cmos集成电路的抗辐射分析及设计(已处理)

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1、CMOS集成电路的抗辐射分析及设计西安理工大学硕士学位论文CMOS集成电路的抗辐射分析及设计姓名:张小平申请学位级别:硕士专业:材料物理与化学指导教师:雷天民;权海洋20030301集成电路的抗辐射分析及设计专业材料物理与化学硕士生张小平签名指导教师雷天民签名指导教师权海洋签名摘要本文利用标准的商业工艺设计了一个万门的抗辐射加固的门阵列用以评估商业工艺线制造的电路的抗辐射水平在研究中我们将降低辐射效应的设计方法应用到门阵列设计中获得了华晶上华半导体有限公司采用的工艺生产的集成电路样片具有的抗总剂量辐射能力外太空辐射环境主要

2、以三种方式影响器件总剂量辐射效应单粒子翻转效应和单粒子闩锁效应在本文设计中采用双环保护结构很大程度的降低了集成电路对单粒子闩锁效应的敏感性对管采用环型栅结构代替传统的双边器件结构消除了辐射感生边缘寄生晶体管漏电效应采用附加晶体管的冗余锁存结构减轻了单粒子翻转效应的影响为了测试最新设计的万门门阵列的抗辐射水平本文设计了一个集成电路测试样片在室温下对样片进行了的总剂量辐照采用作为辐照源辐照剂量率为样片在辐照过程中加动态偏压对辐照后的测试结果表明没有样片发生功能失效所有直流参数如输出高电平输出低电平输入高电平输入低电平输入漏电流

3、以及静态功耗电流等都满足设计指标关键词集成电路抗辐射加固单粒子翻转效应单粒子闩锁效应电离总剂量效应西安理工大学硕士学位论文Radiation-Hardness前言研究背景随着空间技术的发展各种电子设备已经广泛应用于人造卫星宇宙飞船运载火箭等系统中构成电子设备的电子元器件不可避免的要处于空间辐射环境中辐射作用会对元器件性能造成不同程度的破坏进而使整个电子设备发生故障因此有必要对电子元器件进行辐射加固设计对电子系统的加固是一项综合而复杂的工作首先要研究应用的环境条件对辐射的强度进行分析然后确定系统的辐射容限提出加固要求针对设计

4、的具体电子电路在设计中还要保证一定的设计裕量以确保飞行器在遇到不可预知因素的影响时能够得以幸存对于系统设计者来说主要考虑飞行器运行轨道的辐射强度任务执行的时间然后选用相应耐辐射强度的芯片因为如果对飞行器执行任务的环境不了解那么对飞行轨道上遭遇的辐射剂量率和总剂量的估计要么偏高要么偏低然而为了保证任务的完成对辐射环境的恶劣程度的估计偏低是绝对不允许的因此只好过高的估计环境的恶劣程度这样一来必须加强系统和子系统的抗辐射能力由此需要投入过多的耐辐射设计成本造成设计成本的浪费飞行器在不同的飞行轨道上的辐射环境是不同的系统设计者必须

5、考虑到不同轨道的剂量率以及在不同轨道执行任务的时间由此可以估算出整个任务期间的总的辐射剂量而对芯片设计者和辐射加固设计者来说主要考虑的是如何在已有条件下提高芯片的抗辐射能力本文就是从芯片设计者和抗辐射设计者的角度基于对元器件的改进和集成电路底层单元的电路结I西安理工大学硕士学位论文构的改进使得商业集成电路具有较强的抗辐射能力能够应用于太空辐射环境太空辐射环境的影响因素很多这是一个专门的领域系统设计者应该充分考虑表列出了不同空间轨道的辐射剂量参数表不同空间轨道的辐射总剂量参数轨道远地点近地点地球同步卫星轨道全球定位卫星轨道低

6、地轨道—气象保护卫星轨道空间辐射来自宇宙射线太阳耀斑以及围绕地球的内外范艾伦辐射带此外还有太阳风极光辐射太阳射线以及频谱范围较宽的电磁辐射它主要由高能质子高能电子射线中子射线等组成辐射作用于电子设备可对其性能产生不同程度的影响甚至使其失效其中电子设备的基本组成半导体和微电子学器件是辐射最敏感也是最薄弱的环节因此开展电子器件抗辐射加固技术的研究努力提高电子器件在空间辐射环境下的生存能力和可靠性确保电子设备在空间辐射环境下正常工作对于空间技术的发展具有重要的意义空间辐射环境主要以三种方式影响集成电路第一种方式是总剂量效应当电子

7、电路暴露于动荡的电离辐射环境中随着时间的积累而改变器件的特性这是一种永久性的效应还有两种影响21前言方式是瞬态的现象即单粒子翻转效应和单粒子闩锁效应对于太空应用的抗辐射电子器件传统的方法都是从特殊的抗辐射工艺线上获得在过去辐射加固工艺线已经为许多太空系统提供了抗辐射加固器件毫无疑问半导体微电子技术正是由于军用和太空应用的推动而发展起来的在二十世纪六十年代美国的国防电子产品占整个电子工业的但是随着商业工艺技术的快速发展现在美国整个电子工业产品总值达亿美元而国防电子产品仅占在现代化大生产中产品的需求决定着成本的高低然而失去市场

8、推动力的这种特殊的加固工艺线的生产流程却更复杂成品率更低导致成本居高不下产品的更新换代速度很慢所以它为太空系统提供的产品的电学性能大大落后于同一时代的商业产品因此采用工艺加固的抗辐射电子器件处于研制成本高而性能落后的困境值得庆幸的是随着工艺的发展商业器件的耐辐射能力逐渐提高使得我们有可能对专用集成电路从