辐射效应是空间环境中导致宇航元器件功能失效及性能退化的重要因素,而单粒子效应是辐射效应的重要组成部分。当高能粒子入射处于工作状态下的器件时,会诱使器件发生功能错误乃至永久性损坏。未来宇航应用中,对小尺寸工艺CMOS器件和高压功率器件需求将越来越大,随着CMOS器件工艺尺寸不断减小以及功率器件工作电压增高,相应的单粒子效应敏感性问题也变得越发严峻。对于小尺寸工艺CMOS器件,单粒子效应主要有单粒子瞬变效应(SET),单粒子翻转效应(SEU)等,而对于高压功率器件单粒子效应主要有单粒子烧毁效应(SEB),单粒子栅穿效应(SEGR),单粒子闩锁效应(SEL)等。目前在器件单粒子效应仿真技术方面仍存在诸多问题有待解决。在CMOS器件单粒子效应方面还不能实现不同层面仿真技术的有机整合。基于器件级单粒子效应分析结果建立单粒子效应HSPICE模型是支撑电路级单粒子效应仿真的关键。然而目前的单粒子效应HSPICE模型还不能准确描述粒子作用器件过程中器件内部寄生RC特性且不能涵盖器件电特性与粒子参数的关系。在VDMOS单粒子效应研究方面,传统的2D TCAD仿真无法实现对VDMOS器件单粒子烧毁特性的准确定量分析。本文以3D TCAD仿真为主体,结合单粒子实验结果分别对CMOS器件单粒子瞬变效应和VDMOS器件单粒子烧毁效应机理、敏感性及相关模型技术进行了研究。CMOS器件单粒子瞬变效应方面,基于GEANT4为内核的GSEAT粒子仿真软件以及Visual TCAD器件仿真软件,搭建了65 nm CMOS器件3D TCAD器件结构并对CMOS器件单粒子效应机理以及入射粒子作用过程中器件寄生RC特性进行了探讨。基于TCAD仿真分析结果建立了CMOS器件单粒子效应HSPICE等效子电路模型,为开展电路级单粒子效应仿真提供了支撑。进一步对不同参数(入射位置、LET、入射角度等)入射粒子作用下器件电特性进行TCAD仿真分析。研究结果表明对于不同参数粒子作用下形成的“漏斗”状电荷畸变区有效长度及电荷密度不同,而“漏斗”参数是影响CMOS器件单粒子效应的重要因素。在CMOS器件输出电流特性方面,入射粒子参数的不同最终表现为电流脉冲峰值特性和脉宽特性的不同。基于TCAD仿真分析结果建立了表征器件电特性参数与粒子参数关系的模型,并形成涵盖不同入射粒子参数的HSPICE等效子电路模型,从而为表征不同参数入射粒子引起的电路级响应提供了支撑。对抗辐射加固结构进行了仿真,论证了保护环结构能够提升器件抗单粒子特性,但提升能力有限。最后将HSPICE仿真结果与国防科技大学、航天772所等单位提供的单粒子实验结果进行了对比,验证了模型准确性。VDMOS器件单粒子烧毁效应方面,搭建了硅基100 V VDMOS器件3D TCAD结构,基于重离子模型开展了VDMOS器件单粒子烧毁效应研究。通过TCAD仿真,深入分析了单粒子电流触发正反馈过程并最终导致单粒子烧毁效应发生的过程,并形成了描述VDMOS器件单粒子烧毁效应的电路图。分析结果表明导致VDMOS器件发生烧毁的机理在于入射粒子引起的电流脉冲导致VDMOS器件源极-衬底-漏极寄生BJT开启,形成正反馈,从而电流和温度持续升高并最终导致烧毁。随后,对不同参数(LET、射程、入射位置等)的入射粒子作用下VDMOS器件电特性参数进行了仿真,对VDMOS烧毁特性敏感性与粒子参数的关系进行了探讨。结果表明对VDMOS而言其单粒子烧毁效应敏感区域为N型轻掺杂外延区,入射粒子在N型轻掺杂外延区中形成的电离轨迹是形成单粒子电流脉冲的有效成分,电离轨迹最大有效长度取决于N型轻掺杂外延区厚度,而电离轨迹中电荷量决定电流脉冲大小。同时N型轻掺杂外延区电阻特性也是影响VDMOS器件单粒子烧毁特性的重要因素,入射粒子的射程及入射位置不同时,N型轻掺杂外延区所表现出的电阻大小不同,导致由瞬时电流脉冲引起的寄生BJT基射极间电压降不同,从而影响到触发正反馈过程并引发单粒子烧毁效应的难度。与传统2D TCAD仿真相比,本文采用的3D TCAD仿真能够更准确的描述器件特性,从而实现对VDMOS器件单粒子烧毁特性准确定量的仿真。最后通过开展激光等效单粒子实验对仿真结果进行了验证。激光等效单粒子实验结果表明在具有一定能量激光脉冲照射下VDMOS器件会发生单粒子烧毁效应,与仿真结果形成了一定程度上的对照,论证了廉价激光实验代替昂贵的高能粒子实验的可能性,并获得了开展激光等效实验的实验方法。