系统级单粒子效应试验方法研究

为评估星载电子系统抗单粒子效应敏感性及验证系统级加固方法有效性,本文开展了系统级单粒子效应试验方法的相关研究。验证了采用地面模拟装置以逐一辐照系统中器件方式评估系统功能中断率的可行性,提出可通过多种方式获取器件的敏感性数据,指出直接将系统中器件对应的功能中断截面进行加和求取系统截面曲线的不合理之处,本研究为开展系统级单粒子效应试验提供了技术支撑。

SiGe BiCMOS低噪声放大器激光单粒子效应研究

随着CMOS工艺的日益成熟和SiGe外延技术水平的不断提高,SiGe BiCMOS低噪声放大器(LNA)广泛应用于空间射频收发系统的第一级模块.SiGe HBT作为SiGe BiCMOS LNA的核心器件,天然具有优异的低温特性、抗总剂量效应和抗位移损伤效应的能力,然而,其瞬态电荷收集引起的空间单粒子效应是制约其空间应用的瓶颈问题.本文基于SiGe BiCMOS工艺低噪声放大器开展了单粒子效应激光微束实验,并定位了激光单粒子效应敏感区域.实验结果表明,SiGe HBT瞬态电荷收集是引起SiGe BiCMOS LNA单粒子效应的主要原因.TCAD模拟表明,离子在CMOS区域入射时,电离径迹会越过深沟槽隔离结构,进入SiGe HBT区域产生电子空穴对并引起瞬态电荷收集.ADS电路模拟分析表明,单粒子脉冲瞬态电压在越过第1级与第2级之间的电容时,瞬态电压峰值骤降,这表明电容在传递单粒子效应产生的瞬态脉冲过程中起着重要作用.本文实验和模拟工作为SiGe BiCMOS LNA单粒子效应抗辐射设计加固提供了技术支持.

VDMOS单粒子效应简化电路模型研究

通过在功率VDMOS器件的等效电路模型中引入电阻分析器件的表面电压对其单粒子效应的影响。根据仿真数据,分析颈区宽度、P+注入和反向传输电容等参数对器件的影响,设计了250 V器件并进行辐照试验。仿真结果及试验结果与模型分析的结论一致:辐照条件下,表面电压由电阻分压确定;增加P+注入剂量和减小颈区条宽能够减小电阻,提高器件抗单粒子效应的能力;通过降低颈区浓度减小反向传输电容的方法,无法提高器件的抗SEE能力;颈区条宽增加,器件辐照后漏电增加。

近存计算架构AI芯片中子单粒子效应

利用中国散裂中子源大气中子辐照谱仪,对某款16 nm FinFET工艺制造的近存计算架构人工智能AI芯片进行了大气中子单粒子效应辐照测试研究.辐照测试中,在累积中子注量为1.51×10^(10)n/cm^(2)(1 MeV以上)情况下,共探测到5类共计35个软错误,尤其是探测到不同于传统冯诺伊曼架构芯片单粒子效应的计算与存储单元同时发生单粒子效应新现象.基于所探测到的两类功能单元同时单粒子效应新现象,结合蒙特卡罗仿真模拟,初步给出了近存计算架构AI芯片内物理布局上,核心功能单元间可降低同时发生单粒子效应的安全间距建议.该研究为进一步探究非传统冯诺伊曼架构芯片单粒子效应提供了参考与借鉴.

模拟混合视频处理电路单粒子效应测试系统设计

为开展模拟混合视频处理电路的单粒子效应研究,通过改变伪CCD信号源的输出信号,建立一款模拟混合视频处理电路的单粒子效应测试系统,实现该器件的单粒子闭锁、单粒子翻转与单粒子功能中断等单粒子效应的评估。通过在中科院近物所回旋加速器和中国原子能院串列加速器的试验测试,获取有效数据。试验结果表明该试验方法及测试系统可以有效评估器件的单粒子性能,为器件的加固设计提供有力数据支撑。

Virtex-5系列SRAM型FPGA单粒子效应重离子辐照试验技术研究

针对SRAM型FPGA在空间辐射环境下易发生单粒子效应,影响星载设备正常工作甚至导致功能中断的问题,开展了SRAM型FPGA单粒子效应地面辐照试验方法研究,提出了配置存储器(CRAM)和块存储器(BRAM)的单粒子翻转效应测试方法,并以Xilinx公司工业级Virtex-5系列SRAM型FPGA为测试对象,设计了单粒子效应测试系统,开展了重离子辐照试验,获取了器件的单粒子闩锁试验数据和CRAM、BRAM以及典型用户电路三模冗余前后的单粒子翻转试验数据;最后利用空间环境模拟软件进行了在轨翻转率分析,基于CREME96模型计算得到XC5VFX130T器件配置存储器GEO轨道的单粒子翻转概率为6.41×10^(-7)次/比特·天。

SiC MOSFET的质子单粒子效应

SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在深空探测领域具有广阔的应用前景,但空间质子引发的单粒子效应(SEE)对航天器稳定运行造成了严重威胁。对平面栅结构与非对称沟槽栅结构的SiC MOSFET进行了能量为70、100与200 MeV的质子辐照实验。实验结果表明,两种SiC MOSFET的单粒子烧毁(SEB)阈值电压均大于额定漏源电压的75%;SEB阈值电压随质子能量升高而降低。对两种器件进行辐照后栅应力测试发现,两种结构的器件由于沟道不同而对栅应力的响应存在差异;不同的质子能量会在栅极引入不同程度的辐射损伤,低能质子更容易在栅氧化层发生碰撞而引入氧化物潜在损伤。该研究可为揭示SiC MOSFET质子SEE机理和评估抗辐射能力提供参考。

一种高速时钟分配电路单粒子效应测试系统设计

时钟分配电路是电子系统中信号处理单元参考时钟及多路时钟分配的关键元器件,其跟随系统在宇宙空间中容易受宇宙射线辐照发生单粒子效应,进而影响系统性能指标甚至基本功能。为此,提出一种针对数字单元翻转的微测试方法,结合分段存储技术完成高速时钟分配电路的单粒子效应的在线测试系统设计。另外,在HI-13串列加速器与HIRFL回旋加速器上进行了试验验证,成功监测到单粒子翻转、单粒子功能中断等典型单粒子效应。最后根据试验数据并结合FOM方法进行了电路在轨故障率推算,这对于集成电路研制阶段的测试评估与应用阶段的系统验证都有重要意义。

碳纳米管场效应晶体管重离子单粒子效应研究

碳纳米管场效应晶体管(CNT FET)具备优良的电学性能和稳定的化学结构,表现出较强的恶劣环境耐受能力,但其抗辐射性能仍缺乏充足的试验验证。以超薄CNT为沟道材料、HfO2为栅介质层的CNT FET为对象,研究了209Bi重离子辐射引起的器件单粒子效应(SEE)。研究结果表明,在重离子辐射条件下,栅极单粒子瞬态电流大多处于10-11 A数量级,少数达10-10 A数量级;由于CNT FET具有纳米级超薄CNT沟道,漏极电流对单粒子辐射不敏感,漏极单粒子瞬态电流几乎可以忽略,无单粒子烧毁效应(SEB);得益于HfO2栅介质层,CNT FET未发生单粒子栅穿效应(SEGR),表现出较强的抗单粒子能力。

航空电子硬件单粒子效应故障率的指标要求探索

航空电子硬件单粒子效应故障率是系统安全性分析过程中的重要基础数据。其指标要求的制定是一个难题。作者基于国际上航空电子硬件单粒子效应故障率计算要求的跟踪梳理分析,研究提出了一些复杂电子硬件单粒子效应故障率的指标要求探索方向,可以为设计师提供参考。

航空电子硬件单粒子效应故障率的审定数据要求探索

航空电子硬件单粒子效应故障率是系统安全性分析过程中的重要基础数据。复杂器件的技术趋势赋予航空电子硬件单粒子效应故障率新的内涵。本文基于国际上航空电子硬件单粒子效应故障率计算要求的跟踪梳理分析,探索性地提出了一些复杂电子硬件单粒子效应故障率的审定数据要求,可以为设计师提供参考。

简单与复杂硬件单粒子效应故障率的数据获取方法探索

航空电子硬件单粒子效应故障率是系统安全性分析过程中的重要基础数据。航空电子硬件由于简单与复杂硬件两种类型的技术定义不同,其单粒子效应故障率的数据获取方法不同。本文基于AMC 20-152A-2022《航空电子硬件开发保证》的跟踪梳理分析,研究提出了简单与复杂硬件单粒子效应故障率的数据获取方法探索,可以为设计师提供参考。

定制器件单粒子效应故障率的数据获取方法探索

航空电子硬件单粒子效应故障率是系统安全性分析过程中的重要基础数据。定制器件复杂技术趋势赋予航空电子硬件单粒子效应故障率新的内涵。本文基于国际上航空电子硬件适航审定要求的跟踪梳理分析,研究提出了一些定制器件单粒子效应故障率的数据获取方法考虑,可以为设计师提供参考。

航空电子硬件单粒子效应故障率的数据获取方法探索

航空电子硬件单粒子效应故障率是系统安全性分析过程中的重要基础数据。复杂定制器件的技术趋势赋予航空电子硬件单粒子效应故障率新的内涵。本文基于国际上航空电子硬件单粒子效应故障率计算要求的跟踪梳理分析,研究提出了一些复杂电子硬件单粒子效应故障率的数据获取方法探索方向,可以为设计师提供参考。

一种基于FPGA的MRAM单粒子效应分析系统

基于FPGA设计了一套MRAM单粒子效应分析系统。该系统分为主控板和测试板,采用了可替换的测试板设计,能兼容不同封装的MRAM器件,通过FPGA主控程序和labVIEW上位机监测程序,能实时监测MRAM器件的单粒子效应,包括单粒子锁定、瞬态和翻转。此外,该系统与MRAM的单粒子效应分析流程紧密结合,可进一步定位MRAM器件的单粒子失效模式。经验证,单粒子系统能有效检测和分析MRAM的单粒子效应。

单粒子效应辐照实验50~500 MeV准单能中子源模拟研究

中子引发单粒子效应会影响航空飞行器和地面核设施用电子器件的可靠性。准单能中子是研究中子单粒子效应规律和机理的重要中子源,通过开展辐照实验获取中子单粒子效应截面的能量依赖曲线,能预估器件在不同中子辐射环境中的单粒子错误率。基于核反应理论,研究了50~500 MeV质子与锂相互作用的中子产额及中子单能峰产额,并基于SRIM程序计算了质子在1~3 MeV能损时Li靶厚度随质子能量的变化趋势。选取质子能损为2 MeV时的Li靶厚度,采用蒙特卡罗方法,模拟计算了50~500 MeV质子与Li靶核反应的次级中子产额和不同出射方向的中子能谱。研究结果表明,0°出射方向中子具有最好的单色性,且质子流强为1μA,靶厚在质子能损为2 MeV时,准单能中子注量率可达104~105 cm^(-2)·s^(-1)(距靶5 m),单能峰占比约为50%,可满足中子单粒子效应研究需求。

空间单粒子效应加速器模拟试验技术及应用

空间环境中存在大量的高能粒子,单个高能粒子穿过航天器壳体轰击到电子器件,引发器件逻辑状态翻转、功能异常等单粒子效应,进而影响航天器的可靠运行和任务达成。基于地面加速器辐照试验模拟空间单粒子效应是评估电子器件在空间应用时发生单粒子错误风险的重要手段,只有其抗单粒子效应的指标符合宇航应用要求的器件才能在航天器中使用。航天器面临的空间辐射粒子主要是重离子和质子,它们诱发的单粒子效应也最为显著。开展宇航器件单粒子效应地面模拟试验主要依托重离子加速器和质子加速器,为满足单粒子试验需求,需要研发大面积束流扩束及均匀化、高精度束流快速诊断等技术,以及满足大批量试验任务需求的高效试验终端,重点介绍中国原子能科学研究院的基于加速器的重离子单粒子效应模拟试验技术、质子单粒子效应模拟试验技术和用于器件辐射损伤敏感区识别的重离子微束技术,以及上述技术在宇航器件单粒子效应风险评估中的应用。

用于单粒子效应辐照实验的CYCIAE-100白光中子源研究

中子诱发单粒子效应会影响航空飞行器和地面核设施用电子器件的可靠性。基于质子加速器打靶产生的白光中子束是研究电子器件中子单粒子效应的重要中子源。通过开展辐照实验获取器件中子单粒子效应截面或阈值等信息,能够预测器件在中子辐射环境中的失效率,并为有针对性抗辐射加固提供数据支撑。中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器(CYCIAE-100)通过质子轰击W靶发生散裂反应可以产生具有连续能量的白光中子。本文基于核反应理论,采用蒙特卡罗方法模拟了100 MeV质子与W靶相互作用产生的中子的产额、能谱和角分布,模拟结果表明,平均1个100 MeV质子可以产生0.33个中子;中子能量范围为0~100 MeV,且随着能量的增加中子注量先增加后减小,峰值在1 MeV附近;沿质子束方向中子角分布具有轴对称性,且随着出射角的增加,中子注量先减小后增加,在90°时,中子注量最小。选取0°出射方向的中子束开展单粒子效应实验,采用基于双液闪探测器的中子飞行时间法测量白光中子能谱,获得了能量范围为3~100 MeV的中子能谱,且当质子束为100 MeV/1μA时,在距离W靶15 m处的中子注量率为3.3×10^(4)cm^(-2)·s^(-1),满足中子单粒子效应实验要求。

高速A/D转换器单粒子效应实时评估系统和方法研究

提出了一种在线实时检测评估高速A/D转换器(ADC)的单粒子效应的测试方法。基于该方法搭建了部分模块可复用的单粒子效应测试评估系统。系统由时钟生成模块、待测ADC模块、D/A转换器(DAC)转换输出模块、FPGA控制模块与上位机模块构成。对待测ADC模块进行重构,可完成对不同ADC器件的测试评估,提升了模块可复用性和测试效率。该系统通过监测电源引脚的电流变化、ADC内部寄存器值翻转情况、经过高速DAC转换输出的模拟波形,可实时测试评估ADC器件的单粒子锁定(SEL)、单粒子翻转(SEU)、单粒子瞬态(SET)、单粒子功能中断(SEFI)等效应。基于该系统对自主研发的具有JESD204B接口的12位2.6 GS/s高速ADC进行了单粒子效应试验。试验分析表明,该系统能准确高效评估高速ADC器件的单粒子效应。

由质子单粒子效应截面预测重离子单粒子效应截面方法研究

基于重离子和质子单粒子效应(SEE)物理机理上的内在关联,得到了重离子SEE截面和质子SEE截面之间的理论联系,建立了由质子SEE截面的实验数据预测重离子的SEE截面的计算方法。该计算方法的关键为质子入射器件沉积能量的等效线性能量转移(LET)谱,将由质子SEE截面计算重离子SEE截面的问题转化为解方程的问题,方程的未知数为表征重离子SEE截面随LET变化的Weibull函数的4个参数,并利用粒子群算法对其求解。选取了3种不同特征尺寸的静态随机存储器(SRAM)对该计算方法进行了验证。结果表明,预测值与实验数据较为符合。该计算方法为获取微电子器件的重离子SEE截面提供了新途径,尤其是为获取倒装器件重离子SEE截面提供了便利。