基于SOI结构的辐照传感器的辐照响应特性研究

绝缘体上硅埋氧层(Silicon-On-Insulator Buried Oxide,SOI BOX)P型金属氧化物半导体场效应晶体管(Positive channel Metal Oxide Semiconductor,PMOS)是用于新型高灵敏度辐射探测仪的一种关键器件。通过试验研究了SOI BOX PMOS的辐照响应特性,包括辐照偏置对SOI BOX PMOS的辐射响应灵敏度的影响、不同辐射剂量率环境下的SOI BOX PMOS的灵敏度响应差异、辐照后的SOI BOX PMOS的退火特性及其对辐射响应敏感度影响,以及SOI BOX PMOS沟道宽长比与其灵敏度的关系等,并对试验结果进行了必要的理论分析。实验结果表明:正偏置辐照的器件对电荷的收集响应灵敏度明显高于零偏置辐照的器件;阈值电压的辐照变化几乎不受退火效应影响;相比于宽沟道器件,窄沟道器件的阈值电压漂移更为明显。实验研究为新型辐射剂量探测仪的研制打下了基础。     

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。     

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。     

90Sr-90Y源半导体器件辐照效应在线测量系统

介绍了一种新型半导体效应参数测量装置,以＾９０Ｓｒ－＾９０Ｙ为模型源辐射装置与半导体参数测量仪共同组成半导体器件辐射效应测量系统,可进行各类器件和电路总剂量辐照效应测量与分析,系统实现了在线测量和辐射剂量率的连续调节,特别适宜对于卫星空间辐射环境的模拟。     

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。     

剂量率对MOS器件总剂量辐射性能的影响

对3种MOS器件在不同模拟源的两种辐照剂量率下进行辐照实验,研究了MOSFET阈值电压随辐射剂量及剂量率的变化关系。对实验结果进行了分析讨论。试验表明：在相同辐射剂量下,低剂量率辐照损伤比高剂量率大。     

瞬时电离辐射剂量率对BiMOS运放输出扰动时间的影响

对两种不同类型BiMOS运算放大器（JFET-Bi,PMOS-Bi）γ瞬时电离辐射效应进行研究。结果显示,BiMOS运放瞬时辐射扰动时间随剂量率变化呈现出一定的规律性,在剂量率较低情况下扰动时间随剂量率指数增长,剂量率较高时,扰动时间呈现出饱和特性。另外,输入信号不同,输出扰动时间随剂量率的变化也会有差异。     

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。     

0.18 μm 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。0.18 μm CMOS反相器的抗瞬时剂量率性能远优于微米级反相器,而0.18 μm 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。     

不同偏置影响SiGe HBT剂量率效应数值模拟

为研究不同偏置条件对SiGe异质结双极晶体管(HBT)剂量率效应的影响,采用半导体模拟软件Sentaurus TCAD构建了SiGe HBT三维数值仿真模型,研究了不同剂量率、不同偏置条件下SiGe HBT在γ瞬时辐照时各端口电流瞬变峰值随时间的变化及Gummel特性曲线的变化。结果表明,器件各端口的电流瞬变峰值随剂量率的增加而增加;不同端口对γ瞬时辐射响应的最劣偏置不同。同一端口在不同偏置条件下的瞬变电流也不同:集电极瞬变电流在衬底反偏时较大,基极瞬变电流在截止偏置时较大,衬底瞬变电流在衬底反偏时较大。产生这些现象的主要原因是不同偏置条件下载流子输运方式的变化和外加电场的影响。     

基于高温抗辐照SOI CMOS工艺的器件特性研究

绝缘体上硅（SOI）技术因其独特的优势而广泛应用于辐射和高温环境中,研究不同顶层硅膜厚度（tSi）的器件特性,对进一步提升高温抗辐照SOI CMOS器件的性能至关重要。本工作首先通过工艺级仿真构建了N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（NMOSFET）的模型,并对其进行了分析,基于仿真结果,采用015 μm抗辐照SOI CMOS工艺制备出具有不同硅膜厚度的实际器件,该工艺针对高温应用引入了设计与材料的优化。结果表明,薄硅膜和厚硅膜NMOSFET在150 krad(Si) 总剂量辐射下表现出相近的抗辐照加固性能,而前者在225 ℃高温下具有较小的漏电流,因此具有较薄硅膜的NMOSFET更适用于高温电子器件的制造。     

Effects of total dose irradiation on the threshold voltage of H-gate SOI NMOS devices

This work researched the impact of total dose irradiation on the threshold voltage of N-type metal oxide semiconductor field effect transistors(nMOSFETs) in silicon-on-insulator(SOI) technology.Using the subthreshold separation technology,the factor causing the threshold voltage shift was divided into two parts:trapped oxide charges and interface states,the effects of which are presented under irradiation.Furthermore,by analyzing the data,the threshold voltage shows a negative shift at first and then turns to positive shift when irradiation dose is lower.Additionally,the influence of the dose rate effects on threshold voltage is discussed.The research results show that the threshold voltage shift is more significant in low dose rate conditions,even for a low dose of100 krad(Si).The degeneration value of threshold voltage is 23.4%and 58.0%for the front-gate and the back-gate at the low dose rate,respectively.     

130 nm SOI D触发器链空间静电放电效应和单粒子效应对比试验研究

空间静电放电效应（SESD）和单粒子效应（SEE）是卫星设备异常的两个重要原因,但难以精确判断航天应用中产生的故障是由何种效应所导致。以130 nm SOI工艺D触发器（D flip flop）链为试验对象,利用静电放电发生器和脉冲激光试验装置,通过改变辐射源能量、测试模式、拓扑结构以及抗辐射加固结构等试验变量,试验研究SESD和SEE引起软错误的异同规律特征,其试验结果可为故障甄别及防护设计提供支撑。     

铀氢锆瞬态实验装置计算程序的研发

本文针对新型核反应堆电源系统物理特性研究的铀氢锆瞬态实验装置,结合点堆动力学方程、非稳态热传导方程和热弹性动力学方程,研发了专用于铀氢锆瞬态实验装置实验过程模拟的瞬态计算程序。以保健物理研究堆（HPRR）为例,利用研发的程序进行模拟,得到HPRR的功率、反应性、温度和径向位移随时间的变化。程序的计算结果与Fuchs-Hansen模型的结果较为一致,验证了该瞬态计算程序的正确性。     

金属核燃料系统瞬态特性分析研究

本文结合点堆动力学方程、非稳态传热方程和线弹性运动微分方程,开发了适用于金属核燃料系统的瞬态特性分析程序STAC。利用STAC程序对美国Godiva-Ⅰ瞬态实验装置进行了模拟,得到了该装置的裂变率、反应性和温度随时间的变化。STAC程序计算结果与Godiva-Ⅰ装置的实验结果较为一致,验证了STAC程序的准确性。     

单片机系统脉冲γ辐射效应研究

本文以建立的EE80C196KC20型单片机运行系统为研究对象,在“强光一号”加速器上,对系统中的LM7805型电源芯片和EE80C196KC20型单片机进行了脉冲γ辐射效应实验研究,获得了单片机的闩锁阈值,得到了功耗电流、I/O输出随剂量率的变化规律,从实验上证实了电源芯片对单片机脉冲γ辐射闩锁效应的抑制作用。     

双极晶体管瞬态辐射光电流分流补偿法及其实验研究

采用标准分立双极元件,对双极晶体管瞬态辐射光电流分流补偿法进行了实验验证。给出了双极晶体管瞬态辐射响应及光电流分流补偿原理,比较了带补偿与不带补偿电路的瞬态响应波形。实验结果对双极晶体管集成电路瞬态辐射加固具有指导意义。     

CMOS APS光电器件单粒子效应电荷收集特性仿真分析

卫星在轨飞行期间,星载电子器件将不可避免地遭受空间带电粒子的辐射,随着半导体技术的不断进步,电子器件的单粒子效应敏感性越来越高,已经成为一个影响其可靠性的重要因素。互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor Active Pixel Sensor,CMOS APS)光电器件因其低功耗、小体积和微重量的优点已成为遥感卫星成像的重要发展方向。为获取CMOS APS光电器件在遭受带电粒子辐射后性能变化的特征,在分析SOI MOSFET(Silicon on Insulator Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)结构和特性的基础上,通过理论分析和数值模拟,分析了重离子在CMOS APS光电器件中引起的辐射损伤,分析晶体管和光电二极管的电荷收集机理。通过TCAD(Technology Computer Aided Design)模拟了电荷收集过程,分析了影响漏电流变化的直接因素,获得了重离子LET(Linear Energy Transition)值、入射位置以及器件偏置电压与漏电流的相互关系,为后续CMOS APS的重离子模拟试验以及抗辐射加固设计提供了理论支撑。     

掺锗石英光纤的稳态和瞬态γ辐射效应研究

开展了掺锗石英光纤在1.0×10~(-4)~0.5Gy(Si)/s剂量率下的稳态γ辐照实验和10~6~10~9 Gy(Si)/s剂量率下的瞬态γ辐照实验。结果表明:光纤辐射感生损耗与辐照总剂量呈饱和指数关系,与色心浓度微分方程推导出的结论相一致。在辐照总剂量相同的情况下,光纤辐射感生损耗随辐照剂量率的增大而增大。辐照期间有光注入较无光注入时的光纤辐射感生损耗低,证实了光褪色效应的存在。对实验用650、850和1 310nm 3个波长,光纤辐射感生损耗随波长的增大而减小。与光纤稳态辐射感生损耗相比,光纤瞬态辐射感生损耗要大得多;光纤瞬态辐射感生损耗峰值与脉冲总剂量呈线性关系,这与饱和指数关系在低剂量下的泰勒展开近似一致。     

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。