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《质子和中子引起的单粒子效应及其等效关系理论模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第35卷第6期原子能科学技术Vol.35,No.62001年11月AtomicEnergyScienceandTechnologyNov.2001文章编号:100026931(2001)0620490206质子和中子引起的单粒子效应及其等效关系理论模拟杨海亮,李国政,李原春,姜景和,贺朝会,唐本奇(西北核技术研究所,陕西西安 710024)摘要:根据器件几何尺寸、掺杂浓度、偏压等因素确定灵敏体积和临界电荷,从而提出单粒子效应的物理模型。考虑了质子和中子在硅中的弹性散射、非弹性散射、两体反应、多体
2、反应以及质子的库仑散射等所有相互作用类型,采用蒙特卡罗方法模拟跟踪入射粒子与核的相互作用以及各种次级带电粒子和反冲核的能量沉积过程。采用Ziegler的拟合公式精确计算质子、α粒子、氘核、反冲核等带电离子的能量沉积。根据模拟结果确定了两种粒子引起的单粒子效应等效系数,并将模拟结果与实验数据进行了对比。关键词:质子;中子;单粒子效应;蒙特卡罗方法中图分类号:TL84文献标识码:A宇宙射线中的高能质子入射到卫星和航天器中的半导体器件会引起单粒子效应(SingleEventEffect,简称SEE)。
3、这些高能质子进入大气层后与氮和氧等原子发生核反应产生中子[1,2]入射到飞机内部也会引起单粒子效应。国外从70年代末开始进行这方面的研究,国内从[3]80年代开始了这方面的研究工作,但对质子和中子引起的单粒子效应是分别进行研究的。[3]以前的研究结果和初步理论分析认为,这两种粒子引起的单粒子效应可能存在一定的等效关系。本工作采用蒙特卡罗方法模拟两种粒子引起的单粒子效应及其等效关系。1 物理模型111 基本原理中子入射到靶物质中主要与原子核发生相互作用,在靶物质中的射程较长。能量大于几十MeV的入
4、射质子主要通过与靶原子核外电子的非弹性碰撞损失能量,发生核相互作用的概率很小,其射程与中子相比小得多。二者与物质的相互作用机理虽相差很大,但它们在大规收稿日期:2000207231;修回日期:2001202205作者简介:杨海亮(1968—),男,山东诸城人,工程师,在读博士研究生,核技术及应用专业第6期 杨海亮等:质子和中子引起的单粒子效应及其等效关系理论模拟491模集成电路中引起单粒子效应的物理过程却是相同的。这是因为:质子虽然能够直接在物质中引起电离产生电子空穴对,但由于其LET值较小而
5、不能导致单粒子效应,只有当它与核发生相互作用产生α粒子、反冲核等较重的带电粒子时才能引起单粒子效应;而中子也是靠与核相互作用所产生的较重带电粒子才引起单粒子效应的。大规模集成电路中引起单粒子效应的单元结构基本相同。粒子入射到灵敏体积或其周围区域,与构成器件的半导体材料发生核相互作用产生α粒子、d核和Na、Mg、Al等反冲核,它们在灵敏体积中电离出大量的电荷,经过漂移和扩散被漏极收集。当收集的电荷大于电路维持“1”(或“0”)所需的临界电荷时,该单元发生翻转,所存储的数据由“1”(或“0”)变为“
6、0”(或“1”)。可见,这两种粒子引起单粒子效应的物理过程是相同的。112 物理模型SRAM器件由大量完全相同的单元构成,每个单元的结构完全相同且在器件中的排列是对称的。为提高效率,在模拟过程中仅选取一个存储单元,通过对该存储单元进行处理得到入射粒子在该单元中引起的翻转数,从而计算位翻转截面,将结果乘以器件的总单元数,即可得到器件翻转截面。每个存储单元有两个灵敏体积,它们的物理结构参数不同,必须对这两个灵敏体积分别处理。在模拟过程中,粒子入射哪个灵敏体积根据其大小用随机抽样方法确定。++模拟过程
7、中必须考虑三部分体积(图1):P(或N)结、灵敏体积和灵敏体积外侧相关部分。外侧相关部分的宽度Lt根据核相互作用后出射带电粒子的射程确定,即处于该部分内的粒子能够射入灵敏体积内部而引起单粒子翻转。灵敏体积是指漏极反偏PN结的结区(即空间电荷区),根据掺杂浓度、反偏电压等参数可确定其宽度,再根据结的几何尺寸确定出灵敏体积及其表面积S。由空间电荷区的结电容和表面积S确定引起单粒子翻转所需的临界电荷为:1/2NDNAKBTNDNAQc=2εsε0qln2+VRS(1)ND+NAqni图1 蒙特卡罗模拟
8、过程中考虑的三部分体积、核相互作用和带电粒子能量沉积及电荷收集过程示意图Fig.1ThediagrammaticsketchofthreezoneconsideredinthecourseofMonte2Carlosimulation,nuclearreaction,energydepositionofchargedparticleandchargecollectionprocess+(或N+)结宽度;L+(或N+)结深;LLb———Pd———Pj———反偏PN结区厚度;Lt———灵敏体积外侧宽
