翻转率计算模型的优化

当电子器件和集成电路在航天器电子设备中工作时，单粒子效应的发生是一种随机过程，这种过程主要由空间辐射环境中存在的不同种类和能量的带电离子的随机入射所决定。我们知道，带电离子在电子器件和集成电路内部会发生电离过程而产生电子-空穴对，而电子或空穴被收集后形成器件内部的电荷扰动；所有单粒子效应的发生都是由于电子器件和集成电路内部局部的电荷扰动所诱发，从器件或集成电路的结构特点和主要功能的角度来看，其单粒子效应发生的条件主要与两个过程相关，即与电子器件内部敏感体积内产生的电子-空穴过程和敏感电路节点电荷收集过程有关。当一定能量的带电离子穿越电子器件内部时，其通过损失能量而产生电子-空穴对，电子或空穴在器件内部高电场区域和低电场区域将分别通过漂移过程和扩散过程而被电路节点所收集。例如，在MOSFET器件中，在PN结的耗尽层区和收集区及栅极区均存在局部高电场；而在衬底区域存在低电场，这些区域产生的电离电荷均可通过漂移和扩散过程而被收集。应当知道的是，电子器件和集成电路内部局部电荷收集过程存在着电子-空穴对的复合过程，这种复合过程在高度掺杂区域表现得更为明显，如在MOSFET器件中的源极和漏极区域及重度掺杂的衬底区域，电子-空穴对的复合过程比较显著，在这些区域产生的电子-空穴对大部分会复合掉，对敏感节点的电荷收集量贡献不大。尽管电子器件内部电离电荷的收集多少与区域及掺杂分布状态密切相关，但收集电荷是否能够诱发单粒子效应发生却与电荷收集过程的时域特性密切相关，这种时域特性主要是与电子器件和集成电路的响应时间相联系，如前面章节所述，能量沉积过程及打破电荷平衡的电离过程时间非常短，一般在飞秒量级范围内，而传统电子器件与集成电路的响应时间稍长些，一般在纳秒量级范围内。这样一来，相比较电离过程而言，电子器件和集成电路的电荷收集过程是一个慢响应过程，从而单粒子效应的发生与电路电荷收集过程的时域特性密切相关。

在讨论单粒子效应计算模型时，应当了解涉及的一些物理过程及其应用到的一些计算参数。首先是重离子在半导体材料中的能量沉积过程，如第3章所述，描述半导体材料中的能量沉积过程的主要物理量是线性能量传输值的大小，即单位距离上沉积能量的多少，这个物理量的引入将会使单粒子翻转率的计算变得简化许多，即空间辐射环境中所有离子种类及其能量分布特征对能量沉积过程的影响都可以采用线性能量传输值来描述。例如，对一定能量的离子，可以假设其线性能量传输值为常数，那么其穿越敏感体积后沉积能量的大小就等于穿越长度与线性能量传输值的乘积。但实际情况并非如此，随着离子能量的不断损失，粒子线性能量传输值也随之发生变化；在分析试验数据时，必须考虑到这种实际情况，在后面测试数据分析章节将进行详细讨论。在假设线性能量传输值为常数的条件下，计算单粒子效应空间翻转率问题就是确定敏感体积的大小，计算粒子撞击频度及相应沉积能量的多少，并且确定出诱发单粒子效应的一系列撞击重离子的构成特点。综上所述，能量沉积的多少可以由入射离子线性能量传输值的大小确定，而线性能量传输值的大小及分布由空间辐射环境模型给出。如果在不考虑角度效应的情况下，则空间单粒子翻转率大小直接由具有一定LET值离子的通量率数值与敏感区域面积大小的乘积给出。如第3章所述，大部分单粒子效应从机理上都表现出与离子入射角度相关的现象，这导致单粒子效应空间翻转率计算中，所需测试数据的应用变得更加复杂化；如带电离子入射进入电路芯片敏感体积内的角度不同，则其穿越敏感体积的长度不同，因而产生的电离电荷不同。尽管如此，但单粒子效应空间翻转率计算的基本方法就是上述两个因素的乘积算法，第一个因素，即电子器件和集成电路芯片内部能够引起单粒子效应的有效区域，例如有效横截面积；第二个因素，空间环境离子的通量率及其分布，当空间重离子撞击到器件内部敏感区域后，如果能够诱发单粒子效应发生，则发生单粒子效应的LET阈值决定了计算中采用的通量率的大小。基于这两个基本计算过程的要求，人们作了许多相关建模分析的研究工作，主要从两个不同方向提出了两种不同概念的单粒子效应计算分析模型，即弦长分布模型和有效通量率模型。有关测试验证表明，对大部电子器件和集成电路而言，如果敏感体积的几何结构是一致的，则基于两种模型的计算结果相一致。应当说明的是，在单粒子效应翻转率计算中，最初开发出的是弦长分布模型，随后才发展出有效通量率模型。在弦长分布模型中主要考虑了空间辐射环境中重离子的LET值分布，并且对每个与敏感体积相互作用的离子设置了一些准则来选取一系列（或对应的通量率）能够引起翻转的能量离子数目。例如，在计算这些能量离子数目时，射程超过最小路径长度（能够沉积引起翻转的最小能量）的离子就可以选取。在有效通量率模型中，主要是将空间离子通量率转换成为能够引起单粒子效应发生的“有效通量率”，如果有效通量率可以表示为随LET值的变化函数，那么可以通过将有效通量率与翻转截面随LET值变化的测试数据作卷积计算，就可以得出翻转率大小。也就是说，有效通量率模型避免了每个离子与敏感体积相互作用的计算细节需求，只从电子器件和集成电路芯片的宏观角度来应用“有效通量率”进行计算，应当注意的是，该“有效通量率”是基于假设或已知芯片特性的基础上来确定选择准则后而转换得出。在单粒子效应翻转率计算中，最基本模型是弦长分布模型和有效通量率模型，但随着电子器件和集成电路技术的不断发展，基于两个基本模型，也提出了针对具体电路的单粒子翻转率计算方法，如SOI工艺制作的电子器件和集成电路的单粒子效应模型，功率MOSFET器件的单粒子效应模型等。鉴于本书的一般性要求，具体工艺制作的电子器件和集成电路的空间单粒子效应发生率计算方法将不在本章节作详细说明，有兴趣的读者可以参阅相关参考资料。

在详细介绍基于弦长分布模型和有效通量率模型的单粒子翻转率计算方法以前，考虑到在实现基于模型的计算过程时，可能会涉及电路结构和组成的一些具体问题，这里我们首先对一些电子器件和集成电路的一般特征作一些概念上的简单介绍和了解。我们知道，电子器件和集成电路包含许多基本特征相同的电路单元，比如随机存储器（RAM）电路，其每个信息位单元由一个基本电路单元的逻辑状态所表示，而每个基本电路单元可能存在一个或多个单粒子效应敏感区域（多个敏感体积）来收集入射带电离子电离产生的电荷，从而导致存储器单元状态发生改变。从这一点看来，似乎具有不同结构和不同翻转阈值的每个单元可能不止存在一个敏感体积，也就是说，敏感体积本身及其对应的单粒子翻转阈值存在一种分布模式。从第4章讨论知道，当采用加速器提供的不同种类重离子进行单粒子效应试验测试时，全向入射重离子（实际难以实现）撞击到器件芯片上时，离子随机触发到器件内部存在的单粒子效应“敏感体积”，器件芯片的测量结果呈现出响应的平均特性。而单粒子翻转率计算面临的问题就是对测试数据进行一定方式的说明，这样一来，利用地面获得的测试信息，可以知道当电子器件和集成电路置于存在全向重离子照射的空间环境中时，将会发生什么。

图7-5所示为空间单粒子翻转率的计算分析过程示意图。(www.xing528.com)

图7-5　空间单粒子翻转率的计算分析过程示意图

（基于“有效通量率”模型的计算方法）