抗辐射集成电路设计理论与方法PDF电子书下载

第1章 辐射环境介绍 1

1.1 空间辐射环境 1

1.1.1 背景知识 1

1.1.2 高能离子 3

1.1.3 俘获电子 4

1.1.4 俘获质子 5

1.1.5 太阳宇宙射线 5

1.1.6 银河宇宙射线 6

1.2 高能物理辐射环境 7

1.3 核辐射环境 7

1.3.1 核爆炸辐射环境 8

1.3.2 核反应堆辐射环境 9

1.4 地面辐射环境 10

1.4.1 大气辐射环境 10

1.4.2 地辐射环境 11

1.5 本章小结 12

参考文献 12

第2章 辐射相互作用物理过程 14

2.1 半导体材料中辐射的相互作用 15

2.1.1 简介 15

2.1.2 电磁相互作用 17

2.1.3 强子的相互作用 25

2.1.4 弱相互作用 27

2.1.5 相互作用的过程 28

2.2 辐射输运 31

2.2.1 玻尔兹曼传输方程 32

2.2.2 计算技术 33

2.2.3 辐射输运仿真工具介绍 34

2.3 应用实例 37

2.3.1 地球轨道电子环境 37

2.3.2 木星的辐射环境 37

2.3.3 行星环境 39

2.3.4 单粒子效应和轨道结构的详细建模 39

2.3.5 趋势 41

2.4 本章小结 42

参考文献 42

第3章 电离总剂量效应 47

3.1 概述 47

3.2 电离总剂量 48

3.2.1 电离损伤概述 48

3.2.2 氧化物俘获电荷 50

3.2.3 界面态陷阱 52

3.2.4 MOS器件中的1/f噪声 54

3.3 深亚微米工艺的辐射效应 55

3.3.1 超小尺寸体硅CMOS工艺 55

3.3.2 全耗尽型SOI的总剂量效应 60

3.3.3 超薄氧化物 62

3.3.4 高k电介质 64

3.4 亚100nm CMOS工艺下的总剂量效应 66

3.4.1 概述 66

3.4.2 实验详情 66

3.4.3 尺寸缩小对截止态电流的影响 66

3.4.4 同一工艺节点上不同工艺类型的截止态电流 67

3.5 本章小结 72

参考文献 73

第4章 位移损伤效应 77

4.1 背景信息 77

4.1.1 早期的位移损伤效应研究 77

4.1.2 位移损伤机制及效应的定性概述 77

4.2 一致位移损伤效应 79

4.3 非一致位移损伤效应 81

4.4 位移损伤退火 82

4.4.1 注入退火 82

4.4.2 短期退火 82

4.4.3 长期退火 85

4.5 非电离能量损失和损伤相关性 85

4.5.1 非电离能量损失率概念 85

4.5.2 器件行为的NIEL相关性 86

4.5.3 NIEL计算的进一步发展 89

4.5.4 NIEL的使用约束 89

4.6 位移损伤的演变和趋势 91

4.7 本章小结 93

参考文献 93

第5章 单粒子效应 99

5.1 单粒子效应概述 99

5.1.1 硅半导体中的单粒子效应产生原理 99

5.1.2 专有名词 100

5.1.3 存储器中的单粒子翻转机制 101

5.1.4 数字电路中的单粒子效应机制 103

5.2 新型器件和电路的发展趋势 105

5.2.1 半导体发展路线图 105

5.2.2 现代工艺中的缩小效应 107

5.3 本底辐射的敏感度增强效应 114

5.3.1 低能质子 114

5.3.2 大气μ子 115

5.3.3 低α材料问题 118

5.4 新兴器件和相关机制 120

5.4.1 绝缘体硅工艺 120

5.4.2 多栅极器件 123

5.4.3 体硅和绝缘体硅FinFET晶体管 125

5.4.4 具有独立栅极的多栅极和多沟道器件 127

5.4.5 Ⅲ-Ⅴ族FinFET和隧道场效应管 128

5.4.6 无结器件 131

5.5 三维集成 133

5.6 本章小结 135

参考文献 136

第6章 单粒子闩锁机制加固策略及测试方法 141

6.1 闩锁机制 141

6.2 闩锁加固策略 143

6.3 电气闩锁测试 144

6.4 单粒子闩锁测试 145

6.4.1 单个粒子诱发闩锁测试 145

6.4.2 脉冲激光诱发闩锁测试 148

6.5 单粒子闩锁加固策略有效性 150

6.6 本章小结 152

参考文献 152

第7章 辐射加固器件的SPICE模型 155

7.1 环栅版图晶体管介绍 155

7.2 环栅版图晶体管建模技术 156

7.2.1 宽长比 156

7.2.2 输出电阻 157

7.2.3 电容 158

7.2.4 仿真方法 159

7.3 实验结果及讨论 159

7.3.1 矩形晶体管比较 160

7.3.2 环栅版图晶体管比较 160

7.3.3 梯形晶体管比较 163

7.4 其他加固器件的建模 164

7.5 本章小结 164

参考文献 165

第8章 抗辐射单元库设计 166

8.1 组合逻辑加固 166

8.1.1 单粒子闩锁加固 167

8.1.2 总剂量加固 167

8.1.3 总体加固影响 168

8.2 组合单元优化 168

8.2.1 晶体管尺寸的限制 168

8.2.2 手动布局改进 169

8.2.3 自动布局布线改进 169

8.3 触发器加固 170

8.3.1 传统时间冗余加固 171

8.3.2 传统三模冗余加固 172

8.3.3 高速三模冗余加固 172

8.3.4 功耗和延迟比较 176

8.3.5 辐射测试 177

8.4 存储器单元加固 178

8.4.1 6管存储单元 178

8.4.2 HIT存储单元 180

8.4.3 DICE存储单元 181

8.4.4 10管存储单元 182

8.4.5 几种抗辐射加固单元的性能对比 182

8.5 单元库参数提取 184

8.5.1 抽象生成 185

8.5.2 单元提取 185

8.5.3 单元库特性 185

8.5.4 单元库文件提取实例 185

8.6 本章小结 186

参考文献 187

第9章 自动综合的抗辐射数字电路设计 188

9.1 自定义CAD工具 188

9.2 综合 189

9.3 布局 190

9.4 三模冗余 191

9.4.1 布图规划解析 191

9.4.2 网表解析 192

9.4.3 布局解析 192

9.5 布线 193

9.6 时序分析和验证 194

9.7 片外逻辑接口 194

9.8 片上逻辑接口 195

9.9 芯片接口实例 195

9.9.1 双模冗余接口 196

9.9.2 高速缓存接口 197

9.10 双模冗余嵌入式处理器设计实例 197

9.11 本章小结 199

参考文献 201

第10章 模拟和混合信号电路加固设计 202

10.1 模拟和混合信号电路的单粒子效应 202

10.1.1 单粒子机制 202

10.1.2 模拟单粒子瞬态 204

10.1.3 运算放大器的单粒子效应 206

10.2 偏置相关的单粒子效应模型 208

10.3 电荷共享加固设计方法 211

10.3.1 差分电荷消除版图 211

10.3.2 敏感节点有源电荷消除 213

10.4 节点分裂加固设计方法 216

10.4.1 开关电容电路加固方法 216

10.4.2 运算放大器加固方法 219

10.5 本章小结 223

参考文献 223

第11章 集成电路辐射效应仿真 226

11.1 单粒子效应建模和仿真问题 226

11.1.1 器件级建模方法 227

11.1.2 电路级建模方法 228

11.1.3 蒙特卡罗仿真工具 231

11.2 单粒子效应仿真实例 235

11.2.1 设计仿真电路模型 236

11.2.2 SRAM三维建模：Gds2Mesh 237

11.2.3 查看结果 242

11.3 总剂量效应仿真 245

11.3.1 概述 245

11.3.2 方法 245

11.4 位移损伤仿真 249

11.5 本章小结 250

参考文献 250

第12章 单粒子效应的脉冲激光测试原理 253

12.1 概述 253

12.2 激光测试技术基础 254

12.2.1 激光测试技术的分类 254

12.2.2 激光产生率建模 254

12.2.3 激光与重离子产生率的对比 255

12.3 用于集成电路测试的脉冲激光系统 257

12.3.1 激光测试的基本原理 257

12.3.2 实验平台 257

12.3.3 自动化测试 258

12.3.4 其他系统 258

12.4 激光系统的应用举例 259

12.4.1 单粒子翻转激光截面 260

12.4.2 商业SRAM芯片的激光测试方法 261

12.4.3 双光子吸收诱发载流子的激光单粒子效应测试 265

12.5 本章小结 266

参考文献 266

第13章 辐射加固保障测试 268

13.1 实验室辐射源 268

13.1.1 总剂量辐射源 268

13.1.2 单粒子效应粒子加速器 269

13.1.3 辐射源的选择 270

13.2 总剂量辐射加固保障测试 270

13.2.1 总剂量辐射加固保障测试方法 270

13.2.2 剂量率增强效应 272

13.2.3 辐射前升温应力（老化）效应 274

13.2.4 辐射保障测试的最佳实验室源 276

13.2.5 最坏情况偏置 279

13.2.6 测试温度的影响 281

13.3 单粒子效应辐射加固保障测试 284

13.3.1 简介 284

13.3.2 单粒子翻转 284

13.3.3 单粒子闩锁 292

13.3.4 单粒子烧毁和单粒子栅穿 296

13.4 本章小结 299

参考文献 299

附录A 306