘要:空间辐射环境能够引起半导体集成电路发生的总剂量效应、单粒子效应等辐射效应,可以被 用来进行空间辐射环境监测。在一定条件下,基于此原理的探测器具有常规的面垒型探测器以及P I N 型探测器等所不具备的优点。尤其适合航天器舱内带电离子探测和用于航天医学的个人辐射剂量探测。介绍了三种基于半导体器件辐射效应的探测器。 关键词:半导体器件;辐射效应;总剂量效应;单粒子效应;空间环境探测 中图分类号: TL 814 文献标识码: A 文章编号: 025820934(2002)0420374203 收稿日期:2001205208 基金项目:国家自然科学基金(19775058, 10075064);中国科学院“九五”重大课题(KJ 9522S I 2423) 作者简介:张庆祥(19712),男,硕士,中国科学院近代物理研究所博士生,研究方向:空间辐射效应。 空间辐射环境对宇航员和空间电子学系统构成严重威胁,因此辐射环境的探测对保证宇航员的安全和电子学系统的正常工作至关重要。太阳质子事件以及南大西洋地磁异常区强辐射环境的探测对空间环境及其效应研究、卫星抗辐射加固设计、卫星故障分析等方面具有重要作用。空间环境中的重离子、质子以及电子通过电离辐射在半导体器件中产生电子2空穴对,在外加或内部电场的作用下电荷的运动引起各种有害的辐射效应,如总剂量效应、单粒子效应以及充放电效应等。辐射效应是航天器故障和失效的重要诱因,因此辐射效应的研究引起了国际上广泛的重视。研究表明,半导体集成电路的辐射效应可被利用进行辐射环境的探测,例如M O S 晶体管的某些参数的改变在一定范围内与吸收的总剂量成正比;存储器器件发生单粒子翻转的数量与L ET 值大于某一阈值的高能离子成正比,前者可以被用来进行航 天器内部复合的电离辐射环境以及宇航员个人剂量的监测,后者可以用来探测高能离子。 目前,常用的G M 计数管、气体积分电离室、热释光剂量仪、固体径迹探测器以及面垒型探测器、P I N 型探测器等都已成功应用于航天飞机、空间站、深空宇宙探测器以及各种卫星。半导体探测器具有能量分辨率高、线性响应好以及工作可靠等优点。因此具有很好的应用前景。面垒型探测器、P I N 型探测器获取的原始信号是辐射在敏感区产生的电荷,为了对电荷进行有效的收集,要求加很高的电压。另外这种探测器的有效面积的直径在c m 量级,能够测量强度很弱的背景辐射,但是容易受到辐射损伤的影响,受后续电子学线路分辨率的影响,容易形成堆积,不适合于强辐射环境的监测。 基于辐射效应的探测器与传统探测器最大的区别是通过电离辐射产生的效应间接测量辐射环境,虽然不能获得能谱,而且一般不适合进行弱辐射环境的监测,但是具有以下优点:活动 面积很小,适合测量大于10Gy (Si )强辐射环境;不需要加高电压,电子学线路简单;读出方便,可以做成“主动”式,尤其适合于舱内高能带电离子探测和航天医学的个人辐射剂量监测。更主要的是利用现成的集成电路制造工艺,制作简单。由于目前集成电路的单元电路尺寸与
辐射效应
辐射效应 【简介】 是指射线同物质的相互作用。所有的射线，不管它是带电的或是不带电的，也不管是粒子还是电磁波，它们都能与物质发生相互作用，当它们穿过物质时，或者是被物质部分地或全部地吸收，或者是从一定厚度的物质中穿透出去。(lhmcn) 经济辐射效应是指以城市为经济发展的基点，通过其较强的经济、文化、科技、教育、人才等资源优势，带动周围乡村经济、文化、教育、科技的发展。 【实例】 奥运奥运效应 2008年北京奥运会离我们越来越近了。从2003年进入“奥运全面建设”起，经过4年的准备，2008奥运会对北京及周边城市的经济发展究竟做出了哪些贡献？哪些产业和企业能够直接分得一块“奥运蛋糕”，又有哪些行业和企业可以利用奥运商机做大做强？北京奥运经济研究会的相关专家表示，奥运投资的效应初步体现在拉动北京GDP、提供就业岗位等方面；而奥运结束后仍对旅游、物流等行业产生较大的带动作用。 北京承办奥运会，除了对北京本地的经济具有明显提升作用外，对京外地区的辐射作用也不可低估。据测算，投入100亿元，对北京之外地区的影响为40%左右。
2008年奥运会，除北京之外，还有青岛、香港、天津、秦皇岛、沈阳和上海6个项目城市，其中5个城市都位于环渤海区域内。潘璠认为，通过协办奥运，可以提升整个区域内的产业结构水平，提升区域内城市基础设施水平，推动区域内旅游业发展，加强区域经济合作，为发展奥运经济，推动首都向现代化国际大都市迈进有重要意义。 拉动GDP加速增长 奥运投资对国民经济的带动作用最主要体现在“乘数效应”上。与奥运会直接或相关的产业只有50多项，包括建筑、建材、信息产业、现代制造、服务业等。奥运因素的注入将直接拉动这些产业的快速发展，对经济产生第一轮拉动；而这些行业的增长又需要其他与之密切相关的行业的支持，因而产生新一轮的经济拉动作用。如此循环传导，奥运投资的乘数效应拉动了国民经济的整体增长。 由国家统计局北京调查总队队长潘璠、北京市统计局国民经济核算处处长魏小真等人执笔的一份报告显示，在2005-2008年的“奥运投入期”内，北京市GDP的年均增长速度将达到11.8%，较“十五”期间提高了0.8个百分点，其中2007年受奥运影响GDP的拉动幅度增长最大。 根据这份报告，由于新增奥运投资的乘数效应以及奥运消费的共同作用，2008年北京GDP总量将达到9820亿元，投资高峰年2005年-2007年年均GDP增长12.3%，并且呈逐年增加态势，2007年拉动GDP的增长幅度最大，达到1.14%，2008年则为0.85%。 该报告认为，奥运投入对GDP的拉动作用包括：奥运召开前直
聚合物辐照效应
辐照效应（radiation effects） 固体材料在中子，离子或电子以及γ射线辐照下所产生的一切现象。辐照会改变材料的微观结构，导致宏观尺寸和多种性质的变化，对核能技术或空间技术中使用的材料是个重要问题。在晶体中，辐照产生的各种缺陷一般称为辐照损伤。对于多数材料而言，主要是离位损伤。入射离子与材料中的原子核碰撞，一部分能量转换为靶原子的反冲动能，当此动能超过点阵位置的束缚能时，原子便可离位。最简单的辐照缺陷是孤立的点缺陷，如在金属中的弗仑克尔缺陷对（由一个点阵空位和一个间隙原子组成）。级联碰撞条件下，在约10 nm 直径的体积内产生数百个空位和数百个间隙原子。若温度许可，间隙原子和空位可以彼此复合，或扩散到位错、晶界或表面等处而湮没，也可聚集成团或形成位错环。 一般地说，电子或质子照射产生孤立的点缺陷。而中等能量 (10-100KeV)的重离子容易形成空位团及位错环，而中子产生的是两种缺陷兼有。当材料在较高温度受大剂量辐照时，离位损伤导致肿胀，长大等宏观变化。肿胀是由于体内均匀产生的空位和间隙原子流向某些漏（如位错）处的量不平衡所致，位错吸收间隙原子比空位多，过剩的空位聚成微孔洞，造成体积胀大而密度降低。辐照长大只有尺寸改变而无体积变化，仅在各向异性显著的材料中，由于形成位错环的择优取向而造成。离位损伤造成的种种微观缺陷显然会导致材料力学性能变化，如辐照硬化、脆化以及辐照蠕变等。辐照缺陷还引起增强扩散，并促使一系列由扩散控制或影响的过程加速进行，诸如溶解，
沉淀，偏聚等，并往往导致非平衡态的实现。对于某些材料如高分子聚合物，陶瓷或硅酸盐等，另一类损伤，即电离损伤也很重要。入射粒子的另一部分能量转移给材料中的电子，使之激发或电离。这部分能量可导致健的断裂和辐照分解，相应的引起材料强度丧失，介电击穿强度下降等现象。 结构材料中子辐照后主要产生的效应 ·1）电离效应：指反应堆中产生的带电粒子和快中子与材料中的原子相碰撞，产生高能离位原子，高能的离位原子与靶原子轨道上的电子发生碰撞，使电子跳离轨道，产生电离的现象。从金属键特征可知，电离时原子外层轨道上丢失的电子，很快就会被金属中共有的电子所补充，因此电离效应对金属材料的性能影响不大。但对高分子材料会产生较大影响，因为电离破坏了它的分子键。 2）离位效应：中子与材料中的原子相碰撞，碰撞时如果传递给阵点原子的能量超过某一最低阈能，这个原子就可能离开它在点阵中的正常位置，在点阵中留下空位。当这个原子的能量在多次碰撞中降到不能再引起另一个阵点原子位移时，该原子会停留在间隙中成为一个间隙原子。这就是辐照产生的缺陷。 3）嬗变：即受撞的原子核吸收一个中子，变成一个异质原子的核反应。中子与材料产生的核反应（n，α），（n，p）生成的氦气会迁移到缺陷里，促使形成空洞，造成氦脆。 4）离位峰中的相变：有序合金在辐照时转变为无序相或非晶态。这是在高能中子辐照下，产生离位峰，随后又快速冷却的结果。无序
激光辐照效应
一 , 等离子体发展模型和膨胀模型 1）在脉冲激光微加工中主要等离子体模型有： 纳秒激光与物质相互作用中的单温模型 飞秒激光与物质相互作用中的双温模型和库伦爆炸模型 2）在研究激光辐照固体靶蒸汽等离子体形成时有动态烧蚀耗能模型和光线跟踪激光能量等离子体吸收模型。 3）其他的一些模型 三温与多温电子等离子体自由膨胀的理论模型。自相似解成功地再现了在激光等离子体自由膨胀中离子速度分布呈现的三峰和多峰结构,这些结构已在激光打靶的实验中频繁地观察到。 二，等离子体参数的测量的方法 等离子的体的基本参数有：电子温度，电子密度等。而这些参数都可以利用实验来测得。例如利用光谱测量的光谱展宽，然后利用origin拟合曲线再萨哈方程就能计算得到粒子的电子温度和电子密度了。 三，激光支持燃烧波（LSCW）和爆破波（LSDW）的产生与传播，LSCW和LSDW 的分类法，基本结构，区别与判断方法。LSCW向LSDW转化机制。 激光维持的燃烧波（LSC）和爆轰波（LSD） 较强的激光束辐照于靶面时，使得靶蒸汽或者靶面附近的环境气体发生电离以致击穿，形成一个激光吸收区。被吸收的激光能量转化为该区气体（或等离子体）的内能，与流动发生耦合，按照气体动力学的规律运动。等离子体的一部分能量将以辐射的形式耗散，被凝聚态靶或周围气体所吸收。这种吸收激光的气体或等离子体的传播运动通常称为激光吸收波。主要的激光吸收区最终总是在环境气体中形成。在极高光强下，真空环境中的把蒸汽也会产生激光吸收波。 对于LSC，前面运动的冲击波对激光是透明的，等离子体区域是激光的吸收区。以亚声速向前推进，依靠输运机制（热传导、热辐射和扩散）时期前方冷气体加热和电离，维持LSC及其前方冲击波的传播，波后是等离子体区，等离子体温度为1~3eV。 对于LSD，冲击波阵面就是激光吸收区，被吸收的激光能量直接支持冲击波前进，LSD波相对于波前介质超声速运动，等离子体温度为10eV到几十电子伏。此冲击波压缩前方的气体，使之升温电离、吸收激光，成为新的波阵面，上溯激光入射方向继续传播。这里冲击波依靠吸收激光能量而自持传播，是一种物理性质的爆破波。 聚焦光束产的LSD波作发散传播，当波阵面传离靶面稍远处，光强已不足以维持LSD波，等离子体熄灭，这时激光又可直接入射于靶面。
星载计算机抗辐射加固技术
２栅年 第ｌ期航天控制 星载计算机抗辐射加固技术 华更新王国良郭树玲 北京控制工程研究所，北京１０００８０ 、ｊ氐ｂ 摘要为掌握星载计算机系统级抗辐射加固技术，针对星栽计算机的抗辐射薄 弱环节．研究抗辐射加固措施，完成了３８６日三机变结构原理样机。重点研究了 抗单粒子效应多机客错技术和存储器校验技术，抗总剂量效应屏蔽材料和屏蔽工 艺。最后研究了实时多任务操作系统及其抗辐射问题。 主题词星载计算机辐射加固单粒子效应总荆量效应 您ｌｄｉａ廿∞Ｈ盯ｄｅｎｉｌ培艮｝ｃｈＩＩｉｑＩｌ瞪ｆｏｒｏｎ－ｂ０龇曰Ｃ伽叩哪ｔｅ璐 ＨｕａＧ朋鲥ｎｗ锄ｇＧｕｏｌｉ粕ｇＧｕｏｓ｝ｎｄｉｎｇ Ｂｅ玎峨ｈ蛄眦ｅｏｆｃｏｎ廿ｄＥＩｌｇｉｎｅｅｄｌｌｇ，Ｂｅ玎峨１删 Ａｈ嘲ｚｋｆ７ｂ括蠡似ｍ耐越幻，砌蹴ｒ旃ｅ可咖ｍ如耐ｍｄ珏ｉＤｎ＾ｃＢ砘面１９蛔知矗砷螂一０Ｂｃ．Ｆ０ｒ妇１ｔ砌抽ｅ站ｏ，加兀．础｜ｆｏｎ＾ｄ，＿如ｎ打ｗ０Ｂｃ，伽ｋ糖删ｍＰ丘ｓｋｄ‘ｋ３８６麟ｐｍ∞印删如廊ｋｍ础加砌俐“叮㈣№．耽血㈣毗眦溉∞删ｄ— ｍｏｃｈ‘ｆ凹陀出ｍ如７呵口，“ｅ珊ｒ出。耐溉０，耐∞册眦ｉ帆Ｄ，ｍ唧ｌｎ，ｙｃＪ】咖扣ｒｓＥｌＪｐｒ删沛， ＲＨｍ４￡嘶口ｂ甜讨小埘撕衄ｂ田船如ｒ幻试ｉ帆捌睹幽辩如ｍｏ萨．丹瑚正打Ｉｋ蒯一妇，砌‘‘缸卉掣田咖町站町Ｉ。，耐蛇胁憎ＲＨ据商７“ｇ钾Ⅱ胛ｓｆ陇２涮． Ｓｕ蚰ｅｃｔｔｅｒ璐Ｏｎ－胁坷㈣掣妇ｒ（０Ｂｃ）删沁ｉｏｎ妇坷Ｂｒ嘶（ＲＨ）＆，北眦眦 畔￡（ＳＥＵ）％ｄ；Ｍ掘ｎｇ如∞ １引言 星载计算机是卫星上的核心部件．主要用于卫星控制、星务管理、敏感器数据预处理等。星载计算机有两种技术实现途径：一是采用高等级的抗辐射芯片来制造星载计算机，这种途径的优点是不用担心辐射问题，且不用采取冗余抗辐射措施；面临的问题是抗辐射芯片价格昂贵，批量小，制造周期长，采购困难，可选择的面也很窄。二是选用合适的非加固器件来制造星载计算机，这种途径的优点是价格便宜，芯片采购容易，来源广泛；面｛Ｉ缶的问题是必须采取各种抗辐射措施来克服非加固器件抗辐射能力弱的缺点。 收稿日期２００２年ｌＯ月１５日 一１０一
深亚微米和纳米级集成电路的辐照效应及抗辐照加固技术
深亚微米和纳米级集成电路的辐照效应及抗辐照加固技术 随着我国航空航天技术的不断进步和核物理科学研究的深入,抗辐照加固集成电路的需求与日俱增。一方面我国抗辐照加固芯片研制尚处于起步阶段,自主研发能力还不够强,另一方面高性能抗辐照加固集成电路一直是西方发达国家技术封锁和产品禁运的首要目标,我国核心关键技术领域用抗辐照加固集成电路尚不能完全自主可控,长期受制于技术领先国家,因此对集成电路辐照效应和抗辐照加固技术进行深入研究将极大地促进我国国防和现代化事业的发展。 集成电路设计工艺从深亚微米逐渐向纳米级技术节点过渡,辐照效应和抗辐照加固技术也日新月异。在0.18μm工艺水平以上,由于器件氧化层和场氧区较厚,总剂量效应较为显著。 进入65 nm工艺节点以下,由于器件氧化层减薄,采用浅槽隔离技术,总剂量效应大大降低,已不再成为主要辐照损伤因素。但随着工艺缩减,单粒子效应引发的“软错误”对电路的威胁越来越严重,甚至超过其他所有失效因素的总和,成为电路可靠性的首要问题。 本文在深亚微米(0.18μm)和纳米级(65 nm)体硅CMOS工艺水平上,对器件、电路的辐照效应及抗辐照加固技术进行了较为深入的研究,主要研究成果如 下:(1)对0.18μm体硅CMOS工艺N沟道core和I/O晶体管进行了总剂量辐照实验,得到了晶体管电气特性在总剂量辐照下的变化。研究发现:辐照累积总剂量提升,晶体管亚阈区漏电流增大,阈值电压漂移,晶体管电气特性退化;I/O晶体管 的总剂量效应比core晶体管明显,窄沟晶体管由于辐照诱生窄沟道效应的影响总剂量效应比宽沟晶体管显著;晶体管负体偏置能够减轻器件总剂量效应。 基于晶体管辐照实验和器件参数提取,对0.18μm体硅CMOS工艺普通条形栅
第五章 辐照效应。
第五章辐照效应
辐照损伤是指材料受载能粒子轰击后产生的点缺陷和缺陷团及其演化的离位峰、层错、位错环、贫原子区和微空洞以及析出的新相等。这些缺陷引起材料性能的宏观变化，称为辐照效应。 辐照效应因危及反应堆安全，深受反应堆设计、制造和运行人员的关注，并是反应堆材料研究的重要内容。辐照效应包含了冶金与辐照的双重影响，即在原有的成分、组织和工艺对材料性能影响的基础上又增加了辐照产生的缺陷影响，所以是一个涉及面比较广的多学科问题。其理论比较复杂、模型和假设也比较多。其中有的已得到证实，有的尚处于假设、推论和研究阶段。虽然试验表明，辐照对材料性能的影响至今还没有确切的定量规律，但辐照效应与辐照损伤间存在的定性趋势对实践仍有较大的指导意义。
5.1 辐照损伤 1. 反应堆结构材料的辐照损伤类型 反应堆中射线的种类很多，也很强，但对金属材料而言，主要影响来自快中子，而α，β，和γ的影响则较小。结构材料在反应堆内受中子辐照后主要产生以下几种效应： 1) 电离效应：这是指反应堆内产生的带电粒子和快中子撞出的高能离位原子与靶原子轨道上的电子发生碰撞，而使其跳离轨道的电离现象。从金属键特征可知，电离时原子外层轨道上丢失的电子，很快被金属中共有的电子所补充，所以电离效应对金属性能影响不大。但对高分子材料，电离破坏了它的分子键，故对其性能变化的影响较大。
2) 嬗变：受撞原子核吸收一个中子变成异质原子的核 反应。即中子被靶核吸收后，生成一个新核并放出质子或α带电粒子。例如： 嬗变反应对含硼控制材料有影响，其它材料因热中子或在低注量下引起的嬗变反应较少，对性能影响不大。高注量（如：>1023 n/m 2）的快中子对不锈钢影响明显，其组成元素大多都通过（n,α)和（n,p）反应产生He 和H ，产生辐照脆性。 He Li n B 42731010 5+→+H N n O 1116 7168 +→+
卫星抗辐射加固技术
文章编号:1006-1630(2001)02-0056-05 卫星抗辐射加固技术 宋明龙, 朱海元, 章生平 (上海航天技术研究院509所,上海 200240) 摘 要:分析了F Y 21C 卫星运行轨道空间辐射环境,介绍了整星、单机、器件抗辐射要求。卫星研制过程中,对各单机和系统在技术设计、元器件选择、软件编制等的抗辐射加固设计要求。特别对有CPU 和存储器的单粒子翻转效应(SEU )和闩锁效应(SEL )试验。仪器和系统的软件均用故障注入的方法完成了抗SEU 的仿真试验。 关键词:太阳同步卫星;空间辐射;抗辐射加固;仿真试验中图分类号:V520.6 文献标识码:A R adiation 2R esistance and R einforce T echnology of S atellite SON G Ming 2long , ZHU Hai 2yuan , ZHAN G Sheng 2ping (No.509Institute of SAST ,Shanghai 200240,China ) Abstract :Putting forward the needs of radiation 2resistance and reinforce of the whole F Y 21C satellite ,stand 2alones and units ,analyzing space radiation environment of the satellite.In the design and manufacture ,we raise clearly the requirements of radiation 2resistance and reinforce about the stand 2alones and system ’s technology design ,unit selection and software programming.Especially SEU and SEL tests are done for the stand 2alones with CPU or memory SEU 2resisting simulation test is also done for the software of the instruments and s ystem by failure 2injecting method. K eyw ords :Sun synchronous satellite ;S pace radiation ;Radiation 2resistance and reinforce ;Simulation test 收稿日期:2000-09-29;修回日期:2001-01-05 作者简介:宋明龙(1940-),男,研究员,上海市宇航学会会员,研究领域:卫星总体。 0 引言 太阳同步卫星轨道在地球内、外辐射带内,要受粒子的辐射,如果预防措施不够有力,抗辐射加 固设计不全面,那么当遇到空间粒子活动剧烈时,卫星电子器件将受到损害,不能完成预定的工作任务。研究卫星运行空间环境中各种粒子的种类、分布情况、能量及强度等因数,对星上选用元器件提出抗辐要求、硬件和软件的抗辐加固设计、系统的地面SEU 仿真试验以及故障对策等抗辐加固技术,是研制长寿命卫星的关键。 1 空间粒子辐射环境分析 F Y 21C 所处空间的粒子辐射环境如下:a.地球辐射带粒子 地球辐射带分为内、外两带。内辐射带的空 间范围在赤道平面约(600～10000)km 高度内;外辐射带的空间范围延伸到赤道平面约(10000～60000)km 高度。F Y 21C 卫星的轨道高度为870km ,属于内辐射带范围。 内辐射带粒子由地球磁场俘获,粒子主要有质子、电子组成。电子能量大于0.5MeV ,最大积分通量大于108/(cm 2?s );质子能量为(0.4～50)MeV ,最大积分通量大于106/(cm 2?s )。 F Y 21C 气象卫星飞越大西洋负磁区(西经
中子辐照生物效应的理论分析
中子辐照生物效应的理论分析 中子作为构成原子核的基础粒子，它不带电，与物质的相互作用通常是与原子核的相互作用。碳氢氧氮等元素在生物体内的含量很多，中子与生物体的相互作用主要就是与这几种元素原子的相互作用，中子与它们相互作用的概率大小同中子能量有很大的关系，在入射中子能量小于30Mev时，中子同这几种元素的作用类型以弹性散射为主，并在2~10Mev能区存在程度不同的共振。中子诱导的生物效应要高于γ射线，并且中子生物效应还同中子能量、剂量、物理生物因素以及生物终点密切相关。 关键词：中子，生物效应，弹性散射，
第一章引言 1.1中子的性质与应用 1.1.1中子的粒子性与波动性 中子存在于除氢以外的所有原子核中，是组成原子核的重要组分之一，中子主要来源于反应堆、加速器、放射性核素等中子源。自从1932年恰徳维克等人发现中子以来，人们对中子的性质进行了广泛的研究。中子会以高度凝聚态的形式构成中子星物质。[1] 中子的粒子性[1] [2] 质量：chadwick发现中子是通过测量α轰击Be核所产生的未知射线与H、Li、Be、B、C、N等轻核碰撞所产生的反冲核能量，根据能量、动量守恒的规律推算该射线粒子质量的实验完成的。通过某些有中子产生或吸收的核反应，根据运动学关系求出中子质量、中子质子质量差值，是确定中子质量的基本方法。 自旋：中子是自旋为?的费米子，遵守费米统计分布，服从泡利不相容原理。 磁矩：氘核的磁矩小于质子的磁矩表明中子和质子具有相反的磁矩，由磁共振谱仪可以推测出中子磁矩为μn=-1.913042μN，负号表示磁矩矢量方向和自旋角动量方向相反。电中性的中子具有磁矩说明中子内部有结构。在夸克模型中，中子由u、d、d三个夸克组成，分别具有电荷e、- e。 中子寿命：Chadwick于1935年指出自由中子不稳定，它会衰变放出一个质子、一个电子、和一个反中微子并放出0.782Mev的能量；半衰期为10.61±0.61min。这表明了中子的静止质量大于质子质量的实验事实。实验观察到中子衰变是通过从反应堆中子束经电偏转引出正离子，并鉴定正离子为质子而确认的。 中子的波动性[1] [2] 同其他粒子一样，中子除具有粒子性之外还具有波动性。自Chadwick发现中子后，很快观察到热能化中子在多晶铁样品上类似于衍射图像的散射角分布。中子波动性对于中子波在物质结构研究中的应用具有重要意义。电子或电磁辐射与
9.CMOS集成电路抗辐射加固工艺技术研究.
哈尔滨理工大学 硕士学位论文 CMOS集成电路抗辐射加固工艺技术研究姓名:刘庆川 申请学位级别:硕士 专业:仪器仪表工程 指导教师:于晓洋;苏秀娣 20070101 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 CMOS集成电路抗辐射加固工艺技术研究摘要 随着现代科学技术的发展,具有高速信号处理能力和强的抗辐射能力的计算机及控制部件已成为通信卫星、气象卫星、航天飞行器、现代武器等系统的核心部分。因此,发展具有高速度、强抗辐照能力的集成电路技术是电子信息产业和国防装备系统的关键。 当前,在集成电路芯片制造中,体硅CMOS半导体工艺技术仍占据主导地位,因此,对CMOS集成电路进行加固研究就显得十分必要.由于抗辐照加固技术属于军用技术范畴。它具有高度的保密性,因此抗辐照加固工艺必须依靠自己的力量,从基础工艺出发进行研究。 用在空间中的电路会受到各种射线的影响,要产生电离辐照效应和单粒子效应等。本文第一部分主要讲述了CMOS电路的电离辐射效应主要介绍了界面态的产生,并详细分析了辐射感生陷阱电荷的产生过程。并根据上述原理指导下确定了工艺、设计两方面的抗辐照加固方法,分别介绍了栅氧化层加固,源漏制备技术加固,钝化层加固,场区加固,以及栅氧后高温的影响。
第二部分主要讲述了CMOS集成电路的单粒子效应。主要介绍了单粒子效应的模型,包括电荷聚集模型、粒子分流模型和电荷横向迁移模型;并介绍了不同的高能粒子的单粒子损伤机理;着重描述了CMOS集成电路的单粒子效应.并且根据上 述的损伤机理,从设计和工艺方面提出了抗单粒子效应的方法。 最后根据上面得出的可行的方法研制了抗辐射加固电路CPU,并取得了较好的抗电离辐射和抗单粒子效应的效果。 关键词 CMOS集成电路:电离辐射效应;单粒子效应 堕垒堡矍三查兰二堡璺圭兰堡鲨圣 Research of CMOS Integrated Circuit Radiation Hardened Process Abstract With the development of modem science technology,the computers and control parts with the ability of handle high—speed signal and strong radiation resistant have become the COre of communication satellite,weather satellite, aircraft and modem weapon ctc.So that,the key of electronics information industry and national defense is to develop high?speed strong radiation resistant integrated circuit technology. At present,in the manufacturing of IC slice,body-silicon CMOS process technology still occupy predominate position.so it is necessary to harden research CMOS IC.Because the Radiation Resistant and Hardened Technology (RRHTbelong to the military technology,it is a secret.So we must study RRHT by ourselves based on basic techniques. The circuits used for space technology,will be affected by various rays,c柚 generate ionizing radiation effect and single-event effect.It is mainly tells ionizing radiation effect and radiation resistant technology on CMOS circuit in the first part,include boundary surface state and induced trap charge of radiation;
空间辐射环境中的辐射效应
空间辐射环境中的辐射效应摘要天然空间辐射环境与辐射效应基本机制是空间飞行器抗辐射加固研究中的两个关键问题,本文总结了天然空间辐射环境的总体性质, 并对辐射效应基本机制进行了简要的分析,指出了目前空间飞行器抗辐射加固研究的重点。关键词辐射环境,抗辐射加固,辐射效应R a d i a t i o n E f f e c t s i n t h e S p a c e R a d i a t i o n E n v i r o n m e n t Abstract T he nat ur al space ra dia tio n enviro nment and the basic mechanisms of r adiatio n effect s a re tw o most im po rt ant issues r ela ting t o the resear ch of r adiatio n har dening t echo no lo gy of spacecr afts . In t his paper, so me o f the g en eral pro per ties of natur al space r adiation env ir onment ar e summer ized, the basic mechanisms of r adiatio n effect s ar eanylized br iefly , and the emphasis o f present r esearch r ela t i n g t o t h e r a d i a t i o n h a r d e n i n g t e c h o n o l o g y o f s p a c e c r a f t s i s p o i n t e d o u t. K e y w o r d s r a d i a t i o n e n v i r o n m e n t,r a d i a t i o n h a r d e n e d,r a d i a t i o n e f f e c t s 应用于卫星或空间飞行器的电子学系统, 在天然空间辐射环境中往往因经受空间辐射而导致性能减低或失灵, 甚至最终导致卫星或空间飞行器的灾难性的后果[ 1] 。美国1971 至1986 年发射的卫星中共发生了1589 次异常现象, 其中与空间粒子辐射有关的占70% , 由空间辐射对电子学系统的辐射破坏造成的占38. 1% 。空间辐射对电子学系统的辐射破坏主要有三种方式: 1) 总剂量电离损伤; 2) 单粒子效应; 3) 位移损伤。质子产生总剂量电离损伤, 单粒子效应和位移损伤, 电子主要产生总剂量电离损伤, 而高能重离子主要产生单粒子效应。 1天然空间辐射环境 地球轨道天然空间辐射粒子包括地磁场俘获辐射带( Van Allen 带) 粒子和宇宙射线( 包括太阳宇宙射线和银河宇宙射线)。 1.1地磁场俘获辐射带粒子地磁场俘获辐射带粒子主要是电子、质子以及少量的重离子。地磁场俘获辐射带通常又分为内辐射带( 1. 5R e 至 2. 8Re , Re= 6380km 为地球半径) 和外辐射带( 2. 8R e 至12R e) , 内辐射带以质子为主, 而外辐射带以电子为主。地磁场俘获辐射带中质子能量可达500M eV。能量大于10M eV 的质子主要分布在 3. 8R e 以下, 能量大于30M eV 的质子主要分布在1. 5Re 以下[ 2] , 而典型的卫星壳体能屏蔽能量小于10M eV 的质子。因此对于低轨道卫星来说, 质子对内部电子学元器件的辐射破坏尤为严重。在外辐射带中电子具有较高的能量和较大的通量( 约为内辐射带的10 倍) , 在外辐射带中电子的最高能量达7M eV, 而在内辐射带中电子的最高能量为5M eV , 能量大于 1 MeV 的电子的通量峰值在3Re 至4R e 之间。 1.2宇宙射线宇宙射线有两种来源, 即来自于太阳耀斑爆发的太阳宇宙射线和来自于太阳系以外的银河宇宙射线。太阳系以外的银河宇宙射线通常认为是稳定的, 而地球轨道上的银河宇宙射线的通量受太阳活动的调制, 在太阳活动频繁期, 地球轨道上的银河宇宙射线通量相对减少, 而在太阳活动不频繁期, 银河宇宙射线通量相对稳定。宙射线通量相对稳定。银河宇宙射线主要有质子( 85% ) 、氦离子( 14% ) 和高能重离子( 1% ) 组成。离子通量随原子质量[ 3]数分布见图1。可以看出, 高能重离子( 如Fe) 的通量与质子通量相比差几个数量级, 但是这并不是说高能重离子的辐射效应可以忽视。由于高能重离子在穿入材料时在单位距离上产生很高的电离密度, 尤其在考虑半导体器件的单粒子效应时, 高能重离子产生的效应不容忽视。图2 为银河宇宙射线中各种离子[ 4]对应的粒子能量为 2. 4GeV , 质子和氦离子的最高能量可达10GeV / Nu。对于如此高能的粒子,卫星壳体已经无法阻止它们进入舱体内。
IGBT特性的中子辐照效应
IGBT特性的中子辐照效应 The Effects of Neutron Radiation on the Characteristics of the IG B T 西安电力电子技术研究所 袁寿财 (西安 710061) 摘要:简述了中子辐照对IG B T特性的影响;给出了器件在中子辐射注入剂量高达1013n/cm2时的实验结果。实验发现,随着中子注入剂量的增加,开关时间缩短、阈值电压漂移。对研究的注入剂量范围,所观察到的中子效应是因IG B T少子寿命的减少造成的,而不是因有效掺杂浓度的变化引起的。 Abstract:In this paper,the effects of neutron radiation on the characteristics of IG B T are sim ply de2 scribed.Experimental results are presented for the devices that have been irradiated with a fluence u p to1013n/ cm2.It is found that the switching time decreases and the threshold voltage shifts with increasing neutron flu2 ence.For the range of fluence studied,the observed effects are caused b y reduction of minority carrier lifetime in the IG B T and independent of the changes in the effective dopant concentration. 叙词:中子辐照/绝缘栅双极晶体管 开关时间 阈值电压 K eyw ords:neutron radiation/IGBT;switching2time;threshold2voltage 1 引 言 近年来,IG B T作为功率开关,广泛用于各个工业领域,并越来越受到人们的关注。本文简要分析了IG B T器件的关断特性,讨论了提高IG B T工作频率、缩短IG B T关断延迟的中子辐照效应,并对IG B T静态参数及开关特性进行了中子辐照实验,对比分析了实验结果。指出尽管辐照可提高器件的开关速度,但也会带来器件相关参数漂移和器件特性退化等问题。2 IGBT关断特性的分析 图1示出IG B T的基本等效电路[1]。初看起来,IG B T就象是由n沟MOSFET提供基极电流的pnp双极晶体管。当IG B T处于导通状态时,p+n结正偏,空穴从p+正向注入到n外延层中。这些空穴在基区漂移与/或扩散,部分与经过MOSFET沟道流入外延层的电子复合,剩余部分到达pnp晶体管的集电结,该结被MOS2 FET的漏2源电压反偏,所以这些剩余的空穴被扫入集电极并形成pnp的集电极电流I c。 当IG B T处于关断状态时,在器件完全关闭之前,注入到n外延层的少数载流子必须重新复合完毕,该过程一般在4μs以上,它的影响在图2所示的漏2源极电流波形中为一拖尾。 为使IG B T关断,必须使栅压低于阈值电压,这样即迅速去除了MOSFET的沟道电流,也消除了提供给双极晶体管的基区电流。尽管基区贮存电荷必然衰减,但双极晶体管的I c下降缓慢。对一定的漏2源极电压,IG B T关断时的漏2源极电流波形可理想化为图3,以简化分析 。 图1 IG B T 的等效电路 图2 IG B T关断时的电流、电压波形(2μs/格) 图3 IG B T关断电流波形(图2)的理想化分析 (纵坐标:5A/格;横坐标:2μs/格) 19 《电力电子技术》1997年第2期 1997.5
辐照效应,项目可行性研究报告解析
辐照效应,项目可行性研究报告解析 篇一：血液辐照仪项目可行性研究报告目录目录................................................................................................ 2 专家答疑： (4) 一、可研报告定义：............................................................................................ 4 二、可行性研究报告的用途................................................................................ 4 1. 用于向投资主管部门备案、行政审批的可行性研究报告.................. 5 2. 用于向金融机构贷款的可行性研究报告.............................................. 5 3. 用于企业融资、对外招商合作的可行性研究报告.............................. 5 4. 用于申请进口设备免税的可行性研究报告.......................................... 6 5. 用于境外投资项目核准的可行性研究报告.......................................... 6 6. 用于环境评价、审批工业用地的可行性研究报告.............................. 6 三、可行性研究报告的编制依据........................................................................ 6 四、可研报告编制收费标准及时间.................................................................. 7 1、收费标准.................................................................................................. 7 2、付款方式.. (8) 五、我们的优势.................................................................................................... 8 1、良好的信誉保障. (8) 2、专业的咨询团队 .....................................................................................