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随着航天事业的快速发展,人们对太空航天器的稳定运行越来越关注,单粒子效应(SEE)对太空航天器微电路的正常工作影响很大,特别是其中的单粒子翻转(SEU)。研究表明,太空航天器中出现的很多问题都是由于SEU所导致的。
本文使用计算机模拟的方法从器件的角度研究器件的SEU特性,通过对电荷收集模式、影响器件SEU特性的各种参数对器件SEU特性的影响分析以及阱内外碰撞时不同器件SEU的特性和特性对比进行讨论分析,最后从器件角度提出了抗SEU方法。
首先本文在对研究背景、太空辐射环境、SEU原理和计算机模拟条件等介绍的基础上,分析了在深亚微米阶段发生SEU时三种电荷收集模式相对于大尺寸时的变化,这同时修正了超深亚微米阶段器件的SEU原理。在器件大尺寸时,漏斗电场的作用非常大,在电荷收集中有不可忽视的作用,随着器件特征尺寸的缩小,漏斗电场的作用越来越小。电极电荷收集并最后导致单元状态翻转几乎完全由耗尽区的电荷收集决定。
通过对三类影响器件SEU特性的参数--器件工艺参数、入射粒子参数和环境参数的模拟分析,我们发现随着器件进入深亚微米阶段,器什对SEU的敏感性日益增加,但每个参数对器件SEU特性的影响各异,大尺寸器件中决定器件SEU特性的参数不一定决定小尺寸器件的SEU特性,反之亦然。例如在超深亚微米器件中,沟道长度作用增加,阱内器件中耦合电阻的作用减弱,在本文研究的九个参数中,对器件SEU特性影响很大的参数有衬底浓度、电源电压、耦合电阻(阱内器件)、粒子的各参数。
以阱外NMOS为例研究了影响器件SEU特性各参数的基础上,最后本文介绍了NMOS和PMOS阱内外碰撞时的SEU特性,为了确定对SEU最敏感器件。结果表明,在阱外器件中SRAM单元耦合电阻的作用相对于大尺寸时变弱,所以在这种情况下迫切需要好的抗SEU方法出现。由于阱内NMOS耦合电阻的延迟作用和寄生效应中的分流作用的相互促进,器件的抗SEU能力却大大提升。
对比NMOS和PMOS器件在阱内外碰撞两种情况下的SEU特性,阱外碰撞情况下,NMOS比PMOS对SEU敏感。阱外NMOS和PMOS在耦合电阻发生变化时其SEU特性变化不大,表现出近似线性的增加。阱内碰撞的器件和阱外碰撞的器件SEU特性有明显区别,阱内碰撞时NMOS和PMOS的SEU敏感性要看具体情况。