本文關(guān)鍵詞：微電子器件質(zhì)子單粒子效應敏感性預估研究

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【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,嚴重影響器件的工作穩(wěn)定性。因此,預估星用器件的質(zhì)子單粒子效應截面、計算其空間錯誤率對保障衛(wèi)星的在軌安全運行具有重要意義。目前常用的半經(jīng)驗公式預估方法在很多情況下計算精度不高。為了提高質(zhì)子單粒子效應截面及空間錯誤率預估精度、滿足宇航工程需求,本文進行了以下幾項研究工作。首先,建立了預估微電子器件質(zhì)子單粒子效應截面的計算機模擬程序PRESTAGE。PRESTAGE由重離子測試數(shù)據(jù)計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,計算所有帶電離子在靈敏體積內(nèi)產(chǎn)生的電荷,并通過與臨界電荷的對比判斷單粒子效應的發(fā)生。與半經(jīng)驗公式法相比,PRESTAGE對靈敏體積和物理過程的描述更為復雜和全面,從而能夠更真實地模擬質(zhì)子單粒子效應發(fā)生的物理機制。對20余款器件的計算結(jié)果表明,在預估質(zhì)子非直接電離引起單粒子翻轉(zhuǎn)截面時,使用PRESTAGE可以得到更高的預估精度。而且PRESTAGE還能計算半經(jīng)驗公式法無法計算的質(zhì)子直接電離和單粒子閂鎖效應。大多數(shù)情況下,PRESTAGE計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)間的誤差在2-3倍以內(nèi)。其次,研究了PRESTAGE計算結(jié)果對輸入?yún)?shù)變化的敏感性。在考察某一輸入?yún)?shù)的影響時,保持其它輸入?yún)?shù)不變,改變該參數(shù)的值并觀察PRESTAGE計算結(jié)果的變化趨勢。研究結(jié)果表明,在計算質(zhì)子直接電離引起的單粒子效應時,計算截面隨靈敏體積及鈍化層厚度這兩個輸入?yún)?shù)的變化有較為明顯的改變。在計算質(zhì)子核反應引起的單粒子效應時,PRESTAGE計算結(jié)果對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計算的截面值基本保持不變,在其它范圍內(nèi)計算截面隨靈敏體積厚度的增加而減小。這些研究結(jié)果對PRESTAGE的工程應用具有重要的參考價值。最后,利用PRESTAGE預估了VATA160芯片的質(zhì)子單粒子閂鎖空間錯誤率作為PRESTAGE在實際工程中的應用,預估了暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星核心微電子器件VATA160的單粒子閂鎖空間錯誤率。預估的太陽活動平靜年平均在軌錯誤率約為2×10-5/de vice/day,太陽豐年惡劣情況下的空間錯誤率比平均情況下高約1～3個數(shù)量級。暗物質(zhì)衛(wèi)星探測器上使用了32只VATA160芯片,且需要在太空中運行至少3年的時間,該預估結(jié)果說明質(zhì)子單粒子閂鎖引起的器件異常不容忽視,在探測器電子學系統(tǒng)中應當引入快速響應的單粒子閂鎖保護電路以保障衛(wèi)星科學目標的完成。PRESTAGE利用Geant4和重離子測試數(shù)據(jù)仿真地模擬質(zhì)子單粒子效應發(fā)生機制,從而在效應截面預估精度上較半經(jīng)驗公式法有了一定提高。其對VATA160芯片空間錯誤率的計算結(jié)果為暗物質(zhì)粒子探測衛(wèi)星項目中器件的抗輻射評估提供了重要的理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：質(zhì)子 單粒子效應 軟錯誤率 蒙特卡羅模擬 Geant4
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(近代物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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22-29
• 1.2.1 累積效應22-24
• 1.2.2 單粒子效應24-27
• 1.2.3 不同衛(wèi)星軌道上的輻射效應27-29
• 1.3 單粒子效應物理機制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34-35
• 1.4 質(zhì)子單粒子效應截面理論預估方法35-39
• 1.4.1 半經(jīng)驗公式法35-36
• 1.4.2 基于TCAD的計算機模擬36-39
• 1.5 小結(jié)39-41
• 第二章 質(zhì)子單粒子效應截面預估的蒙特卡羅方法(PRESTAGE)41-65
• 2.1 PRESTAGE方法簡介42-52
• 2.1.1 器件建模43-46
• 2.1.2 效應模擬46-51
• 2.1.3 截面計算51-52
• 2.2 PRESTAGE質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)截面預估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估61-64
• 2.4 小結(jié)64-65
• 第三章 PRESTAGE對輸入?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誤率預估77-103
• 4.1 暗物質(zhì)粒子探測衛(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試83-92
• 4.2.1 重離子單粒子效應加速器測試方法83-87
• 4.2.2 VATA160芯片重離子加速器測試結(jié)果87-92
• 4.3 PRESTAGE對VATA160芯片質(zhì)子單粒子閂鎖截面的預估92-95
• 4.4 VATA160芯片質(zhì)子單粒子閂鎖空間錯誤率計算95-102
• 4.5 小結(jié)102-103
• 第五章 總結(jié)103-107
• 參考文獻107-121
• 發(fā)表文章121-122

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