卫星光通信系统中CCD器件的空间辐射特性研究

 为了提高卫星光通信系统中电荷耦合器件（CCD）空间抗辐射性能,分析了空间辐射环境对CCD器件造成的电离辐射效应和位移辐射效应。通过理论分析和数值模拟计算研究了不同辐射源、不同沟道类型以及不同偏置状态对CCD电荷转移效率（CTE）的影响,结果表明,空间辐射主要在暗电流密度和电荷转移效率两方面影响CCD器件的工作性能。卫星光通信系统中的CCD器件应该选择P沟道CCD,并且在系统不工作时尽量使其处于非偏置状态。     

大规模集成电路抗辐射性能无损筛选方法

空间辐射环境会对电子器件产生辐射损伤。由于商用器件性能普遍优于抗辐射加固器件,所以从商用器件中筛选出抗辐射性能优异的器件将在一定程度上提高空间电子系统的可靠性。结合数学回归分析与物理应力实验的方法,研究了集成电路抗辐射性能无损筛选技术。通过不同的外界能量注入及总剂量辐照实验,探究电路典型参数的应变情况与电路耐辐射性能的关系,并确定其辐射敏感参数;建立预测电路抗辐射性能的多元线性回归方程,并对应力条件下的回归方程进行辐照实验验证。结果显示,物理应力实验与数学回归分析结合的筛选方法减小了实验值与预测值的偏差,提高了预估方程的拟合优度和显著程度,使预估方程处于置信区间。     

累积剂量影响静态随机存储器单粒子效应敏感性研究

本文利用60Coγ源和兰州重离子加速器,开展不同累积剂量下,静态随机存储器(static random access memory,SRAM)单粒子效应敏感性研究,获取不同累积剂量下SRAM器件单粒子效应敏感性的变化趋势,分析其辐照损伤机理.研究表明,随着累积剂量的增加,SRAM器件漏电流增大,影响存储单元低电平保持电压、高电平下降时间等参数,导致"反印记效应".研究结果为空间辐射环境中宇航器件的可靠性分析提供技术支持.     

252Cf源辐射背景对X光闪光照相光电接收系统的影响

 在有核环境下的X光闪光照相中,为保证CCD光电接收系统的安全和有效使用,开展了科研所需剂量的辐射背景对闪光照相光电接收系统影响的研究。理论分析结果表明:科研要求的辐射剂量远小于X光闪光照相光电接收系统各器件的辐射损伤阈值,不会造成辐射损伤;辐射背景在CCD相机图像上形成的本底灰度对成像质量的影响很小。实验结果显示,通过建立和选择适当的屏蔽方式可以保证以下两点:一是科研所需剂量的辐射背景在CCD相机图像上形成的本底灰度要小于科学级相机的固有本底噪声,可以保证图像质量;二是在科研所需剂量的粒子和射线辐射下,X光闪光照相光电接收系统工作正常。     

基于X射线的晶圆级器件辐照与辐射效应参数提取设备的设计与实现

基于标准工艺线的设计加固是大规模集成电路抗辐射加固的发展趋势,对微纳米单元器件进行辐射效应参数提取是实现设计加固的前提。为了摒除参数提取过程中封装引入的影响,实现在线参数测试,本文设计了一套晶圆级器件辐照与辐射效应参数提取试验装置,兼备晶圆级器件电离总剂量辐照、器件参数在线测试分析功能,并且具有通用性强、测量范围宽、结构一体化、操作自动化等特点。对设备在50 kV管压下产生的X射线能谱、剂量率、束斑的测量以及对晶圆级MOS器件进行I-V、C-V、低频噪声特性的测试分析结果表明,该设备符合ASTM F1467测试标准,且能满足晶圆级器件辐射效应参数提取要求,可为大规模集成电路抗辐射设计加固提供良好的试验条件。     

线阵探测器KLI-2113总剂量辐照性能试验分析

针对Kodak公司的商用CCD探测器KLI-2113进行了总剂量为30 krad(Si)的60Co-γ辐射试验。对比辐射前后CCD的主要参数变化,分析了总剂量辐射对CCD工作性能的影响,并研究了总剂量辐射导致CCD暗电流增大、电荷转移效率降低以及图像噪声增加等现象的内在机理,为后续CCD抗总剂量辐射加固提供依据和参考。     

质子辐照导致科学级电荷耦合器件电离效应和位移效应分析

针对卫星轨道上的空间环境辐射引起电子元器件参数退化问题, 为了研究光电器件空间辐射效应、损伤机理以及参数退化规律, 对某国产埋沟科学级电荷耦合器件(charge-coupled devices, CCD)进行了10 MeV质子辐照试验、退火试验及辐射效应理论模型研究. 试验过程中重点考察了器件的暗信号和电荷转移效率特性的变化. 试验结果表明, 器件的主要性能参数随着质子辐照注量的增大明显退化, 在退火过程中这些参数均有不同程度的恢复. 通过对CCD敏感参数退化规律及其与器件工艺、结构的相关性进行分析, 并根据半导体器件辐射效应理论, 推导了器件敏感参数随质子辐照注量变化的理论模型, 得到了暗信号及电荷转移效率随辐照注量退化的半经验公式. 上述工作可为深入开展CCD抗辐射性能预测、抗辐射工艺改进与结构优化提供重要参考.     

半导体器件的辐射效应

抗核辐射电子学对于国防和经济建设都有重大意义。为了研究出使电子器件和系统具有抗辐射能力的技术措施,就必须首先研究辐射对电子器件和系统的影响(辐射效应)以及辐射如何对电子器件和系统产生影响(损伤机制)。本文评述了辐射环境、辐射效应和损伤机制、模拟实验方法和设备以及发展概况。     

空间辐射效应

本文简要介绍近地空间辐射环境及其对飞行器材料、电子器件的影响，还扼要介绍了空间辐照效应的研究动态。     

基于热峰模型的单粒子效应模拟研究

单粒子效应是航天电子器件失效的重要原因,研究其物理过程对航天电子器件寿命预测、器件抗辐照加固有着重要的意义。现有的模型多从线性能量沉积的角度来解释单粒子翻转,因此无法解释单粒子效应地面实验模拟过程中的温度效应。建立了一个新模型,从高能带电离子与材料相互作用的物理过程出发,通过解三维的热扩散方程,计算出能量在材料中沉积、交换、扩散,得到电子和晶格温度的空间分布以及时间演化过程。推断出离子辐照过程中导致的自由电子浓度和收集电荷随LET的变化关系。此模型解释了单粒子效应中随着器件温度升高,单粒子效应截面增加的现象。     

航天遥感相机动态钳位设计

提出了航天遥感相机的动态钳位方法,该方法通过在相机的模拟前端对大气程辐射值进行减除,实现场景信息的充分量化.建立了航天遥感相机成像链路模型,分析了大气程辐射对图像灰阶范围的影响.研制了动态钳位相机,实现了在相机硬件电路中减除模拟信号.在外场对动态钳位相机进行了实验验证,实验中利用MODTRAN软件计算大气程辐射并转换为相机钳位值.实验结果表明:本文方法可使相机低端信息得到充分利用,图像灰阶范围能够提高62%;在航天遥感相机中设计动态钳位能够利用低端量化信息,用更多的量化位数来表示地物目标信息,并可提高辐射分辨率,保留更多图像的细节信息.     

不同粒子辐射条件下CC4013器件辐射损伤研究

本文采用60 MeV Br离子、5 MeV质子和1 MeV电子等三种辐射源, 针对CC4013型互补金属氧化物半导体器件(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)进行辐射损伤研究. 通过Geant4程序计算了该器件电离辐射吸收剂量与芯片厚度的关系, 经过计算, 在相同注量下, 60 MeV Br离子的电离吸收剂量最大, 1 MeV电子产生的电离吸收剂量最小. 应用Keithley4200-SCS半导体特性分析仪在原位条件下研究了CC4013器件电性能参数随辐射吸收剂量的变化关系. 测试结果表明, 相同电离辐射吸收剂量下, 1 MeV电子对CC4013器件的阈值电压参数影响最大, 5 MeV质子其次, 60 MeV Br离子的影响最弱. 关键词： CMOS器件 高能带电粒子 电离辐射 辐射损伤     

中子单粒子效应研究现状及进展

回顾了中子单粒子研究的国内外发展情况,介绍了近几年西北核技术研究所在西安脉冲堆开展的低能中子单粒子效应研究进展。比较了稳态与脉冲工况下中子单粒子效应的异同性;分析了含有SRAM结构器件随着特征尺寸的减小,中子单粒子效应敏感性加剧的物理机制。分析认为目前中子单粒子效应已成为小尺寸大规模互补金属氧化物半导体器件的主要中子效应表现;中子辐射效应研究中,除了位移损伤效应以外还必需重视由中子电离造成的中子单粒子效应。     

空间辐照环境对光学材料作用效应的模拟研究

介绍了对材料有重要影响的空间辐照环境 ,并利用地面模拟设备对某些遥感光学材料在空间辐照环境下的行为进行研究。结果表明 ,以质子、电子和太阳紫外线为代表的空间辐照环境在光学材料中产生表面剥蚀、着色、诱发表面污染和充放电等效应 ,从而使光学材料的性能在不同程度上退化     

锗硅异质结双极晶体管单粒子效应加固设计与仿真

本文设计了一种通过在版图布局中引入伪集电极的方法来提高锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)抗单粒子性能的方法. 利用半导体器件模拟工具, 针对加固前后的SiGe HBT开展了单粒子效应仿真模拟, 分析了伪集电极对SiGe HBT电荷收集机理的影响. 结果表明, 引入的伪集电极形成的新的集电极-衬底结具有较大的反偏能力, 加固后SiGe HBT伪集电极通过扩散机理, 大量收集单粒子效应产生的电荷, 有效地减少了实际集电极的电荷收集量, 发射极、基极电荷收集量也有不同程度的降低, 加固设计后SiGe HBT 的单粒子效应敏感区域缩小, 有效的提高了SiGe HBT 器件抗单粒子效应辐射性能. 此项工作的开展为SiGe HBT电路级单粒子效应抗辐射加固设计打下良好的基础.     

质子辐照电荷耦合器件诱导电荷转移效率退化的实验分析

开展了电荷耦合器件（CCD）质子辐照损伤的实验研究. 分析了质子辐照CCD后电荷转移效率的退化规律,阐述了质子辐照诱导电荷转移效率退化的损伤机理,比较了不同能量质子对电荷转移效率的损伤程度. 通过开展辐射粒子输运理论计算,分析了不同能量质子对电荷转移效率损伤差异的原因. 关键词： 电荷耦合器件 质子 辐照效应 电荷转移效率     

脉冲γ射线诱发N型金属氧化物场效应晶体管纵向寄生效应开启机制分析

金属氧化物场效应晶体管作为大规模数字电路的基本单元,其内部的寄生效应一直以来被认为是影响集成电路在脉冲γ射线辐射环境中发生扰动、翻转以及闩锁的重要因素.为研究脉冲γ射线诱发N型金属氧化物场效应晶体管内部纵向寄生效应的开启机制,通过TCAD构建了40, 90以及180 nm 3种不同工艺节点的NMOS晶体管进行瞬时电离辐射效应仿真,得到了纵向寄生三极管电流增益随工艺节点的变化趋势、纵向寄生三极管的开启条件及其对NMOS晶体管工作状态的影响.结果表明:1)脉冲γ射线在辐射瞬时诱发NMOS晶体管内部阱电势抬升是导致纵向寄生三极管开启的主要原因; 2)当纵向寄生三极管导通时, NMOS晶体管内部会产生强烈的二次光电流影响晶体管的工作状态; 3) NMOS晶体管内部纵向寄生三极管的电流增益随工艺节点的减小而减小.研究结果可为电子器件的瞬时电离辐射效应机理研究提供理论依据.     

偏置条件对NPN及PNP双极晶体管电离辐射损伤的影响研究

本文采用低能电子辐照源对NPN及PNP晶体管进行辐照试验. 在辐照试验过程中, 针对NPN及PNP晶体管发射结施加不同的偏置条件, 研究偏置条件对NPN及PNP晶体管辐射损伤的影响. 使用Keithley 4200-SCS半导体特性测试仪在原位条件下测试了双极晶体管电性能参数随低能电子辐照注量的变化关系. 测试结果表明, 在相同的辐照注量条件下, 发射结反向偏置时双极晶体管的辐照损伤程度最大; 发射结正向偏置时双极晶体管的辐照损伤程度最小; 发射结零偏时双极晶体管的辐照损伤程度居于上述情况之间. 关键词： 双极晶体管 低能电子 电离辐射