高能中子诱发半导体器件产生单粒子翻转的模拟计算

随着半导体及电子工艺技术的迅速发展,器件向着小尺度、低电压、低电荷、高集成度迈进,大气中子对航空及地面的电子系统造成的单粒子效应越来越显著.本文采用PHITS2.24蒙特卡罗程序及其事件发生器功能,借助于核反应模型与截面数据,验算了描述器件发生单粒子翻转能力的MBGR参数,并采用大气高能中子能谱,对SRAM器件的单粒子翻转率进行了计算与分析.这为我们今后模拟大气中子产生的各类单粒子效应提供了基本方法,也为将来开展相应的辐照实验提供了理论基础.     

辐射易敏SRAM型FPGA在导航卫星中的适用性实验研究

利用兰州重离子加速器提供的86Kr离子束流开展了百万门SRAM型FPGA的单粒子效应实验研究.获得了该器件配置存储器和片内Block RAM的重离子翻转截面,给出了与国外同类实验结果显著差异的原因分析,证实了该器件对单粒子效应的极端敏感性;对三模冗余、动态刷新等容错机制的有效性进行了动态测试,结果表明采用的组合加固措施能显著降低系统的功能错误截面,基本消除了配置存储器额外引入的敏感性,达到了与同类专用集成电路接近的抗辐射水平;结合导航任务特点和实验结果,对SRAM型FPGA在导航卫星上的适用性进行了分析,提出了将加固设计与自主完好性监测相结合的应用思路.     

临近空间单粒子效应的数值模型和电路模拟

针对临近空间单粒子效应进行了数值模型仿真和特征尺寸为0.1 μm的反相器电路的脉冲注入模拟研究。数值仿真结果表明器件临界电荷随着工作电压的降低而减小,敏感横截面随着临界电荷的降低而逐渐增大。临近空间微电子器件的单粒子翻转概率随敏感横截面增大而上升,但其又随临近空间高度的增加而下降。此外,利用SPICE软件脉冲注入模拟观察到了反相器电路的单粒子翻转现象。所得结论有助于深入研究临近空间的单粒子效应并为器件抗辐射加固提供了理论依据。     

脉冲激光模拟单粒子效应的等效LET计算

在脉冲激光模拟单粒子效应实验中, 一个关键问题是计算激光脉冲的等效LET. 给出了在考虑非线性能量吸收机制、半导体器件表面反射和折射等关键因素下激光脉冲的等效LET计算方法和具体算例, 与离子探测的器件单粒子翻转阈值吻合得较好.     

基于TMR的FPGA单粒子加固试验探究

设计了一个可对基于静态随机存储器的现场可编程门阵列进行单粒子效应测试的系统.采用三模冗余和定时回读重配的方法对待测器件进行单粒子加固.测试电路为移位寄存器链,定时回读的间隔约为80 ms,测试时钟为10 MHz.在非辐照环境下先进行了单粒子翻转的仿真试验,获得系统基本参数后,在兰州中科院近代物理研究所进行了重离子单粒子效应辐照试验.试验芯片为商用FPGA,辐照试验增加单粒子闩锁监控,观察不同注量率下待测器件的加固效果.分析仿真试验与辐照试验结果,系统可正确实现加固与测试功能,也证明三模冗余技术结合回读重配方法能够提高FPGA芯片的单粒子加固能力.     

Geant4模拟半导体器件的单粒子效应

利用Monte Carlo软件Geant4模拟了质子和中子在半导体静态随机存储器模型中的输运过程。根据入射粒子的能量选择不同的物理模型,并采用强迫碰撞方法,模拟了高能质子和中子与硅原子的相互作用及其次级反应过程,给出了0.1~2 GeV超高能质子、中子和14 MeV中子辐照器件时存储单元灵敏区内的能量沉积,并根据具体器件的临界能量,得到了器件在不同能量的高能质子和中子辐照下引起的单粒子翻转截面和多位翻转截面,计算结果与文献资料结果符合较好。     

SRAM型FPGA空间应用的可靠性设计方法

随着工艺特征尺寸逐渐趋近于纳米级,SRAM型FPGA越来越容易受到空间辐射环境的影响而导致系统故障.为了提高SRAM型FPGA在空间环境的可靠性,在对Xilinx系列SRAM型FPGA的单粒子效应故障模式进行分析的基础上,重点介绍了几种抗单粒子翻转方法,并对各种方法的适用范围、使用特点及应用情况等进行了比较分析.结果表明:选用基于SelectMAP接口和用户可自定义的纠检错方式实现对SRAM型FPGA的回读、纠检错和刷新设计;选择动态重配置设计方法实现系统的在线全部和部分重构设计是最为有效的可靠性设计方法.该回读、纠检错、刷新和部分重构设计方法已经在嫦娥五号试验器中得到在轨成功实施与验证.     

软错误缓解动态部分可重构的抗单粒子方案

随着基于静态随机存储器(static random-access memory,SRAM)型现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)广泛应用于航空航天领域,太空辐照环境下FPGA产生单粒子翻转(single event upset, SEU)问题的概率日益提高,从而导致FPGA出现单粒子闩锁现象引起功能紊乱。针对该问题,基于SRAM型FPGA的架构诱发SEU机理分析,对传统三模冗余(triple module redundancy, TMR)的方案进行改进,设计一种逻辑上采用TMR进行备份、系统上采用软错误算法缓解执行,同时采用局部纠错和动态可重构的方法进行抑制的方案。皮秒激光注入试验结果显示,采用所提供方案的FPGA较传统方案试验电流平稳,验证了该方案可以有效对SEU进行抑制。     

一种用于FPGA的单粒子翻转试验系统设计研究

单粒子翻转(SEU)试验是测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的重要方法.提出了一种用于测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的试验系统;该系统通过比对待测FPGA芯片输出数据序列和正确数据来判断是否发生数据翻转.如果发生数据翻转,则进一步统计翻转次数和翻转性质,从而能够较全面的测试FPGA芯片的抗单粒子翻转性能.运用该试验系统对某款FPGA芯片进行了单粒子翻转试验,测试结果显示该试验系统能够正确评估被测芯片的抗单粒子翻转性能.     

脉冲激光诱发单粒子效应的机理

利用脉冲激光模拟单粒子效应是近年来兴起的一种新型的单粒子效应地面模拟手段, 研究了皮秒脉冲激光与半导体器件相互作用的方式以及诱发单粒子效应的机理, 并针对实验中常用的Nd:YAG和Ti:Sapphire两种激光和硅半导体器件进行了计算及比较分析, 同时根据计算结果提出了模拟实验中脉冲激光参数选择的主要依据和典型的参数范围.     

基于0.13μm工艺的切断反馈回路单粒子效应加固电路的研究

对0.13μm工艺下的切断反馈回路的单粒子效应加固电路进行了研究,对其机理进行了分析,并对该结构进行了单粒子瞬变效应加固方面的改进,进而提出一种新的单粒子效应加固的D触发器,在0.13μm工艺下进行了SPICE模拟验证,可以在100 MHz的工作频率下对LET为25 MeV·cm~2/mg的单粒子轰击达到加固,相比于同类结构拥有更小的面积和功耗.     

对FPGA配置码点软错误敏感性的细粒度研究（英文）

本文对Xilinx的Virtex-4器件的配置存储器(Configuration RAM,CRAM)做了详尽的错误注入实验.并给出了适用于Virtex-4的逻辑资源与码流对应关系的详细信息,利用这些信息对实验结果进行分析可以找出对电路可靠性影响最大的配置码点.本文用了两种错误模型来评估电路的可靠性,一个模型用来评估持续存在的错误的影响,另一个模型用来评估瞬时错误对应用了重刷写技术的电路的影响.对实验结果的详尽分析为用于FPGA的容错技术的研究提供了新的数据支持.本文的主要贡献包括一个能够进行细粒度定位错误注入的平台、对CRAM中码点翻转造成的影响的详细分析、两个用于评估CRAM中码点翻转效应的指标以及对利用错误注入的数据进行容错技术加强的方法.     

一种用于可编程逻辑的阵列的单粒子翻转试验系统设计研究

单粒子翻转(SEU)试验是测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的重要方法。提出了一种用于测试FPGA芯片抗单粒子翻转性能的试验系统;该系统通过比对待测FPGA芯片输出数据序列和正确数据来判断是否发生数据翻转。如果发生数据翻转,则进一步统计翻转次数和翻转性质,从而能够较全面的测试FPGA芯片的抗单粒子翻转性能。运用该试验系统对某款FPGA芯片进行了单粒子翻转试验,测试结果显示该试验系统能够正确评估被测芯片的抗单粒子翻转性能。     

倒掺杂结构PD SOI器件的抗辐射研究

为了提高SOI器件抗总剂量能力,采用了倒掺杂结构.研究了倒掺杂结构PD SOI器件抗总剂量能力的增强,介绍了该结构对寄生NPN晶体管的抑制作用.发现倒掺杂结构不仅提高了器件的抗总剂量能力,对器件的抗单粒子能力也有所提高.基于0.35 μm SOI 工艺线,结合ISE TCAD 软件对器件的电学特性进行仿真,比较了流片测试数据和仿真数据.着重研究倒掺杂结构PD SOI器件较常规PD SOI 器件抗SEU能力的改善,并对SOI器件单粒子辐射的电荷收集效应进行了模拟与仿真.     

星载计算机SRAM单粒子微闩锁检测方法

静态随机存储器(SRAM)的单粒子微闩锁(mSEL)现象可能引起星载计算机运行崩溃,威胁整星运行安全.传统的闩锁电流检测方法难以发现mSEL,国内外研究成果至今没有给出令人满意的具体可行的星上mSEL检测方案,也没有航天工程应用实例.根据SRAM发生mSEL时的错误簇现象,设计了基于EDAC编解码的mSEL检测方案,介绍了软硬件架构,提出了两种检测策略并研究讨论了其性能.其中遍寻策略实现简单、性能稳定,随机搜索策略实现开销大,在某些场景中90%,检出率的要求下,检测速度达到遍寻策略的8.5倍.本文提出的方法能够提高空间应用中SRAM器件可靠性,降低由mSEL引发的系统失效概率.     

一种可以表征铁电晶体管存储性能退化的宏模型

从铁电晶体管的动态翻转和双阈值转移特性出发, 建立了一种基于施密特触发器的FEFET(铁电场效应晶体管)行为级宏模型。该宏模型可以表征FEFET的转移特性, 并且模型参数较少便于调节; 模型结构简单、规模较小, 可用于HSPICE 电路模拟。模拟结果与FEFET实验结果比较, 显示该模型能够很好地反映铁电材料的疲劳等因素引起的FEFET的存储性能退化, 为FEDRAM(铁电动态随机存储器)设计和优化提供了一个良好的模型基础。     

基于容忍单粒子效应的集成电路加固方法研究

针对现有容忍单粒子效应的锁存器结构无法同时容忍单粒子翻转(SEU)、单粒子瞬态(SET),以及未考虑电荷共享导致的双节点翻转(DNU)问题,提出一种高可靠性的同时容忍SEU、SET和DNU的锁存器加固结构SRDT-SET。基于空间和时间冗余原理,该锁存器结构采用了多个输入分离的施密特触发器来构建高可靠性数据存储反馈环,同时内嵌多个施密特触发器。HSPICE仿真结果表明,SRDT-SET锁存器结构能够从SEU中在线自恢复,容忍的SET脉冲宽度更宽,并且能够有效容忍DNU,功耗-延迟综合开销不大,有效增强了SET脉冲的过滤能力。     

一种高性能低功耗的双节点翻转加固锁存器

随着半导体工艺尺寸的发展,时钟频率越来越高,临界电荷变得越来越小,电路节点之间的电荷共享效应变得愈加严重,因此导致多节点翻转(multiple node upsets,MNU)的几率变大。为了解决MNU的问题,文章提出了一种高性能低功耗的双节点翻转加固锁存器(HLDRL),当受到单粒子效应影响时,具有单节点翻转(single node upset,SNU)和双节点翻转(double node upsets,DNU)的自恢复能力。该锁存器由18个异构输入反相器组成,仿真实验结果显示该锁存器具有优良的容错性能,可以实现DNU的完全自恢复,而且对高阻态不敏感。与其他容忍DNU的锁存器相比,该锁存器具有较小的开销,延迟和功耗延迟积分别减小了46.83%和45.85%。     

液滴变形及表面张力模拟的光滑粒子动力学方法

光滑粒子动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法是一种Lagrange无网格粒子方法,在多相流模拟方向有着巨大的潜力。液体表面张力是多相流动的一个很重要的作用力。该文采用连续表面力(continuum surface force,CSF)模型和粒子间相互作用力(inter-particle interaction force,IIF)模型在SPH方法中引入表面张力,比较了这两种模型对液滴变形过程的模拟。CSF模型与理论结果之间的比较表明,CSF模型很好地模拟表面张力的效应。而IIF模型虽然也可以用于计算表面张力,但与CSF模型相比,其模型参数的确定较为困难。     

PMOSFET的动态NBTI效应模型研究

为了能够准确地预测器件的寿命,研究了PMOSFET中的动态负偏压温度不稳定性效应(NBTI)模型.在静态NBTI效应模型及反应-扩散模型(R-D)的基础上,推导出动态NBTI应力下界面陷阱电荷模型,其与占空比成指数关系.考虑到占空比对器件NBTI效应的影响,推导出动态NBTI应力下阈值电压退化模型.通过实验所得到的器件退化数据和仿真数据进行比较分析,证明了阈值电压漂移量随着占空比近似按照指数规律变化,与模型相符合,可以预测器件交流应力的实际寿命.