长方形平行管道(RPP)的模型设计

空间单粒子翻转率计算的基本出发点就是依据敏感体积模型，即长方形平行管道（RPP）模型，下面分别介绍单粒子效应敏感体积的基本概念和与其相关的建模分析方法和过程。

（一）敏感体积

从计算方法上来说，敏感体积是为了数学上建模的方便而提出的一种数学构造，实际上，单粒子效应敏感体积（区域）是指离子穿越器件的某一敏感节点时，器件所能从带电离子电离径迹中收集到最大电荷的空间区域之体积，其形状分布是不规则的，具有复杂的几何结构形态。例如，可能为L形状等。在单粒子翻转率计算模型中，为了实现计算上的方便，这种空间体积一般假设为长方形平行管道（RPP）形状。通过上面的相关说明，我们知道，就单粒子效应计算模型的初步一阶建模分析来说，通常认为长方形平行管道的长/宽比为1，但也可以设定长方形平行管道的长/宽比为其他数值。

在器件内部的每一个单元中，可能存在着许多的敏感体积，例如在静态随机存储器SRAM中，其内部某一单元至少含有两个敏感体积的分布，一种就是处于关闭状态的NMOSFET晶体管，另一种是处于关闭状态的PMOSFET晶体管。这两个晶体管可能分别处于不同的掺杂区（阱区或衬底区），从而引起不同的电荷收集过程或方式，另外，由于电路响应的动态过程不同，不同类型晶体管发生单粒子翻转的临界电荷也不同。相关试验测试结果的分析表明，除了硅半导体器件以外，双极性器件和GaAs器件存在着多种不同结构形式的敏感体积。Zoutendykn等人研究了双极性晶体管构成RAM的敏感体积分布特征，在某些情况下，由于敏感体积内离子撞击位置的不同造成敏感性变化，双极性晶体管构成RAM的敏感体积将随入射重离子LET值不同而发生变化，Massengil等人针对SOI器件的测试结果表明，这种敏感体积随入射重离子LET值变化的现象是决定SOI器件单粒子翻转截面曲线形状的主要因素之一。对那些单粒子效应敏感性主要依赖于电子-空穴对扩散过程而进行电荷收集的器件来说，围绕入射离子周围的扩散区间之扩展可能导致敏感体积与入射重离子LET值相关。例如，在高密度动态随机存储器器件中，由于器件内部扩展了的耗尽层区间已与扩散长度相当，这种效应会表现得更为明显一些。另外，这种与电子-空穴对扩散相关的电荷收集过程，在单粒子锁定现象产生机制中也扮演着重要的角色。

就空间单粒子翻转率计算而言，没必要详细知道器件内部敏感体积大小和数目的多少。由第4章讨论可知，计算器件单粒子翻转率需要的相关参数可以通过试验测试获得，实际计算中，当器件存在多个敏感性体积时，计算中采用最大敏感体积，这样一来，就可以包括翻转率计算结果的最坏情况。显而易见，当采用最大敏感体积计算时，其要求给出最大路径长度，即设置了发生单粒子翻转的最小重离子LET值，但我们知道，空间辐射环境中的离子数目随着离子LET值的增加而急剧减少，所以采用最大敏感体积的计算结果将是单粒子翻转率计算的上限值。最后应当注意的是，在空间单粒子翻转率计算中，由于敏感体积厚度直接决定了翻转阈值的大小，所以假设的敏感体积厚度对计算结果的影响是一级效应。

（二）弦长分布

如上所述，最初在开展空间单粒子翻转率计算分析中，主要是基于微观的过程而对带电粒子和单粒子效应敏感区域相关作用的具体细节问题进行了分析讨论，如认为模拟试验测试获得的相关数据，实际上表示了被测试器件内部某一单元阵列中许多敏感区域相关影响和作用的综合表现形式。基于这样的认识观点，将器件单粒子效应敏感区域或体积进行了几何形式的建模，提出了所谓的长方形平行管道（RPP）模型。在基于长方形平行管道（RPP）模型的计算中，将敏感体积的几何形状分布简化为长方形平行管道，在这样的几何结构中，利用弦长分布的方式来计算相互作用的离子数目，这些离子是辐射环境中存在的能够引起器件单元发生翻转的那些离子，其一般采用离子LET值分布的方式给出。图7-6给出了应用于RPP模型中的弦长分布几何结构示意图。从图7-6中可以看出，对入射离子而言，其穿越长方形平行管道的几何弦长为S，与长方形平行管道XY平面的夹角为θ。但实际上，从电荷收集的过程来看，弦长一直延伸到S+Sf。

图7-6　应用于RPP模型中的弦长分布几何结构示意

一般来说，现行航天器上使用的大部分电子器件和集成电路归属于传统器件的类别。从单粒子效应产生机理及过程特点的角度来看，传统电子器件和集成电路的电路响应时间远大于其内部带电离子电离产生电荷的收集时间，因此，带电离子与器件相互作用引起单粒子翻转的阈值电荷，即所谓临界电荷Qcrit并不是一个确定或近似的数值，而是存在一种分布方式。随着电子器件和集成电路响应时间越来越快，结构越来越复杂化，电荷的扰动时间和器件的重新存储过程（响应时间）几乎处于相同的时间尺度范围内，临界电荷的概念已失去了其明确有效的物理意义，现代电子器件和集成电路对一个电荷收集过程的响应描述，更直观与准确的描述就是电路敏感节点的一个扰动电流或电压波形。因而，电路缺陷分布造成的敏感节点的统计分布、器件老化及局部压降和信号强度水平等都会影响单粒子效应的敏感性。例如，对一个模拟电路或时钟电路来说，电荷收集过程形成的瞬态过程可能构成电路时钟的一部分或干扰时钟转换过程，这样一来，单粒子翻转的表现过程是一种分布形态，而不是传统描述上的双稳态模式的影响。所以，现代电子器件的单粒子效应敏感性呈现出复杂性特点，如前所叙，针对几种不同类型的器件，在单粒子翻转率计算模型上已作了相关改进，具体参见有关参考资料。

由前面章节可知，器件内部产生电荷的多少由带电离子通过敏感体积时其能量损失了多少所决定，而能量损失的程度由带电粒子在半导体材料中的LET值所给出，能够产生临界电荷大小的对应LET值称为LET阈值，一般采用Lt或LETth来表示。这里应当注意的是，有时试验测试研究工作者也引用临界LET的概念描述敏感体积内产生电荷的多少，临界LET值Lc一般指离子在垂直入射的情况下，保持不变的LET阈值。尽管如此，在这里讨论弦长分布时，Lt或LETth代表了与弦长相关的一个随机变量。在开发单粒子翻转率计算软件包的初期，针对单个敏感体积的计算过程中，首先假设单粒子翻转呈现一个阶跃形状的LET阈值，其次认为饱和翻转横截面（CSm）能够准确确定，这就是单粒子翻转率计算中的经典RPP模型的几何描述，如图7-6所示。有关试验测试表明，对大部分器件来说，宏观芯片上并没有呈现出这种理想特性，而是呈现出一种渐进变化的LET阈值特征。另外，由于试验条件的限制，在试验上也难以获得准确的饱和翻转横截面（CSm），基于这样的认知和试验检验，后来对该经典RPP模型进行了改进。提出了积分式长方形平行管道（IRPP）模型，IRPP模型主要是考虑了基于测试所得翻转截面CS随离子LET值的变化曲线的形状变化，并提出了相关计算方法。后来人们基于IRPP模型的计算方法，对相关计算软件代码进行了改进和完善，本节中不再详细介绍IRPP模型的具体内容，如果读者感兴趣，可以阅读相关技术文献。

简而言之，单粒子翻转效应的最基本机理就是从敏感体积中的电荷收集开始，与敏感体积直接联系的是其横截面大小，所谓横截面可以理解为在垂直于半导体芯片的方向上敏感体积的投射，图7-6也给出了基于RPP模型计算单粒子翻转的简单说明。从图中可以看出，敏感体积模型为横向尺寸分别为x和y，厚度为z的长方形平行管道，而一个位单元的饱和横截面CSm由x和y的乘积给出，反过来，如果考虑到一个器件内部包含的全部位单元数目，那么通过测量获得一个位单元的饱和横截面CSm，就可以确定出敏感体积x和y的大小。实际上，经典RPP模型是对器件中PN结下方的耗尽层区域的一种结构近似，如果设离子通过RPP时的路径长度为S，离子入射角度为θ，RPP的厚度为z，同时认为电荷可以通过聚集的方式收集，且电荷聚集收集长度为Sf，那么，入射离子引起的电荷收集长度为S+Sf，这里应当说明的是，一定厚度Tepi的外延层对以聚集方式的电荷收集过程有一定的限制作用。这样一来，具有一定能量的带电粒子在敏感体积中沉积的能量为：(www.xing528.com)

E=(S+Sf)L

式中，L为线性能量传输值。

通过电离过程，离子携带的能量转换为电荷。我们可以作出这样的假设，在电荷收集长度S+Sf以内，电离过程产生的所有电荷将被敏感体积所处电路的节点所收集。典型的长方形平行管道弦长分布模型基于下列假设：

（1）描述电荷收集区的“敏感体积”几何形状为x、y、z三维尺度长方形平行管道。

（2）沿着进入敏感体积的弦长方向，离子LET值保持不变。

（3）离子电离径迹结构效应的影响可以忽略不计。

（4）长方形平行管道以外产生的电离电荷的扩散式收集方式可以忽略不计。

（5）在聚集长度Sf范围内，电荷收集可以通过“聚集过程”或者“快速扩散过程”进行收集。

（6）沿着所有通过敏感体积离子路径上产生的电荷均被收集，同时，在聚集区域产生的电荷也被全部收集。

（7）单粒子翻转的阈值是阶跃形式。