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第1章 辐射环境介绍1

1.1 空间辐射环境1

1.1.1 背景知识1

1.1.2 高能离子3

1.1.3 俘获电子4

1.1.4 俘获质子5

1.1.5 太阳宇宙射线5

1.1.6 银河宇宙射线6

1.2 高能物理辐射环境7

1.3 核辐射环境7

1.3.1 核爆炸辐射环境8

1.3.2 核反应堆辐射环境9

1.4 地面辐射环境10

1.4.1 大气辐射环境10

1.4.2 地辐射环境11

1.5 本章小结12

参考文献12

第2章 辐射相互作用物理过程14

2.1 半导体材料中辐射的相互作用15

2.1.1 简介15

2.1.2 电磁相互作用17

2.1.3 强子的相互作用25

2.1.4 弱相互作用27

2.1.5 相互作用的过程28

2.2 辐射输运31

2.2.1 玻尔兹曼传输方程32

2.2.2 计算技术33

2.2.3 辐射输运仿真工具介绍34

2.3 应用实例37

2.3.1 地球轨道电子环境37

2.3.2 木星的辐射环境37

2.3.3 行星环境39

2.3.4 单粒子效应和轨道结构的详细建模39

2.3.5 趋势41

2.4 本章小结42

参考文献42

第3章 电离总剂量效应47

3.1 概述47

3.2 电离总剂量48

3.2.1 电离损伤概述48

3.2.2 氧化物俘获电荷50

3.2.3 界面态陷阱52

3.2.4 MOS器件中的1/f噪声54

3.3 深亚微米工艺的辐射效应55

3.3.1 超小尺寸体硅CMOS工艺55

3.3.2 全耗尽型SOI的总剂量效应60

3.3.3 超薄氧化物62

3.3.4 高k电介质64

3.4 亚100nm CMOS工艺下的总剂量效应66

3.4.1 概述66

3.4.2 实验详情66

3.4.3 尺寸缩小对截止态电流的影响66

3.4.4 同一工艺节点上不同工艺类型的截止态电流67

3.5 本章小结72

参考文献73

第4章 位移损伤效应77

4.1 背景信息77

4.1.1 早期的位移损伤效应研究77

4.1.2 位移损伤机制及效应的定性概述77

4.2 一致位移损伤效应79

4.3 非一致位移损伤效应81

4.4 位移损伤退火82

4.4.1 注入退火82

4.4.2 短期退火82

4.4.3 长期退火85

4.5 非电离能量损失和损伤相关性85

4.5.1 非电离能量损失率概念85

4.5.2 器件行为的NIEL相关性86

4.5.3 NIEL计算的进一步发展89

4.5.4 NIEL的使用约束89

4.6 位移损伤的演变和趋势91

4.7 本章小结93

参考文献93

第5章 单粒子效应99

5.1 单粒子效应概述99

5.1.1 硅半导体中的单粒子效应产生原理99

5.1.2 专有名词100

5.1.3 存储器中的单粒子翻转机制101

5.1.4 数字电路中的单粒子效应机制103

5.2 新型器件和电路的发展趋势105

5.2.1 半导体发展路线图105

5.2.2 现代工艺中的缩小效应107

5.3 本底辐射的敏感度增强效应114

5.3.1 低能质子114

5.3.2 大气μ子115

5.3.3 低α材料问题118

5.4 新兴器件和相关机制120

5.4.1 绝缘体硅工艺120

5.4.2 多栅极器件123

5.4.3 体硅和绝缘体硅FinFET晶体管125

5.4.4 具有独立栅极的多栅极和多沟道器件127

5.4.5 Ⅲ-Ⅴ族FinFET和隧道场效应管128

5.4.6 无结器件131

5.5 三维集成133

5.6 本章小结135

参考文献136

第6章 单粒子闩锁机制加固策略及测试方法141

6.1 闩锁机制141

6.2 闩锁加固策略143

6.3 电气闩锁测试144

6.4 单粒子闩锁测试145

6.4.1 单个粒子诱发闩锁测试145

6.4.2 脉冲激光诱发闩锁测试148

6.5 单粒子闩锁加固策略有效性150

6.6 本章小结152

参考文献152

第7章 辐射加固器件的SPICE模型155

7.1 环栅版图晶体管介绍155

7.2 环栅版图晶体管建模技术156

7.2.1 宽长比156

7.2.2 输出电阻157

7.2.3 电容158

7.2.4 仿真方法159

7.3 实验结果及讨论159

7.3.1 矩形晶体管比较160

7.3.2 环栅版图晶体管比较160

7.3.3 梯形晶体管比较163

7.4 其他加固器件的建模164

7.5 本章小结164

参考文献165

第8章 抗辐射单元库设计166

8.1 组合逻辑加固166

8.1.1 单粒子闩锁加固167

8.1.2 总剂量加固167

8.1.3 总体加固影响168

8.2 组合单元优化168

8.2.1 晶体管尺寸的限制168

8.2.2 手动布局改进169

8.2.3 自动布局布线改进169

8.3 触发器加固170

8.3.1 传统时间冗余加固171

8.3.2 传统三模冗余加固172

8.3.3 高速三模冗余加固172

8.3.4 功耗和延迟比较176

8.3.5 辐射测试177

8.4 存储器单元加固178

8.4.1 6管存储单元178

8.4.2 HIT存储单元180

8.4.3 DICE存储单元181

8.4.4 10管存储单元182

8.4.5 几种抗辐射加固单元的性能对比182

8.5 单元库参数提取184

8.5.1 抽象生成185

8.5.2 单元提取185

8.5.3 单元库特性185

8.5.4 单元库文件提取实例185

8.6 本章小结186

参考文献187

第9章 自动综合的抗辐射数字电路设计188

9.1 自定义CAD工具188

9.2 综合189

9.3 布局190

9.4 三模冗余191

9.4.1 布图规划解析191

9.4.2 网表解析192

9.4.3 布局解析192

9.5 布线193

9.6 时序分析和验证194

9.7 片外逻辑接口194

9.8 片上逻辑接口195

9.9 芯片接口实例195

9.9.1 双模冗余接口196

9.9.2 高速缓存接口197

9.10 双模冗余嵌入式处理器设计实例197

9.11 本章小结199

参考文献201

第10章 模拟和混合信号电路加固设计202

10.1 模拟和混合信号电路的单粒子效应202

10.1.1 单粒子机制202

10.1.2 模拟单粒子瞬态204

10.1.3 运算放大器的单粒子效应206

10.2 偏置相关的单粒子效应模型208

10.3 电荷共享加固设计方法211

10.3.1 差分电荷消除版图211

10.3.2 敏感节点有源电荷消除213

10.4 节点分裂加固设计方法216

10.4.1 开关电容电路加固方法216

10.4.2 运算放大器加固方法219

10.5 本章小结223

参考文献223

第11章 集成电路辐射效应仿真226

11.1 单粒子效应建模和仿真问题226

11.1.1 器件级建模方法227

11.1.2 电路级建模方法228

11.1.3 蒙特卡罗仿真工具231

11.2 单粒子效应仿真实例235

11.2.1 设计仿真电路模型236

11.2.2 SRAM三维建模：Gds2Mesh237

11.2.3 查看结果242

11.3 总剂量效应仿真245

11.3.1 概述245

11.3.2 方法245

11.4 位移损伤仿真249

11.5 本章小结250

参考文献250

第12章 单粒子效应的脉冲激光测试原理253

12.1 概述253

12.2 激光测试技术基础254

12.2.1 激光测试技术的分类254

12.2.2 激光产生率建模254

12.2.3 激光与重离子产生率的对比255

12.3 用于集成电路测试的脉冲激光系统257

12.3.1 激光测试的基本原理257

12.3.2 实验平台257

12.3.3 自动化测试258

12.3.4 其他系统258

12.4 激光系统的应用举例259

12.4.1 单粒子翻转激光截面260

12.4.2 商业SRAM芯片的激光测试方法261

12.4.3 双光子吸收诱发载流子的激光单粒子效应测试265

12.5 本章小结266

参考文献266

第13章 辐射加固保障测试268

13.1 实验室辐射源268

13.1.1 总剂量辐射源268

13.1.2 单粒子效应粒子加速器269

13.1.3 辐射源的选择270

13.2 总剂量辐射加固保障测试270

13.2.1 总剂量辐射加固保障测试方法270

13.2.2 剂量率增强效应272

13.2.3 辐射前升温应力（老化）效应274

13.2.4 辐射保障测试的最佳实验室源276

13.2.5 最坏情况偏置279

13.2.6 测试温度的影响281

13.3 单粒子效应辐射加固保障测试284

13.3.1 简介284

13.3.2 单粒子翻转284

13.3.3 单粒子闩锁292

13.3.4 单粒子烧毁和单粒子栅穿296

13.4 本章小结299

参考文献299

附录A306