题名典型双极模拟电路ELDRS与SET协同效应研究
作者姚帅
答辩日期2020-08-26
授予单位中国科学院大学
授予地点中国科学院新疆理化技术研究所
导师陆妩
关键词双极模拟电路 单粒子瞬态 总剂量效应 低剂量率损伤增强效应 协同效应 变温辐照方法 仿真
学位名称博士
学位专业微电子学与固体电子学
英文摘要

卫星在轨运行时,电子器件会受到空间辐射环境影响,造成器件性能退化甚至失效,严重威胁电子系统的可靠性。双极模拟电路具有高线性度、低噪声以及良好的驱动能力等特点,是航天电子系统重要的组成部分。空间高能粒子入射电路内部敏感晶体管时,会产生大量电子空穴并被迅速收集,导致电路输出发生瞬态变化,即单粒子瞬态,是双极模拟电路面临的主要单粒子效应,是一种瞬时扰动。同时,器件长时间工作在辐射环境下,会逐渐在氧化层和界面处累积陷阱电荷,形成总剂量效应。对于大多数双极模拟电路而言,其总剂量效应表现为低剂量率损伤增强效应。低剂量率辐射损伤增强效应在电路内部晶体管累积的陷阱电荷可能会影响单粒子瞬态发生时的电荷收集,对单粒子瞬态产生影响。目前,针对双极模拟电路的低剂量率辐射损伤增强效应和单粒子瞬态的研究主要是独立研究,缺乏对于二者之间的协同效应研究。所以通过科学试验,深入研究双极模拟电路的低剂量率辐射损伤增强效应和单粒子瞬态之间的协同效应,对于正确评估双极模拟电路的空间工作状态,增强电子系统可靠性具有重要意义。本文首先对模拟电路中的基础电路运算放大器和电压比较器进行了研究。针对运算放大器和电压比较器的总剂量和单粒子瞬态协同效应研究存在试验样品种类单一和试验条件不足的问题,本文利用激光试验装置在国际上率先对不同型号的运算放大器和电压比较器开展了多种条件下的总剂量与单粒子瞬态协同效应研究,利用Ne、Fe、Kr、Xe、Ta、Cu多种重离子研究了LET值对协同效应的影响,在国际上首次系统地获得了运算放大器和电压比较器的协同效应规律。对于运算放大器而言,器件型号对协同效应影响显著;总剂量会显著展宽单粒子瞬态的脉冲宽度,低剂量率损伤增强效应的存在会增强协同效应,不同偏置条件下的协同效应趋势一致,影响程度存在差异。对于电压比较器而言,低剂量率损伤增强效应会进一步传递到协同效应,并且在不同工作偏置下表现为不同形式。从晶体管级和电路级分析两个方面阐述了协同效应的产生机理。在上述研究的基础上,首次研究了内部集成有运算放大器和电压比较器的多款不同工艺和不同型号的数模转换器和模数转换器的总剂量和单粒子协同效应。对于数模转换器而言,总剂量会影响单粒子瞬态的幅值和脉冲宽度,具体表现为正向脉冲宽度的增长和负向脉冲幅值的降低,这与运算放大器的协同效应密切相关;对于模数转换器而言,总剂量会使翻转码值向高位偏移,这同样由运算放大器和电压比较器的协同效应引起。针对总剂量和单粒子瞬态协同效应进行了仿真研究。利用Sentaurus TCAD软件提取了累积总剂量前后,单粒子效应发生时的电压、能带、表面复合速率和导通电流变化,从微观机制上分析了总剂量对单粒子瞬态电流收集的影响。利用Hspice软件分别对运算放大器和电压比较器进行电路级仿真,确定了不同晶体管对协同效应的影响,并通过提取电路内部节点电压,分析了瞬态在电路内部传播过程。仿真结果与试验结果相结合,增强了对协同效应机理的理解,进一步完善的协同效应的研究。本文从实际工程应用角度出发,率先开展了双极模拟电路的的低剂量率损伤增强效应和单粒子瞬态协同效应的快速评估研究。在国际上首先进行了变温辐照方法在协同效应快速评估的应用研究,并首次全面对比了高剂量率、低剂量率和变温辐照后的单粒子瞬态变化。结果表明,变温辐照方法可以快速准确地评估双极运算放大器和电压比较器的协同效应。针对双极模拟电路总剂量效应与单粒子瞬态协同效应研究存在的问题,本工作创新点体现在如下方面:(1)基于激光单粒子试验装置和多种不同LET重离子试验条件,首次系统获得了模拟电路总剂量与单粒子瞬态的协同效应规律,为抗辐射电路设计人员提供了数据支撑,对于保证模拟电路在空间的可靠应用具有重要意义;(2)基于Sentaurus TCAD软件和Hspice软件进行了协同效应仿真研究,从晶体管级揭示了累积陷阱电荷对瞬态电荷的收集影响机制,从电路层次确定了协同效应瞬态的传播路径,进一步完善了协同效应的研究;(3)基于对模拟电路协同效应规律和机理的研究,首次针对双极模拟电路的协同效应快速评估方法进行了研究,扩展了变温辐照方法的应用范围,初步建立了双极模拟电路低剂量率损伤增强效应与单粒子瞬态协同效应快速评估方法,为满足快速增长的航天元器件需求提供了快速评估保障。

内容类型学位论文
源URL[http://ir.xjipc.cas.cn/handle/365002/7454]  
专题固体辐射物理研究室
推荐引用方式
GB/T 7714
姚帅. 典型双极模拟电路ELDRS与SET协同效应研究[D]. 中国科学院新疆理化技术研究所. 中国科学院大学. 2020.
个性服务
查看访问统计
相关权益政策
暂无数据
收藏/分享
所有评论 (0)
暂无评论
 

除非特别说明,本系统中所有内容都受版权保护,并保留所有权利。


©版权所有 ©2017 CSpace - Powered by CSpace