内容简介
辐射效应指的是辐射与物质相互作用产生的现象。为揭示电子器件中的辐射效应机理规律，探寻有效的抗辐射加固手段，科研工作者将辐射效应仿真视作一种有用的研究方法。《电子器件辐射效应仿真技术》主要介绍总剂量效应仿真技术、单粒子效应仿真技术、位移损伤仿真技术、瞬时剂量率效应仿真技术、辐射效应仿真软件等内容，给出粒子输运仿真、器件级仿真、电路级仿真等不同层级仿真手段在辐射效应研究中的应用案例。
目录
目录
丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 辐射环境与效应 1
1.1.1 空间辐射环境与效应 1
1.1.2 核辐射环境与效应 3
1.2 辐射效应评估手段 4
1.2.1 辐射效应试验 4
1.2.2 辐射效应仿真 10
1.3 辐射效应仿真技术 10
1.4 小结 13
参考文献 14
第2章 总剂量效应仿真技术 16
2.1 总剂量效应物理过程 16
2.2 总剂量效应器件级仿真 20
2.2.1 总剂量效应器件级仿真基本流程 20
2.2.2 小尺寸器件总剂量效应作用机制研究 25
2.2.3 总剂量效应对单管*立性的影响研究 30
2.2.4 辐照偏置对总剂量效应敏感性的影响研究 33
2.3 总剂量效应电路级仿真 36
2.3.1 总剂量效应电路级仿真基本流程 36
2.3.2 基准源电路总剂量效应研究 47
2.3.3 SRAM型FPGA总剂量效应研究 49
2.4 小结 54
参考文献 54
第3章 单粒子效应仿真技术 57
3.1 单粒子效应物理过程 57
3.2 单粒子效应粒子输运仿真 60
3.2.1 单粒子效应粒子输运仿真基本流程 60
3.2.2 重离子核反应对SRAM器件SEU截面的影响研究 62
3.2.3 不同种类粒子引发的单粒子效应敏感性差异研究 64
3.3 单粒子效应器件级仿真 66
3.3.1 单粒子效应器件级仿真基本流程 66
3.3.2 有源区形状尺寸变化对单粒子效应敏感性的影响研究 70
3.3.3 单粒子栅穿随工艺尺寸减小的趋势性变化研究 76
3.3.4 累积辐照对单粒子翻转敏感性的影响研究 81
3.4 单粒子效应电路级仿真 86
3.4.1 单粒子效应电路级仿真基本流程 86
3.4.2 驱动能力对标准单元单粒子效应敏感性的影响研究 106
3.4.3 版图结构对标准单元单粒子效应敏感性的影响研究 112
3.4.4 重离子斜入射对标准单元单粒子效应敏感性的影响研究 114
3.5 单粒子效应系统级仿真 123
3.5.1 单粒子效应系统级仿真基本思路 123
3.5.2 SRAM型FPGA单粒子功能中断截面评价 126
3.6 小结 131
参考文献 131
第4章 位移损伤仿真技术 135
4.1 位移损伤物理过程 135
4.2 位移损伤多尺度模拟方法 138
4.2.1 辐照诱发缺陷计算 138
4.2.2 缺陷演化和迁移研究 141
4.3 位移损伤粒子输运仿真 142
4.3.1 不同源引发的位移损伤差异研究 142
4.3.2 CMOS 图像传感器位移损伤研究 145
4.4 位移损伤器件级仿真 147
4.4.1 位移损伤器件级仿真基本流程 147
4.4.2 位移损伤诱发双极晶体管性能退化研究 148
4.4.3 位移损伤诱发CMOS 图像传感器性能退化研究 149
4.5 位移损伤电路级仿真 150
4.5.1 位移损伤电路级仿真基本流程 150
4.5.2 利用电路级仿真计算模拟电路位移损伤敏感性 151
4.6 小结 153
参考文献 153
第5章 瞬时剂量率效应仿真技术 155
5.1 瞬时剂量率效应物理过程 155
5.2 瞬时剂量率效应器件级仿真 157
5.2.1 瞬时剂量率效应器件级仿真基本流程 157
5.2.2 瞬时剂量率效应加固方法有效性验证 157
5.2.3 累积剂量影响瞬时剂量率效应的物理机制研究 159
5.3 瞬时剂量率效应电路级仿真 162
5.3.1 瞬时剂量率效应电路级仿真基本流程 162
5.3.2 典型数字电路瞬时剂量率效应敏感性计算 163
5.3.3 典型模拟电路瞬时剂量率效应敏感性计算 168
5.4 瞬时剂量率效应路轨塌陷现象仿真 169
5.5 小结 171
参考文献 171
第6章 辐射效应仿真软件 173
6.1 辐射效应仿真相关的商用软件 173
6.1.1 Space Radiation软件 173
6.1.2 Geant4软件 173
6.1.3 TCAD软件 174
6.1.4 LAMMPS软件 175
6.2 国外自研辐射效应仿真软件 175
6.3 国内自研辐射效应仿真软件 179
6.4 小结 183
参考文献 183
试读
第1章绪论
辐射作用于电子器件，可能导致电学性能退化、存储数据丢失，严重时甚至造成功能失效[1-4]。为评价电子器件抗辐射性能，针对性提出抗辐射加固方法并验证加固方法的有效性，抗辐射加固领域的研究人员常采用的研究手段有辐射效应试验与辐射效应仿真。辐射效应试验指的是利用实验室装置模拟真实辐射环境，以电子器件作为目标物开展损伤试验，用于研究辐射效应引发的损伤模式、损伤规律，评价在辐射环境中的易损性与生存能力。辐射效应仿真指的是利用物理建模和数值计算方法，模拟辐射与器件相互作用过程，揭示各类辐射效应的物理机理和规律[5]。
本章介绍常见的辐射环境，电子器件工作于辐射环境中可能引发的辐射效应，辐射效应评估手段，以及不同层级辐射效应仿真技术的特点和适用性。
1.1辐射环境与效应
辐射环境可以分为天然辐射环境和人为辐射环境两大类，其中*有代表性的为空间辐射环境与核辐射环境。
1.1.1空间辐射环境与效应
空间辐射环境指的是航天器运行空间范围内，由电子、质子、重离子等高能粒子组成的辐射环境。1912年，科学家Victor Francis Hess在不同海拔探测结果的佐证下，提出了“来自外太空的穿透性辐射”概念，获得了1936年的诺贝尔物理学奖。随着认识的逐步深入，人们已经能够定量探测到大气层外的空间内存在着非常强的自然辐射，如图1.1所示[6]。
空间辐射环境中高能粒子的主要来源包括：①地球辐射带，也称范艾伦辐射带(VanAllenbelt)，是由范艾伦根据美国**颗卫星探索者1号的空间粒子探测结果分析而发现的。范艾伦辐射带是地球周围被地磁场稳定捕获的带电粒子区域，主要成分是电子和质子。根据距离地面高度的不同，分为内带和外带。如图1.2所示，内带和外带在向阳面和背阳面各有一个区。内带的中心约在1.5个地球半径处，范围限于磁纬±40°之间，东西半球不对称，西半球起始高度低于东半球，内带中含有大量的高能质子和电子，带内质子能量范围为0.1～400MeV，电子能量范围为0.04～7MeV。内带空间分布的长期变化与南大西洋负磁异常区的变化趋势基本一致。外带的中心位于地面上空2～3个地球半径处，范围可延伸到磁纬50°～60°处，其中质子能量通常在几兆电子伏特以下，电子能量范围为0.04～4MeV。对航天器和宇航员的威胁，在内带主要来自高能质子，在外带主要来自高能电子[7]。②银河宇宙射线。来自银河系和河外星系的高能带电粒子，主要是质子，其次是α粒子、电子和少量重离子[8]。③太阳宇宙射线。太阳耀斑、日冕物质抛射等爆发性太阳活动发射出的、短时存在的高能带电粒子，主要是质子，其次是α粒子、电子和少量重离子。太阳宇宙射线中的带电粒子能量跨度从几万电子伏特到几十吉电子伏特，其中超高能粒子的速度可以达到光速的80%。太阳宇宙射线中的粒子能量与通量等极度依赖于太阳活动的强弱[9]。
空间辐射效应指的是空间辐射环境中带电粒子对航天器电子器件产生的作用效果。按作用机制，航天器空间辐射效应分为①电离总剂量效应，主要对象为电子器件和材料等，指辐射粒子进入航天器的材料、电子器件中，与其原子、分子发生电离作用，将能量传递给被辐照的物质，从而对材料、电子器件的性能产生的影响[10]。②位移损伤效应，主要对象为运算放大器、电流比较器、脉宽调制器等模拟线性电路和电荷耦合器件(CCD)、光电二极管等光电器件，指辐射粒子在材料中产生稳定缺陷，进而对材料和电子器件性能产生的影响。对于硅晶体，产生一对间隙原子-空位所需要的平均能量为15～40eV。因此，能量大于170keV的电子束即可在半导体中产生一系列间隙原子、空位[11]。③单粒子效应，主要对象为逻辑器件、存储器件、功率器件等，指空间辐射环境中的单个高能质子或重离子穿越单元电路敏感区时，产生的电子空穴对被器件内部的电场收集，形成瞬时的电流脉冲，改变存储器中存储的信息或使半导体逻辑电路或模拟电路产生错误的输出，干扰系统的正常工作[12-15]。④卫星表面充放电效应，主要对象为卫星表面材料等，指卫星在轨运行期间与能量在1～50keV范围的电子引起的空间等离子体环境相互作用而发生的静电荷累积现象，其穿透卫星表层小于1μm[16]。⑤卫星内带电效应，主要对象为介质材料、器件、悬浮导体等，指空间高能带电粒子，主要是能量范围为0.1～10MeV的高能电子，穿过卫星表面屏蔽层，在卫星内部材料表面或介质材料内部沉积从而建立电场，放电瞬间可能造成卫星某些敏感部件的损坏[16]。
1.1.2核辐射环境与效应
早期核辐射是核爆炸毁伤因素之一，核辐射环境是指核爆炸*初十几秒内放出的、具有很强贯穿能力的中子和γ射线，主要包括弹体内核反应产生的瞬发中子和瞬发γ射线、裂变产物释放出的缓发中子和缓发γ射线，以及中子与空气作用产生的γ射线。早期核辐射从辐射源发出后，通过大气并与大气发生多次相互作用向外传播，形成了具有空间分布、能量
