Design of high performance and radiation hardened SPARC-V8 processor

Design of a highly reliable SPARC-V8 processor for space applications requires consideration single-event effects including single event upsets, single event transients, single event latch-up, as well as cumulative effects such as the total ionizing dose (TID). In this paper, the fault tolerance of the SPARC-V8 processor to radiation effects is discussed in detail. The SPARC-V8 processor, fabricated in the 65 nm CMOS process, achieves a frequency of 300 MHz with a core area of 9.78×9.78 mm², and it is demonstrated that its radiation hardened performance is suitable for operating in a space environment through the key elements' experiments, which show TID resistance to 300 krad(Si), SEL immunity to greater than 92.5 MeV·cm²/mg, and an SEU error rate of 2.51×10^-4 per day.     

塑料闪烁光纤用于放射性剂量探测的实验研究

设计并搭建了一套基于塑料闪烁光纤的放射性传感实验系统, 利用该装置进 行了放射性剂量测量实验,验证塑料闪烁光纤用于放射性探测领域的可行性和表现 。通过分析采 用脉冲计数和脉冲计数强度加权两种方法对在不同放射环境下测量获得的等效剂量曲线, 分辨出不同 放射环境下放射性剂量的差异,且等效剂量曲线呈现出良好的线性,拟合确定系数R²值＞99%。实验结果表明,基于 塑料闪烁光纤的放射性探测系统,在剂量传感方面具有一定有效的灵敏度和持续测量的稳定 性。     

SiGe HBT瞬时剂量率效应实验及仿真研究

锗硅异质结双极晶体管(SiGe Heterojunction Bipolar Transistor,SiGe HBT)由于其优异的温度和频率特性,在航空航天等极端环境中具有良好的使用前景,其辐射效应得到了广泛关注。针对KT9041 SiGe HBT进行了瞬时γ射线及脉冲激光辐照实验,获得其瞬时剂量率效应(Transient Dose Rate Effect,TDRE)响应。实验结果表明,SiGe HBT收集极在辐照下会产生明显的光电流脉冲,并且存在着饱和阈值的现象。此外,在脉冲激光辐照实验中还进行了SiGe HBT总剂量效应与瞬时剂量率效应的协同效应研究。发现SiGe HBT在经过总剂量辐照后其产生的光电流幅值会变大。为了分析实验中观察到的现象,应用TCAD建立了KT9041 SiGe HBT的仿真模型,并进行了瞬时γ射线辐照以及总剂量效应仿真研究。仿真发现,SiGe HBT收集极光电流出现的饱和现象是由示波器端口50 Ω匹配电阻所造成的。而总剂量效应导致的光电流幅值变大则是由于总剂量效应会在SiGe HBT收集极电极处的Si/SiO₂界面引入正电荷缺陷,正电荷缺陷产生的局部电场会对自由电子产生吸引作用,导致更多的自由电子被收集极收集,从而产生幅值更大的光电流。     

12位CBCMOS工艺数模转换器电离辐射效应

A digital-to-analog converter （DAC） in CBCMOS technology was irradiated by 60Co F-rays at various dose rates and biases for investigating the ionizing radiation response of the DAC. The radiation responses show that the function curve and the key electrical parameters of the DAC in CBCMOS technology are sensitive to total dose and dose rates. Under different bias conditions, the radiation failure levels were different, and the radiation damage under operation bias conditions was more severe. Finally, test results were preliminarily analyzed by relating the failure mode to DAC architecture and process technology.     

Comparison of the effects of ionizing radiation at twelve dose rates from 0.0015 to 100 rad(Si)/s

Evidence is presented that two competing failure mechanisms exist in the Si-SiO₂ system with one mechanism dominating at low dose rates and the other at high. Much lower dose failures than expected were discovered at low dose rates (<0.1 rad(Si)/s) and very low dose rates (∼0.001 rad(Si)/s) in commercial SGS 4007 CMOS devices. These failure doses plotted versus dose rate have a bell-shaped curve, rather than the expected straight line (decreasing with increasing dose rate), indicating that a different failure mechanism is dominant at low dose rates than at high.     

不同辐射源瞬态电磁信号辐射场特性研究

为研究不同辐射源瞬态电磁辐射信号辐射场特性,建立了圆柱形导体传输线模型,基于频域法对电晕放电的远场辐射场进行了理论计算,计算结果表明放电信号的时域波形衰减振荡时间随导体尺寸的增加而增大,辐射场频谱高频分量减少,且随着导体长度的增加,辐射场振荡频率逐渐降低.设计瞬态电磁辐射信号测试实验,验证了理论计算结果.同时,实验采集了摩托车火花塞打火时的时域与频域信息,结果表明火花塞放电时域波形与电晕放电相近,但频谱差别很大,火花放电频谱能达到GHz以上.     

矢量匹配结合递归卷积法计算GIS外壳辐射场

提出了一种计算气体绝缘变电站（GIS）金属外壳暂态辐射场的新方法：首先运用矢量匹配法对用NEC计算的频域格林函数进行拟合,拟合结果在时域内表示为指数函数和的形式;然后利用递归卷积在时域内直接计算实际输入下的辐射场。该方法不仅可以提高计算精度,降低计算时间,而且克服了快速傅立叶变换存在的不可避免的问题。通过对一125kVGIS金属外壳暂态辐射场计算结果与测量结果的比较,验证了方法的正确性与可行性。     

电快速瞬变脉冲群的短偶极子辐射发射模型

煤矿井下动力主要由电缆供电,开关操作产生的电快速瞬变脉冲群将通过电缆对井下电磁环境产生影响。以电快速瞬变脉冲群脉冲电流作为短偶极子的激励源,运用电磁场理论建立短偶极子的瞬态辐射发射模型,并进行数值分析,仿真结果表明:在近场区,电场和磁场都与距离r密切相关,电场随着1/r3变化,磁场随着1/r2变化,近场波阻抗随着r的增大而减小;在远场区,电场和磁场都随着r的增大而减小,远场波阻抗不随r变化;瞬态辐射发射能量集中在脉冲的上升时间,说明高频部分在瞬态骚扰中起主要作用。井下实验研究表明:通过电缆辐射发射的瞬态场覆盖频段较宽,对井下电磁环境的影响较大。     

基于SOI工艺的二极管瞬时剂量率效应数值模拟

为研究SOI MOS器件中寄生PN二极管在瞬时剂量率辐射下产生的光电流效应,采用TCAD工具,对0.13 μm SOI工艺的PN二极管进行建模,数值模拟了二极管光电流变化与不同瞬态γ剂量率辐照之间的关系.通过模拟PN+型、P+N型两种二极管结构在不同偏置电压、不同剂量率辐射下的抗瞬时剂量率辐射能力,可以得出当瞬时剂量率...     

Annealing behavior of radiation damage in JFET-input operational amplifiers

The elevated and room temperature annealing behavior of radiation damage in JFET-input operational amplifiers (op-amps) were investigated. High-and low-dose-rate irradiation results show that one of the JFET-input op-amps studied in this paper exhibits enhanced low-dose-rate sensitivity and the other shows time-dependent effect. The offset voltage of both op-amps increases during long-term annealing at room temperature. However, the offset voltage decreases at elevated temperature. The dramatic difference in annealing behavior at room and elevated temperatures indicates the migration behavior of radiation-induced species at elevated and room temperatures. This provides useful information to understand the degradation and annealing mechanisms in JFET-input op-amps under total ionizing radiation. Moreover, the annealing of oxide trapped charges should be taken into consideration, when using elevated temperature methods to evaluate low-dose-rate damage.     

JFET输入运算放大器辐射损伤的退火行为

The elevated and room temperature annealing behavior of radiation damage in JFET-input operational amplifiers （op-amps） were investigated. High- and low-dose-rate irradiation results show that one of the JFET-input op-amps studied in this paper exhibits enhanced low-dose-rate sensitivity and the other shows time-dependent effect. The offset voltage of both op-amps increases during long-term annealing at room temperature. However, the offset voltage decreases at elevated temperature. The dramatic difference in annealing behavior at room and elevated temperatures indicates the migration behavior of radiation-induced species at elevated and room temperatures. This provides useful information to understand the degradation and annealing mechanisms in JFET-input op-amps under total ionizing radiation. Moreover, the annealing of oxide trapped charges should be taken into consideration, when using elevated temperature methods to evaluate low-dose-rate damage.     

运算放大器电离总剂量效应研究

对某型号国产双极型双路高压运算放大器在不同偏置条件和不同剂量率条件下的电离总剂量效应进行了研究。通过对运算放大器辐照前后的电参数进行测试,计算得到增强因子,分析特殊偏置条件和低剂量率条件对运算放大器电离总剂量效应的影响。试验结果表明,偏置条件不同,运算放大器的电离总剂量效应表现出明显差异性,各管脚短接相对于正常加电工作条件是较恶劣的一种偏置条件。在0.01 rad(si)/s低剂量率条件下,运算放大器表现出潜在的低剂量率增强效应。     

基于正交小波变换的瞬变步长LMS自适应滤波算法

本文在滑动准最小均方误差瞬变步长LMS（SPLMS）算法基础上提一种基于正交小波变换的瞬变步长LMS（WTSPLMS）的改进自适应滤波算法,该算法较好地利用了正交小波具有良好的时频局部化的特性,使之除具有SPLMS算法的优点外,还具有更高的起始收剑速率,更小的权失调噪声,更大的抑噪能力,计算机仿真效果较好,支持了理论分析。     

MOS器件及电路的总剂量辐射效应测试技术

介绍了半导体器件与电路的总剂量辐射效应及其测试技术,主要分析了MOS器件的效应机理、总剂量效应试验模拟源以及各种模拟源辐射环境的测量方法,最后给出了部分实验结果,并对其进行了讨论。     

不同剂量率LC54HC04RH电路的电离辐射效应

对 L C54HC0 4 RH电路在不同辐射剂量率进行了电离辐射实验。分析了该电路的阈值电压随辐射剂量率的变化关系。实验结果表明 :在辐射剂量率处于 3× 10 -4 Gy(Si) / s到 1.98×10 -1Gy(Si) / s范围内 ,辐射感生界面陷阱电荷随辐射剂量率的减少而增加。辐射感生界面陷阱电荷是导致该电路在空间辐射环境下失效的主要原因。     

基于大气程辐射比例修正的红外辐射特性测量

大气程辐射是影响目标红外辐射特性测量精度的重要因素之一。本文利用大气程辐射修正因子修正大气程辐射值以提高其测量精度。首先,给出目标红外辐射特性测量模型,然后,提出利用大气程辐射修正因子的目标红外辐射特性测量方法。该方法将一定距离下实际测量的大气程辐射和MODTRAN计算的大气程辐射之比定义为大气程辐射修正因子,最后利用该修正因子对其他距离的MODTRAN计算的大气程辐射进行修正并进行目标的辐射反演,获得目标辐射特性。本文利用中波红外摄像机和小面源黑体开展目标红外辐射特性测量实验。实验结果表明,本文方法较传统方法可以在一定程度上提高目标辐射特性测量精度,将精度提高2%左右。     

锗硅异质结双极晶体管空间辐射效应研究进展

异质结带隙渐变使锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)具有良好的温度特性,可承受-180~+200 ℃的极端温度,在空间极端环境领域具有诱人的应用前景。然而,SiGe HBT器件由于材料和工艺结构的新特征,其空间辐射效应表现出不同于体硅器件的复杂特征。本文详述了SiGe HBT的空间辐射效应研究现状,重点介绍了国产工艺SiGe HBT的单粒子效应、总剂量效应、低剂量率辐射损伤增强效应以及辐射协同效应的研究进展。研究表明,SiGe HBT作为双极晶体管的重要类型,普遍具有较好的抗总剂量和位移损伤效应的能力,但单粒子效应是制约其空间应用的瓶颈问题。由于工艺的不同,国产SiGe HBT还表现出显著的低剂量率辐射损伤增强效应响应和辐射协同效应。     

乙醇溶液中瞬态受激喇曼散射动力学过程的实验研究

本文报道了用于研究乙醇溶液中瞬态受激喇曼散射动力学过程的实验装置和实验结果,并与Carman的理论计算模型进行了比较,结果基本符合。在最佳参量运转时获得了脉宽～310fs的喇曼散射光,其脉宽比泵浦光压缩了～80倍。     

基于超材料的自由电子辐射研究进展

自由电子与周围电磁环境互作用时可以通过不同的形式辐射电磁波.超材料是一种人工复合材料,可实现传统自然材料所不具备的电磁特性.基于超材料与自由电子之间的相互作用可以打破传统电磁辐射系统的限制,实现对辐射电磁波的极化、相位、波前等特性的灵活操控,这为发展新型的自由电子辐射器件提供了新思路.本文简单介绍了切伦科夫辐射、史密斯...     

Impact of within-wafer process variability on radiation response

The impact of sample-to-sample variability on total ionizing dose (TID) response within-wafer for a 180-nm CMOS technology has been studied. Large variations in leakage current and threshold voltage shift after irradiation are observed. These variations are mainly contributed to the process variability. The process steps which cause TID response variation are preliminarily discussed.