0.18μm CMOS电路瞬时剂量率效应实验研究

利用脉冲激光源及脉冲X射线源,开展了超深亚微米CMOS反相器及CMOS静态随机存储器的瞬时剂量率效应实验,测量了CMOS电路瞬时剂量率效应,并与微米级电路的瞬时剂量率效应进行了比较。结果表明,对于CMOS电路,特征尺寸的缩小对其抗瞬时剂量率性能的影响与电路的规模有关。0.18μm CMOS反相器的抗瞬时剂量率性能远优于微米级反相器,而0.18μm CMOS静态随机存储器的抗瞬时剂量率性能远低于微米级及亚微米级存储器。     

中子辐照后CMOS工艺静态随机存储器瞬时电离辐射翻转效应实验研究

对0.15μm特征尺寸CMOS工艺商用静态随机存储器(SRAM)开展了中子辐照后的瞬时电离辐射效应实验研究,获得了中子辐照后SRAM器件的瞬时剂量率翻转效应规律,并与未经中子辐照SRAM器件的瞬时剂量率翻转效应规律进行对比。结果表明:中子辐照能有效提高CMOS工艺SRAM器件的瞬时剂量率翻转阈值,中子辐照引起的少数载流子的寿命降低是产生这种现象的主要原因。     

特征工艺尺寸对CMOS SRAM抗单粒子翻转性能的影响

采用TCAD工艺模拟工具按照等比例缩小规则构建了从亚微米到超深亚微米级7种不同特征尺寸的MOS晶体管,计算了由这些晶体管组成的静态随机存储器(SRAM)单粒子翻转的临界电荷Qcrit、LET阈值(LETth),建立了LETth与临界电荷之间的解析关系,研究了特征工艺尺寸对CMOS SRAM抗单粒子翻转性能的影响及原因。研究表明:随着特征尺寸的减小,SRAM单元单粒子翻转的临界电荷减小,电荷收集效率由于寄生双极晶体管效应而增加,造成LETth随特征尺寸缩小而迅速减小,CMOS SRAM抗单粒子翻转性能迅速降低。     

静态随机存储器的电磁脉冲效应实验研究

实验研究了静态随机存储器(SRAM)的电磁脉冲效应,重点研究存储器容量不同、不同脉冲宽度脉冲场激励以及存储器读写状态与否等情况下的效应规律,实验场强在2.5至40 kV/m之间。实验结果表明,存储器处于读写状态即片选有效时其效应更为严重,存储器的翻转效应与存储容量大小、激励电磁脉冲的脉冲宽度关系不大,电磁脉冲的场强幅值是其主要的敏感参数。     

CMOS工艺微控制器瞬时电离辐射效应实验研究

利用CMOS工艺微控制器的实验测试系统,在"强光一号"加速器上进行了瞬时剂量率效应实验。实验研究采用的γ脉冲宽度为20ns,剂量率(以Si原子计)为6.7×106～2.0×108Gy/s。在不同的剂量率水平下观察到了扰动和闭锁效应,获得了微控制器的闭锁阈值,分析了扰动时间、系统功耗电流与剂量率间的关系。瞬时电离辐射在CMOS工艺电路的PN结中产生光电流,导致了电学和功能参数的退化。     

EEPROM瞬时剂量率效应实验研究

对3种不同容量的EEPROM开展了"强光一号"瞬时剂量率效应实验研究,测量电路的剂量率闩锁特性、高剂量率辐照下的数据保持能力及电路功能。辐照前,利用编程器在EEPROM中全地址写入55H,加电辐照,测量辐照后的电源电流;辐照后,再利用编程器对EEPROM的存储数据及读写功能进行测量。研究结果表明:EEPROM在瞬时辐照下,主要表现为外围电路的剂量率闩锁效应;在1.0×109 Gy(Si)/s的高剂量率辐照下,3种电路存储的数据保持完好,未发生变化,存储器的擦除、编程及读出功能正常。给出了3种EEPROM电路的剂量率闩锁阈值,并对EEPROM的瞬时剂量率效应特点进行了分析。     

基于物理的体硅CMOS存储器多位翻转特性电路级仿真分析

本文提出了一种电路级仿真方法,对体硅CMOS存储器中由单粒子效应引发的多位翻转特性进行了建模分析。该方法综合考虑了扩散效应及寄生双极放大效应引发的电荷共享收集机制,能基于版图特征重构多节点电荷收集的电流源,实现对单粒子效应位翻转截面的预估计算。针对一款65 nm工艺体硅CMOS存储器,对不同能量及角度入射的重离子引发的多位翻转效应（MCU）进行了仿真计算,并与试验结果进行了对比。     

64K CMOS随机存储器瞬时辐射损伤模式分析

对64K CMOS随机存储器6264进行了"强光一号"长脉冲辐射状态和短脉冲辐射状态下的辐照实验,测量了存储器翻转效应,分析了不同脉冲宽度下效应的差异,绘制了存储单元的翻转位图,研究了6264的辐射损伤模式。对于6264,其存储单元的翻转主要由内部路轨塌陷引起。     

CMOS APS用移位寄存器抗SEU加固方法

电离辐射环境中使用的CMOS 有源像素图像传感器(APS)的基于反相器的准静态移位寄存器容易发生单粒子翻转(SEU),而致使CMOS APS不能正常工作。本文对基于反相器的准静态移位寄存器中的单粒子翻转效应进行了分析,其对单粒子瞬态(SET)最敏感的节点存在于反相器的输入端,反相器的输入阈值电压和输入节点电容决定了其抗SEU的能力。提出了用施密特触发器代替反相器的加固方案,因施密特触发器的电压传输特性存在一滞回区间,所以有更高的翻转阈值,从而可获得更好的抗SEU能力。仿真结果表明,采用施密特触发器的移位寄存器结构较原电路结构的抗SEU能力提高了约10倍。     

宽剂量率范围的集成电路瞬时电离辐射效应模拟方法研究

借助于计算机开展器件和电路辐射效应的数值模拟,已成为抗辐射加固电路设计、制造和辐射性能预测、评估的重要环节。文章深入研究了国际上先进的光电流模型,提出了一种适用于较宽剂量率范围的集成电路瞬时电离辐射效应模拟方法。针对一种CMOS电压反馈型运算放大器,建立了器件和整体电路的瞬时电离辐射效应SPICE模型,采用MATLAB和HSPICE相结合的方法计算了电路在多种约束条件下(电路设计参数、辐射条件等)的瞬时电离辐射响应(瞬态峰值电平和恢复时间)。本研究为其他类型CMOS集成电路在较宽剂量率范围下的瞬时电离辐射效应建模和仿真提供了参考。     

亚微米特征工艺尺寸静态随机存储器单粒子效应实验研究

利用中国原子能科学研究院重离子加速器,开展了不同特征尺寸(0.35～0.13μm)CMOS工艺、不同集成度(1M、4M、8M、16M)静态随机存储器(SRAM)单粒子翻转(SEU)和单粒子闩锁(SEL)实验研究,给出了SRAM器件的SEU、SEL截面曲线。与μm级特征尺寸的器件相比,随特征尺寸的减小,单粒子翻转更加严重。测量到了令人关注的单粒子多位翻转(MBU)效应,对翻转位数进行了统计分析。MBU对目前卫星系统采用的EDAC技术提出了挑战。     

SOI器件瞬时剂量率效应的激光模拟技术研究

为验证激光模拟技术用于半导体SOI器件瞬时剂量率效应研究的可行性,对其优势和主要原理进行了分析。利用0.13 μm SOI MOS器件单管测试芯片进行了激光辐射实验,获得了不同尺寸器件辐射所激发的瞬时光电流与激光入射能量的关系曲线,并计算得到了线性拟合后的光电流表达式。通过激光实验数据与器件TCAD仿真结果的对比,获得了本文实验条件下的辐射剂量率 激光能量模拟等效关系。结果表明,激光模拟技术可用于半导体SOI器件瞬时剂量率效应研究。     

瞬态闭锁试验在0.13 μm大规模集成电路中引起的潜在损伤

瞬态剂量率辐射试验会引起集成电路发生损伤或失效，其原因至少有两种：闭锁大电流引起的电路内部金属互连熔融；累积电离总剂量引起的氧化层电荷造成阈值电压偏移。本文以一种0.13 μm体硅CMOS处理器为对象，研究了瞬态剂量率和稳态电离总剂量辐射效应规律。结果表明：瞬态剂量率闭锁效应对处理器造成了显著的潜在损伤，导致其总剂量失效阈值从1 030 Gy(Si)降低至600 Gy(Si)。研究结论对于大规模集成电路的可靠性评估和指导辐射加固设计有重要参考意义。     

54HC系列CMOS器件脉冲与稳态γ总剂量效应异同性研究

针对现有脉冲辐射模拟装置在模拟真实环境方面累积剂量偏小的特点,开展了54HC系列CMOS器件脉冲γ与⁶⁰Coγ总剂量效应损伤异同性研究,获取器件效应损伤因子,以期通过对稳态辐射环境下电路总剂量损伤阈值的测量预估脉冲高剂量率环境下的总剂量损伤阈值。研究结果表明,无论选择哪种敏感参数进行效应损伤异同性研究,稳态辐照造成的总剂量损伤总是高于脉冲辐照,即稳态总剂量引起的器件阈值电压漂移、静态功耗电流增加比脉冲总剂量引起的大。     

FPGA单粒子效应的脉冲激光试验方法研究

通过测试基于静态随机存储器（SRAM）的现场可编程门阵列（FPGA）芯片的单粒子效应,研究脉冲激光的试验方法,评估脉冲激光试验单粒子效应的有效性。研究表明,激光光斑聚焦深度和激光注量是影响脉冲激光单粒子效应试验的重要因素。试验发现,脉冲激光在较高能量时,单个激光脉冲会触发多个配置存储位发生单粒子翻转,造成芯片饱和翻转截面偏大。激光辐照芯片时,观察到芯片的内核工作电流以1～2 mA的幅度逐渐增加,在此期间器件工作正常。试验获得了Virtex 2 FPGA芯片的静态单粒子翻转截面和翻转阈值。通过对比激光与重离子的试验结果发现,二者在测试器件单粒子翻转方面基本一致,脉冲激光可有效研究芯片的单粒子效应特性。     

SRAM型FPGA的静态与动态单粒子效应试验

静态随机存取存储器(SRAM)型现场可编程门阵列(FPGA)在空间电子设备中取得了广泛的应用。但它内部大量的SRAM型存储单元极易发生单粒子软错误,特别是配置存储器中的单粒子翻转,有可能改变整个电路的结构,给其空间应用带来严重的可靠性问题。因此,有必要开展地面加速器模拟试验以评价该器件对单粒子效应的敏感程度,且对系统在空间中的失效行为进行预估。本工作在重离子加速器上对Xilinx的Virtex系列FPGA进行了单粒子效应试验,取得了典型器件的静态单粒子翻转截面曲线。针对3个测试电路进行的动态测试表明,系统的失效率远低于内部存储器发生翻转的频率,也不能简单地用资源占用率来进行估计。     

CMOS器件SEL效应电路级防护设计及试验验证

利用脉冲激光单粒子效应试验装置,开展了两种CMOS SRAM器件IDT71V416S和K6R4016V1D单粒子闭锁(SEL)效应的研究。基于CMOS电路结构SEL效应的机理及触发条件,分析两种CMOS器件的闩锁响应特性,设计了两种CMOS器件SEL效应防护电路,并探讨了两种防护电路的适用范围及限流电阻、恒流源电流的选取。利用脉冲激光和重离子辐照试验验证了两种防护方法的防护效果。结果表明,当器件工作电流和闩锁维持电流相差不大时,加入限流电阻虽能降低闩锁电流幅值,但电路不能自动退出闩锁状态。恒流源限流防护电路不但降低了SEL电流的幅值,而且自动退出闩锁状态,能更有效地减缓CMOS器件电路级闩锁效应。     

高速实时测量粒子径迹的ASIC芯片设计

为高速实时测得粒子入射到探测器的位置信息,研制了一款基于0.18μm CMOS工艺的四通道专用集成电路芯片。设计了极零相消电路、低通滤波成形电路、甄别电路及脉冲整形电路,并对其积分非线性、成形时间、可靠性等设计指标参数进行了分析。     

10位CMOS模数转换器高低剂量率的辐射效应

对10位CMOS模数转换器ADC7910的60Coγ射线的电离辐射效应及退火特性进行了研究.结果显示:模数混合电路在不同剂量率辐照下的电离辐照响应有明显区别,在高剂量率辐照下的损伤明显大于低剂量率的辐照,但这种差异可通过高剂量率辐照加与低剂量率辐照相同时间的室温退火来消除,因而具有时间相关效应.对辐射敏感参数和损伤机理...     

重离子辐照效应检测系统的研制

为进行静态随机存储器芯片和可编程外围接口芯片的单粒子效应研究,研发了重离子辐照效应检测系统.系统特点是人机界面友好,操作方便、直观,实现了可靠的控制与数据采集.在HI-13串列加速器上,利用此系统对静态随机存储器HM1-65642(SRAM 8K×8bit)和可编程外围接口电路ID82C55A的单粒子翻转效应和单粒子锁定效应成功地进行了试验研究,完成两种器件5种离子16O、35Cl、55Fe、79Br、127I及反冲197Au的单粒子效应的测量.