基于CMOS工艺的差分放大器单粒子瞬态效应研究

基于0.35μm CMOS工艺,研究了辐射条件下,单粒子瞬态效应对差分放大器的影响。经过仿真分析发现:差分放大器中偏置电路输出节点对单粒子瞬态效应敏感,偏置电路输出电流大小决定了放大器输出信号抗单粒子瞬态效应的能力。为提高差分放大器的抗单粒子瞬态效应的能力,采取增加偏置电路输出驱动能力以及引入电阻/电容等加固设计技术。经过Hspice仿真及单粒子辐照实验证明,辐射加固后的放大器抗单粒子瞬态扰动能力从未加固的18 MeV·cm2/mg增加到37 MeV·cm2/mg,抗单粒子辐射性能提高了一倍以上。加固后的放大器能够满足航天应用的需求。     

体硅集成电路版图抗辐射加固设计技术研究

辐射效应是电路在太空等领域应用时遇到的首要问题,常常会引起电路出错或失效。为了满足抗辐射电路设计的需求,必须提高电路抗辐射效应的能力。文章分析了辐射效应对器件产生的影响。针对电路在辐射环境中应用时存在的问题,文章从版图抗辐射设计加固的角度出发,介绍了抗总剂量的环形栅、倒比例器件,以及抗单粒子昆倾效应抗辐射版图的设计方法。在电路设计时,通过上述几种版图设计方法的应用,可以提高电路的抗辐射性能,进而提高电路的可靠性。     

65 nm体硅工艺NMOS中单粒子多瞬态效应的研究

针对NMOS场效应晶体管由重离子辐射诱导发生的单粒子多瞬态现象,参考65 nm体硅CMOS的单粒子瞬态效应的试验数据,采用TCAD仿真手段,搭建了65 nm体硅NMOS晶体管的TCAD模型,并进一步对无加固结构、保护环结构、保护漏结构以及保护环加保护漏结构的抗单粒子瞬态效应的机理和能力进行仿真分析。结果表明,NMOS器件的源结和保护环结构的抗单粒子多瞬态效应的效果更加明显。     

130 nm NMOS器件的单粒子辐射电荷共享效应

研究了同一p阱内两个130nm NMOS器件在受到重离子辐射后产生的电荷共享效应。使用TCAD仿真构造并校准了130nm NMOS管。研究了在有无p+保护环结构及不同器件间距下,处于截止态的NMOS晶体管之间的电荷共享,给出了电荷共享效应与SET脉冲电流产生的机理。同时分析了NMOS晶体管中的寄生双极管效应对反偏漏体结电荷收集的加剧作用。仿真结果表明,p+保护环可以有效地减小NMOS器件间的电荷共享,加速SET脉冲电流的泄放,证实了p+保护环对器件抗单粒子辐射的有效性,从而给出了该方法在抗单粒子辐射器件版图设计中的可行性。     

一款通过抗辐照设计加固技术实现的抗单粒子锁相环

本文设计了一款抗辐照设计加固的锁相环。通过增加一个由锁定探测电路、两个运放和4个MOS器件组成的电荷补偿电路,该锁相环显著地减小了单粒子瞬态引起失锁后系统的恢复时间。许多传统的加固方法主要是致力于提高电荷泵输出结点对单粒子瞬态的免疫力,本文的加固方法不仅能够降低电荷泵输出结点对单粒子瞬态的敏感性,而且也降低了其他模块对单粒子瞬态的敏感性。本文还提出了一种新的描述锁相环对单粒子顺态敏感性的系统模型,基于该模型比较了传统的和加固的锁相环对单粒子瞬态的免疫能力。通过Sentaurus TCAD 仿真平台模拟了单粒子瞬态引起的电流脉冲,用于电路仿真。基于130 nm CMOS 工艺设计了两个锁相环电路,晶体管级的仿真表明本文提出的抗单粒子加固锁相环的恢复时间比传统的锁相环提高了94.3%,同时,电荷补偿电路没有增加系统参数设计的复杂性。     

数字电路抗单粒子瞬态效应的最小尺寸设计

随着体硅CMOS电路工艺的不断缩小,数字电路在空间中使用时受到的单粒子效应越发严重。特别是高频电路,单粒子瞬态效应会使电路功能完全失效。提出了一种基于电路尺寸计算的抗单粒子瞬态效应的设计方法,主要思想是通过辐射对电路造成的最坏特性,设计电路中MOS管的尺寸,使电路在系统开销和降低软错误率之间达到一个平衡。从单粒子效应电流模型入手,计算出单粒子效应在电路中产生的电荷数,得出为抵消单粒子效应产生的电荷需要多大的电容,再折算到器件电容上,最终得到器件的尺寸。此工作为以后研制抗辐射数字电路奠定了基础,提供了良好的借鉴。     

应变Si NMOS器件总剂量辐射对单粒子效应的影响

针对应变Si NMOS器件总剂量辐射对单粒子效应的影响机制,采用计算机TCAD仿真进行研究。通过对比实验结果,构建50 nm应变Si NMOS器件的TCAD仿真模型,并使用该模型研究处于截至态(V_ds=1 V)的NMOS器件在总剂量条件下的单粒子效应。实验结果表明,总剂量辐照引入的氧化层陷阱正电荷使得体区电势升高,加剧了NMOS器件的单粒子效应。在2 kGy总剂量辐照下,漏极瞬态电流增加4.88%,而漏极收集电荷增量高达29.15%,表明总剂量辐射对单粒子效应的影响主要体现在漏极收集电荷的大幅增加方面。     

器件与电路参数对SET波形影响仿真研究

利用Sentaurus TCAD仿真软件,建立并校准了MOSFET仿真模型。分析了NMOS器件在重离子轰击下产生的SET波形。结果表明,轰击位置在漏极且入射角呈120°时,器件具有最大的峰值电流。通过建立MIX、TCAD、SPICE三种反相器模型并施加重离子轰击,研究了不同模拟方式下电路响应对SET波形的影响,指出了采用双指数电流源在SPICE电路中模拟的不准确性。采用MIX模型探究了器件结构及电路环境对SET波形的影响。结果表明,LET能量、栅极长度、轨电压和负载电容都会对SET波形脉宽及平台电流大小产生显著影响,说明了建立SET模拟波形时须综合考虑这些因素。     

抗单粒子辐射LVDS驱动器设计

为了减小单粒子效应对低电压差分信号(Low Voltage Differential Signal, LVDS)驱动器电路的影响,对LVDS内部模块电路进行单粒子脉冲仿真,找出电路中单粒子敏感节点,并进行单粒子加固设计。该电路基于0.18μm 1P5M CMOS工艺实现,传输速率为200Mbps,版图面积为464×351μm²,在3.3V电源电压下功耗为11.5mW。辐射试验采用Ge粒子试验,在入射能量为210MeV,线性能量转移LET为37.3MeV·cm²/mg辐射情况下,该LVDS驱动器电路传输数据未发生错误。     

保护环对130nm体硅PMOS抗单粒子瞬态特性的影响

基于TCAD（TechnologyComputerAidedDesign）仿真软件,通过对带有不同宽度保护环的130nto体硅PMOS器件进行单粒子辐照仿真,研究了保护环结构对深亚微米器件因单粒子辐照所产生的寄生双极效应．仿真结果表明,保护环结构能够大幅缩短器件SET（SingleEventTransient）电流的脉冲宽度,有效抑制寄生双极电荷收集,这种抑制作用随着保护环宽度增加而增强,最终趋于稳定．通过对加固器件的面积和抗辐射性能的折衷考虑,改进了保护环结构,并以宽度为0．38μm的保护环为例,证明了改进后的结构能够在保证器件抗单粒子性能及电学特性,同时节省29．4％的面积．