[發明專利]一種基于復合敏感體積模型的器件在軌單粒子翻轉率預示方法

有效

• 申請號: 201310713022.8
• 申請日: 2013-12-23
• 公開（公告）號: CN103729503A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 孫毅;張瑩;于慶奎;唐民;張磊;羅磊;祝名
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 濟南舜源專利事務所有限公司 37205
• 代理人: 李江

技術領域

本發明涉及一種基于復合敏感體積模型的器件在軌單粒子翻轉率預計方法，屬于宇航用元器件抗輻射技術領域。

背景技術

存在于航天器運行空間的單個高能粒子與星載電子元器件發生相互作用，可能導致元器件產生單粒子效應，是誘發航天器故障的重要因素之一。地面粒子加速器無法產生與航天器運行軌道相同的帶電粒子輻射環境。在軌翻轉率預計方法，結合元器件地面模擬輻照試驗數據和實際在軌經受輻射環境，實現對器件實際在軌發生單粒子翻轉情況的預計，為星載電子器件的抗單粒子能力評估和加固工作提供重要依據。

目前的在軌翻轉率預計方法基本建立在帶電粒子入射產生的電子空穴對在器件的靈敏區內積累并被收集的電荷大于等于閾電荷（臨界電荷）時發生翻轉的理論基礎上，對粒子入射到器件中后的電荷收集區域進行建模，稱為敏感區（sensitive?volume,?SV），利用建立的敏感體積模型描述入射粒子引起的電荷沉積和收集，在此基礎上通過與器件臨界翻轉電荷Qcrit的比較來判斷是否發生翻轉。

國外建立的在軌預計軟件，如CRèME-MC、SPENVIS、Space?Radiation等，均采用了基于RPP(Rectangular?Parallelepiped，長方體)模型和基于IRPP(Integral?Rectangular?Parallelepiped)模型的在軌翻轉率預計方法。其預計原理是，假設器件存儲單元的敏感區為單一、有界的長方體，假設在該區域內入射粒子的電荷沉積以入射LET（Linear?Energy?Transfer，線性能量轉移）表征，沉積電荷均可被有源區收集，其中敏感區尺寸參數在工程上可根據地面模擬試驗數據獲得。兩種預計方法的區別在于，RPP模型假設器件具有單一的臨界翻轉電荷，IRPP模型假設器件不同存儲單元間具有不同的臨界翻轉電荷。

隨著宇航用元器件集成度提高，特征尺寸減小，現有預計方法主要存在以下問題：

（1）現有預計方法關于存在單一敏感體積（敏感體積尺寸由地面模擬輻照試驗對應高LET粒子的試驗數據確定）且沉積電荷全部被收集的簡化假設，導致在低LET粒子對翻轉貢獻上做出過高估計。空間帶電粒子的LET能譜在低LET范圍的通量較高，這一點對LET翻轉閾值較小的深亞微米器件會造成更大的預計誤差。

（2）現有預計方法僅以LET表征入射粒子的電離作用，未考慮離子徑跡載流子的空間分布。對高集成度的小特征尺寸器件，忽略粒子入射后產生的載流子空間分布對翻轉的影響會造成更大的預計誤差。

（3）現有預計方法的分析對象為一個邏輯單元，對高集成度器件存在敏感體積超過單元范圍、相鄰單元敏感體積發生重疊的情況，忽略了多電路節點電荷共享導致相鄰單元同時發生翻轉的情況。

由于器件單粒子效應的計算機數值模擬工具能夠詳細的反映器件工藝參數和結構對電荷收集的影響，需要結合器件單粒子效應仿真模擬手段，建立一種更為客觀、準確的在軌翻轉率預計方法，支持深亞微米器件的宇航應用。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種在入射粒子電荷沉積和器件敏感體積建模等方面更加客觀細化的在軌單粒子翻轉率預示方法，提高宇航用元器件，尤其是高集成度、小特征尺寸的深亞微米器件的在軌翻轉率預計準確性。?

本發明的技術解決方案是：利用粒子輸運仿真手段，獲取實際飛行軌道上器件經受的電荷沉積情況；結合器件邏輯單元的單粒子效應仿真模擬手段，獲取器件邏輯單元的敏感參數，建立復合敏感體積模型，描述入射粒子沉積電荷被收集情況；在獲得邏輯單元樣本粒子翻轉情況后，采用加權統計方法，最終獲得器件在軌翻轉率預計結果。

基于復合敏感體積模型的器件在軌翻轉率預計的基本步驟是：

（1）提取器件單元電路結構，建立器件單元電路級物理模型，根據器件單元電路的單粒子翻轉模擬仿真結果，針對各個敏感節點，提取敏感體積參數，包括對應不同敏感節點的臨界翻轉電荷Qcrit，各個敏感體積尺寸、相對位置及其敏感系數，建立器件單元的敏感體積模型。

（2）根據器件應用情況（飛行軌道、飛行周期、屏蔽情況等），計算器件在軌經受的粒子通量，抽取一個較大的隨機粒子樣本，利用Geant4軟件仿真其中每個粒子入射器件的軌跡和電荷沉積情況；

（3）利用步驟（1）建立的敏感體積模型，統計粒子樣本中每個粒子在敏感體積內被收集的電荷，判斷該入射粒子是否引起了翻轉，對粒子樣本中各個粒子引起翻轉的情況進行加權平均，獲得器件在軌單粒子翻轉率預計結果。