空间单粒子效应——影响航天电子系统的危险因素

系统深入地介绍了空间环境、单粒子效应、单粒子效应产生的机理、空间环境效应地面模拟试验方法、辐射环境和半导体器件及集成电路相互作用的建模、单粒子效应对集成电路影响的预示，具有非常重要的实用和参考价值。 

本书主要讲述电子器件在空间环境中的单粒子效应，器件在空间应用时单粒子辐照效应的地面评估方法，及其空间应用时的错误概率计算。全书共17章，第1章和第2章主要介绍电子元器件空间单粒子效应的基础知识；第3章至第5章对地面模拟空间单粒子效应的试验进行详细介绍、阐述试验数据的分析方法；第6章讲述试验数据如何与器件机理进行对应；第7章、第8章、第11章至第17章讲述空间单粒子翻转错误率的计算与空间环境中的预估；第9章和第10章介绍两种特殊的单粒子效应。

Edward Petersen 博士，1969—1993年任职于美国海军研究实验室，之后他一直担任顾问。Petersen博士的研究集中于估算卫星系统的损坏率，他的研究表明空间损坏率的测量与基于实验室实验的预测是一致的。他撰写或与他人合作撰写了60余篇辐射效应方面的论文，大多数与单粒子效应有关。作为IEEE会士，Petersen博士是IEEE核辐射效应和等离子体科学学会奖的获得者。

目 录第1章 绪论1.1 背景1.2 单粒子试验分析1.2.1 数据完整和初始数据修正的分析1.2.2 电荷收集试验分析1.2.3 从截面数据分析器件特性1.2.4 器件敏感性参数研究分析1.3 空间和航空电子设备SEE发生率建模1.3.1 器件辐射环境建模1.3.2 器件电荷收集建模1.3.3 用于单粒子翻转的电路特性和电路敏感度建模1.4 本书纵览1.5 本书范围第2章 单粒子效应分析和预测基础2.1 单粒子效应概述2.2 粒子能量沉积2.3 单粒子事件环境2.3.1 太阳风和太阳周期2.3.2 磁层、 宇宙射线和俘获粒子运动2.3.3 银河宇宙射线2.3.4 地磁场俘获质子2.3.5 太阳事件2.3.6 大气中的电离2.4 电荷收集和翻转2.5 有效LET值2.6 电荷收集体积和长方体2.7 翻转截面曲线2.8 临界电荷2.8.1 临界电荷和LET值阈值2.8.2 芯片上单极晶体管和双极型晶体管的临界电荷2.8.3 由电路建模研究得到的临界电荷2.8.4 器件截面上的敏感度分布2.8.5 晶格内部的变化2.8.6 临界电荷讨论总结2.9 翻转敏感度和特征尺寸2.10 截面的概念2.10.1 核物理截面的概念2.10.2 单粒子事件截面的概念第3章 用于分析的重离子试验优化3.1 试样重离子试验数据3.2 试验要求3.3 曲线参数3.4 角度步幅3.5 达到饱和截面时停止数据采集3.6 器件遮蔽效应3.7 离子选择3.8 确定器件的LET值3.9 能量损失分布3.10 数据要求3.10.1 需要的精度3.10.2 需要的准确度3.11 试验统计和不确定性3.12 双重阈值效应3.13 截面数据拟合3.14 误差和不确定性的其他来源第4章 质子试验优化4.1 束流强度和不均匀性的监测4.2 试验的总剂量限制4.3 截面曲线的外形第5章 数据鉴定和解释5.1 数据特性5.1.1 不合理误差、 系统误差及随机误差5.1.2 固有随机误差5.1.3 数据的局部标准偏差5.1.4 数据的废弃5.2 问题数据的处理5.2.1 系统误差检验5.2.2 电压变化实例5.2.3 与LET值不一致的数据5.2.4 束流污染5.2.5 未观测到的事件5.2.6 数据的草率或错误拟合5.2.7 试验监测和计划5.3 重离子试验的解释5.3.1 漏斗改变有效LET值5.3.2 真实RPP形状的效应5.3.3 确定深度和漏斗长度的拟合数据5.3.4 厚器件结构5.3.5 旋转RPP结构的截面曲线5.3.6 截面上的电荷增益效应5.4 使用韦伯尔函数进行小二乘时可能存在的问题5.4.1 多次好的拟合5.4.2 与韦伯尔拟合不一致的原因第6章 不同类型SEU数据的分析6.1 临界电荷6.2 厚度和临界电荷6.3 电荷收集机制6.3.1 漂移过程和漏斗6.3.2 扩散过程6.3.3 等离子体线效应6.3.4 ALPHEN（α粒子源漏穿透效应）6.3.5 双极型晶体管效应6.3.6 复合效应6.4 电荷收集和截面曲线6.4.1 CMOS6.4.2 加固CMOS6.4.3 双极器件6.4.4 CMOS-SOI6.4.5 NMOS——耗尽型负载6.4.6 NMOS——电阻性负载6.4.7 GaAs HFET6.4.8 GaAs C-Higfet 6.4.9 VLSI工艺的变化6.5 功效（芯片内SEU敏感度的变化）6.5.1 截面和功效曲线6.5.2 SEU功效与面积的关系6.5.3 脉冲激光SEU试验获得的功效和SEU敏感度6.6 混合模式模拟6.6.1 Warren的方法6.6.2 Dodd的方法6.6.3 Hirose的方法6.6.4 Fulkerson的简单方法6.6.5 Imax、 F（Tmax）方法6.6.6 翻转率计算的电路级仿真6.6.7 多位翻转区域6.6.8 功效和SEU阈值6.6.9 从功效到翻转率6.7 器件敏感度的参数研究6.7.1 数据显示和拟合6.7.2 器件参数和SEU敏感度6.8 离子种类和能量的影响6.9 器件形状和极限截面6.9.1 体CMOS器件6.9.2 CMOS/SOI6.9.3 SRAM6.10 径迹尺寸效应6.11 截面曲线和电荷收集过程6.11.1 效验曲线和电荷收集过程6.11.2 反LET值绘图和扩散6.12 单粒子多位翻转6.12.1 严格的几何形状MBU6.12.2 质子诱发MBU6.12.3 单位翻转的多次撞击6.12.4 DRAM中漫射导致的MBU6.12.5 接近敏感区的撞击6.12.6 FPGA的多位翻转6.12.7 扩散MBU翻转率的计算6.12.8 EDAC中几何形状MBE率6.12.9 空间环境中的统计MBE率6.12.10 几何形状误差对系统性能的影响6.12.11 试验环境中的统计MBU6.13 逻辑系统中的SEU6.14 瞬态脉冲第7章 宇宙射线单粒子效应率计算7.1 翻转率预估方法简介7.2 重离子翻转率的RPP方法7.3 积分RPP方法7.4 截面曲线的形状7.4.1 韦伯尔分布7.4.2 对数正态分布7.4.3 指数分布7.5 RPP方法和IRPP方法背后的假设7.5.1 器件相互作用模型7.5.2 临界电荷7.5.3 翻转率计算的数学基础7.5.4 弦长模型7.5.5 Bradford公式7.5.6 Pickel公式7.5.7 Adams公式7.5.8 积分RPP方法的公式化7.5.9 HICCUP模型7.5.10 IRPP使用的要求7.6 有效通量方法7.7 上限限制模型7.8 品质因子翻转率公式7.9 广义品质因子7.9.1 使用GEO翻转率数据进行品质因子修正7.9.2 器件参数的确定7.9.3 从列表的部件参数中计算品质因子7.9.4 屏蔽后的翻转率系数7.10 品质因子和对数正态分布7.11 蒙特卡洛方法7.11.1 IBM程序7.11.2 GEANT47.11.3 中子诱发的翻转7.12 PRIVIT7.13 积分通量方法第8章 质子单粒子效应计算8.1 核反应分析8.1.1 蒙特卡洛计算8.1.2 基于重离子数据预示质子翻转截面8.2 半经验方法和积分截面计算8.3 质子和重离子翻转间的关系8.4 利用质子翻转截面进行的品质因数修正8.5 少见的高能质子反应导致的翻转8.6 阻止的质子、 氦离子和铁离子导致的翻转第9章 中子诱发单粒子翻转9.1 中子诱发航空电子设备中的翻转9.1.1 BGR计算9.1.2 积分截面计算9.1.3 品质因数计算9.1.4 上边界法9.1.5 飞行中的暴露9.2 地面的翻转第10章 重离子核反应产生的翻转10.1 重离子核反应10.2 电离和核反应综合翻转率计算10.3 重核离子反应总结第11章 重离子翻转率预测实例11.1 低阈值研究11.2 韦伯尔函数和对数正态分布的翻转率比较11.3 低阈值中Lc数据11.4 SEE敏感性和LET阈值11.5 翻转率计算的选择区域和深度11.5.1 SOI器件11.5.2 CREME计算中包含漏斗11.6 CREME96代码的计算11.6.1 CREME96/FLUX11.6.2 CREME96/TRANS11.6.3 CREME96/LETSPEC11.6.4 CREME96/HUP11.6.5 CREME96结果11.7 CREME-MC和SPENVIS11.8 截面的不确定性对翻转率的效应第12章 质子翻转率预测12.1 俘获质子12.2 质子诱导翻转率与FOM的关系第13章 综合环境13.1 质子和宇宙射线翻转率的相对关系13.2 利用品质因数进行综合翻转率计算13.3 特定新轨道的翻转率系数13.4 地球附近任意圆轨道的翻转率系数13.5 近地圆轨道质子和重离子翻转率的比值13.6 从地面到外空的单粒子效应第14章 太阳粒子事件和情况下的示例第15章 中性粒子束环境翻转率15.1 中性粒子束武器的特征15.2 中性粒子束翻转率第16章 空间单粒子翻转率的预测和观测16.1 空间观测的结果16.2 环境的不确定性16.3 异常值的检测16.4 较差翻转率预测的可能原因16.5 一篇好的单粒子发生率比较论文的组成16.5.1 实验室和空间测试结果的报告16.5.2 地面测试结果的分析16.5.3 空间预测的环境16.5.4 翻转率计算16.5.5 空间试验和数据的特征16.6 总结16.7 近来的比较16.8 太阳活动期间事件的比较第17章 IRPP方法的局限性17.1 IRPP和深器件17.2 需要两次撞击时的RPP方法17.3 忽略径迹尺寸的RPP方法17.4 利用IRPP计算总的单粒子效应数， 而不是单粒子翻转数 17.5 忽略敏感体积外效应的 RPP 方法17.6 假设具有相同LET值的不同粒子的效应相等的IRPP方法17.7 假设粒子的LET值在敏感体积中不变化的IRPP方法17.8 假设电荷搜集不随着器件方向而改变的IRPP 方法17.9 单粒子效应发生率分析的现状附录A 常用参数附录B 参考方程式附录C 利用品质因数开展翻转率的快速估计附录D 部分特性附录E 器件数据来源参考文献

译 者 序随着科学技术的进步和制造水平的提高，人类探索空间、利用空间资源的活动越来越频繁，而航天器电子系统则担负着人类探索或利用空间过程中的电子信息处理、存储、传输等任务，其组成的核心是各种半导体器件及集成电路。航天器在轨寿命期间，这些半导体器件及集成电路会遭受各种高能粒子的作用，进而导致一系列相关效应的发生，单粒子效应（SEE）就是其中一类非常重要的效应。单粒子效应又可分为非致命性的单粒子翻转（SEU）、单粒子瞬态（SET）、单粒子功能中断（SEFI）等效应， 致命性的单粒子闩锁（SEL）、单粒子栅穿（SEGB）、单粒子烧毁（SEB）等效应。对于非致命性的单粒子效应，虽然通过重启电子系统的电源等方式可以使系统恢复到正常状态，但是会严重影响到航天任务的正常执行。致命性的单粒子效应则可能导致核心器件自身的损毁，从而造成整个电子系统的瘫痪，使整个航天任务失败。因此，对宇航用核心半导体器件和集成电路开展单粒子效应研究意义重大。本书系统深入地介绍了空间环境、单粒子效应、单粒子效应产生的机理、空间环境效应地面模拟试验方法、辐射环境和半导体器件及集成电路相互作用的建模、单粒子效应对集成电路影响的预示。本书内容丰富，具有非常重要的实用和参考价值。作者爱德华?彼得森（Edward Petersen)博士长期从事卫星系统单粒子翻转率的预示研究，其研究工作表明可以通过地面模拟试验和理论计算来预测电子系统在空间的翻转率。爱德华博士曾在美国海军研究实验室（NRL）工作，撰写或合著了关于辐射效应方面的论文60篇，大多数涉及单粒子效应。爱德华博士是电气和电子工程师协会院士（IEEE Fellow），以及IEEE核与等离子科学学会（Nuclear and Plasma Sciences Society）的辐射效应奖获得者。随着我国航天事业的快速发展，以载人航天、月球探测、二代导航、高分辨率对地观测和新一代运载火箭为代表的一系列航天科技工程取得了突破性进展，航天技术整体水平大幅跃升，但与航天强国相比仍有差距。随着新工艺、新技术、新材料、新器件等在航天器上逐渐获得应用，以及航天器长寿命、高可靠性要求的提高，亟须进一步加强宇航单粒子效应研究。相信本书能为从事宇航电子系统、半导体器件和集成电路研发及其可靠性评估考核试验的科技工作者提供有益的帮助。鉴于译者水平所限，在翻译过程中难免有疏漏之处，恳请广大读者不吝赐教。译 者2015年7月6日于北京