本书完整地涵盖了先进半导体的电离辐射效应，深入探讨了抗辐射加固技术。首先介绍辐射效应的重要背景知识、物理机制、仿真辐射输运的蒙特卡罗技术和电子器件的辐射效应。重点阐述以下内容：商用数字集成电路的辐射效应，包括微处理器、易失性存储器（SRAM和DRAM）和快闪存储器；数字电路、现场可编程门阵列（FPGA）和混合模拟电路中的软错误效应、总剂量效应、位移损伤效应和设计加固解决方案；纤维光学和成像器件（包括CMOS图像传感器和电荷耦合器件CCD）的辐射效应。

中文版序(译文) 当得知我们的专著将会被翻译成中文版时，我们感到非常荣幸。我们在电子器件可靠性和辐射效应领域的研究已经超过了15年。在这段时期内，我们见证了中国在该领域研究的迅猛发展。许多中国的实验室和学者从默默无闻走向国际舞台，成为推动电子器件和系统辐射效应科技进步的重要贡献者。我们与其中的一些机构和学者建立了学术联系和深厚的友谊。我们特别要提到丁李利博士、毕津顺博士、李博博士和于庆奎教授。他们曾多次参观过我们的研究所，与我们一起组织研讨会、开设课程，并就共同的科研活动进行富有成果的讨论与沟通。中文版译著将会吸引更多优秀的中国学者进入该领域，帮助中国工程师和专业人员加深对电子器件设计的辐射加固的理解。因此我们非常欢迎译著的出版。 本书的各章由工业界和学术界辐射效应领域的顶级专家所撰写。其目的是为了涵盖电子器件和系统电离辐射效应相关的主要问题。本书覆盖了影响电子器件的全部三类辐射效应，即电离总剂量效应、单粒子效应和位移损伤，涉及大量的元器件和地球、太空与高能物理等不同的辐射环境。本书向读者介绍了辐射效应，阐明了在海平面高度和太空中电离辐射所引起的电子器件功能异常问题，提出了针对系列应用的先进加固技术。 本书提供了坚实的理论基础，同时针对芯片设计的特定需求具有可操作性。诸多实例和案例学习使得读者接触到大量器件的辐射效应问题。除了分析商用器件的辐射效应，本书还提供了针对定制芯片的设计加固解决方案。每一章都自成体系，可以根据特定需求来选择阅读。每章结尾处均附有大量的参考文献，有助于对特定方向进行深入研究。 无论对于新人还是辐射效应专家，本书都是有意义的。对于新人，本书有助于其熟悉软错误和辐射效应；对于辐射效应专家，本书提供了大量器件和效应的最新研究资料。 第1章介绍了辐射效应及其机制。第2章采用蒙特卡罗技术，涵盖了辐射输运的基本知识和单粒子效应仿真。然后阐述了大多数通用数字电路的辐射效应，包括SRAM、DRAM、闪存和微处理器(第3～6章)。在这几章之后，讨论了数字电路和FPGA的加固设计技术(第７、８章)。接下来，通过像素探测器读出电子学的案例学习，阐述了模拟混合电路(第９、10章)。最后三章(第11～13章)研究成像器件(主要是CMOS传感器)和光纤光子学的电离辐射效应。 除了每章的作者外，我们要特别感谢几位同人，包括毕津顺博士和李博博士(中国科学院微电子研究所，北京)、丁李利博士(西北核技术研究所，西安)和于庆奎教授(中国空间技术研究院，北京)。他们将原著内容完整地翻译成中文。我们非常感谢他们的努力和支持。 最后，我们向所有中国读者们致谢，希望你们能够在本书中发掘到有用的信息。 Marta Bagatin(意大利帕多瓦大学) Simone Gerardin(意大利帕多瓦大学) 前 言 有一个隐形的敌人，无时无刻不影响着电子器件的正常工作，它就是电离辐射。从海平面到外太空，电离辐射几乎无处不在。在海平面，甚至在飞行高度，宇宙射线与大气层相互作用产生大气中子，大气中子一直在轰击着电子器件。芯片材料中放射性沾污释放出的? 粒子则是地球环境应用的另一种主要威胁。在太空中，由于辐射带、太阳活动和银河宇宙射线，质子、电子和重离子等高能粒子轰击着卫星和宇宙飞船。最后，人造的辐射环境，例如核电站或高能物理实验，也会使得电子器件接受大量的极端辐射。 根据辐射和被入射器件的类型和特性，可能产生不同的效应，包括不可恢复的(硬)效应和可恢复的(软)效应。单粒子效应是随机事件，是由单个粒子入射器件所引起的。如果在器件敏感区淀积足够高的能量，就可能发生不同类型的功能异常，包括从存储位中所存储信息的破坏到功率MOSFET破坏性的烧毁等。 在其他情况下，长时间接受电离辐射时一些粒子引起的损伤逐渐累积，使得电子器件的参数发生漂移(例如，阈值电压漂移或者功耗增加)。第二类效应包括介质层的损伤(电离总剂量)或者半导体材料损伤(位移损伤)。也可能会发生退火效应，引起器件恢复或者器件退化更加严重。 通常利用加速的地面实验来测试电子器件的辐射响应。采用放射源或者粒子加速器，使得工程师能够在几小时的时间内，模拟电子器件在恶劣辐射环境中工作几年的情况。 为了研发适合的抗辐射技术，学习和了解电子器件辐射效应的物理机制至关重要。就剂量率和粒子能量而言，地面上的测试仅能部分复现空间辐射的谱段和特性。此外，由于先进工艺越来越复杂，波动越来越大，与辐射测试相关的成本一直在增加。所以，需要深入了解基本的机制，从而更好、更有效地利用束流时间。 本书目的在于让读者广泛了解现代半导体器件的电离辐射效应和加固方案。本书的作者们是电离辐射效应领域的顶尖科学家，他们来自工业界、研究实验室和学术界。书中提供了很多背景材料、案例研究和最新的参考文献，适合初学者，方便他们熟悉辐射效应；也适合辐射专家，方便他们学习更先进的材料。 本书架构如下：前两章介绍辐射效应的背景知识和物理机制，以及采用蒙特卡罗技术仿真辐射输运和电子器件的辐射效应。接下来一系列章节阐述了现代数字商用器件，包括易失和非易失存储器(SRAM、DRAM和闪存)，以及微处理器。后续章节讨论了数字电路、FPGA和模拟混合电路中的设计加固技术，包含了高能物理应用中的像素探测器读出电路的案例研究。最后三章介绍了成像器件(CMOS传感器和CCD)和光纤的辐射效应。

目 录 第1章 电子器件辐射效应介绍 1 1.1 引言 1 1.2 辐射效应 1 1.2.1 空间 1 1.2.2 地球环境 3 1.2.3 人造辐射 4 1.3 电离总剂量效应 4 1.3.1 金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET) 6 1.3.2 双极器件 8 1.4 位移损伤 10 1.5 单粒子效应 12 SRAM中的单粒子翻转 14 1.6 小结 16 参考文献 16 第2章 辐射效应的蒙特卡罗仿真 18 2.1 引言 18 2.2 蒙特卡罗方法简史 18 2.3 蒙特卡罗方法的定义 20 2.4 蒙特卡罗方法模拟半导体器件辐射效应的研究 20 2.4.1 单粒子效应 21 2.4.2 总剂量效应 22 2.4.3 位移损伤剂量效应 23 2.5 辐射输运的蒙特卡罗仿真 24 2.5.1 蒙特卡罗方法辐射输运和相互作用的定义 24 2.5.2 需要考虑的粒子和相互作用 24 2.5.3 电子输运：简史和截止能量 25 2.5.4 方差减小技术 27 2.5.5 辐射输运蒙特卡罗仿真应用总结 28 2.6 蒙特卡罗工具示例 28 2.6.1 蒙特卡罗N粒子输运码 28 2.6.2 Geant4 29 2.6.3 FLUKA 29 2.6.4 粒子和重离子输运码系统(PHITS) 29 2.7 小结 29 参考文献 30 第3章 10 nm级CMOS工艺制程SRAM多翻转的完整指南 35 3.1 引言 35 3.2 实验装置 36 3.2.1 计数多翻转的测试算法的重要性 36 3.2.2 测试设施 37 3.2.3 测试器件 38 3.3 实验结果 39 3.3.1 MCU与辐射源的关系 40 3.3.2 MCU和阱工艺的关系：三阱的采用 40 3.3.3 MCU与重离子实验中入射角的关系 42 3.3.4 MCU与工艺特征尺寸的关系 42 3.3.5 MCU与设计的关系：阱接触密度 43 3.3.6 MCU与电源电压的关系 43 3.3.7 MCU与温度的关系 44 3.3.8 MCU与位单元架构的关系 44 3.3.9 MCU与测试位置(LANSCE和TRIUMF)的关系 46 3.3.10 MCU与衬底的关系：体硅和绝缘体上硅 47 3.3.11 MCU与测试数据的关系 47 3.4 MCU发生的3D TCAD建模 47 3.4.1 有三阱工艺中的双极效应 49 3.4.2 针对先进工艺优化敏感区域 51 3.5 一般性结论：影响MCU敏感度因素的排序 54 3.5.1 SEE敏感区域版图 55 附录3A 55 参考文献 56 第4章 动态随机存取存储器中的辐射效应 60 4.1 引言 60 4.2 动态随机存储器基础 61 4.2.1 工作原理 61 4.2.2 动态随机存储器的类型 63 4.3 辐照效应 63 4.3.1 单粒子效应(SEE) 63 4.3.2 总剂量效应 70 4.4 小结 72 参考文献 72 第5章 闪存中的辐射效应 76 5.1 引言 76 5.2 浮栅技术 76 5.3 浮栅单元的辐照效应 78 5.3.1 总剂量辐照引起的位错误 79 5.3.2 单粒子效应引起的位错误 80 5.4 外围电路中的辐照效应 83 5.4.1 电离总剂量效应 84 5.4.2 单粒子效应 84 5.5 小结 85 参考文献 86 第6章 微处理器的辐射效应 91 6.1 引言 91 6.1.1 软错误机制与作用电路 91 6.1.2 章节概述与结构 92 6.2 微处理器结构 94 6.2.1 流水线、随机状态和结构状态 94 6.2.2 时钟分布和I/O 97 6.2.3 SoC电路 98 6.3 微处理器常见辐射效应 98 6.4 微处理器中的单粒子效应 99 6.4.1 缓存中的单粒子效应 99 6.4.2 寄存器中的单粒子效应 104 6.4.3 流水线和执行单元中的单粒子效应 105 6.4.4 频率相关性 107 6.4.5 温度效应 109 6.5 专题讨论 110 6.5.1 SEE测试中的激励源设计 110 6.5.2 利用最敏感组件探测SEE 110 6.5.3 片上网络和通信 111 6.5.4 微处理器中的多位翻转(MBU)和角度效应 112 6.5.5 加固微处理器的辐射响应行为 113 6.5.6 复杂系统的测试 114 6.5.7 评估系统响应 114 6.6 小结 115 参考文献 115 第7章 锁存器和触发器的软错误加固设计 119 7.1 引言 119 7.1.1 未加固的锁存器和触发器 119 7.1.2 单粒子翻转的机制 121 7.1.3 工艺加固 123 7.2 锁存器和触发器的软错误电路加固设计技术 124 7.2.1 电路冗余技术 124 7.2.2 时间冗余技术 126 7.2.3 综合加固策略 127 7.2.4 延迟单元电路 133 7.2.5 分类和比较 135 7.3 电路级加固分析技术 136 7.3.1 电路仿真建模 136 7.3.2 多节点电荷收集(MNCC)的加固技术 138 7.4 小结 148 参考文献 149 第8章 利用三模冗余电路保证SRAM型FPGA加固效果 152 8.1 引言 152 8.2 FPGA中单粒子翻转(SEU)和多单元翻转(MCU)数据概述 153 8.3 受TMR保护的FPGA电路 157 8.3.1 电路设计问题 157 8.3.2 条件约束问题 158 8.3.3 电路结构问题 158 8.4 跨域错误(DCE) 159 8.4.1 测试方法和设置 159 8.4.2 错误注入和加速器测试结果 161 8.4.3 结果与讨论 162 8.4.4 DCE的概率 165 8.5 SBU与MCU的探测及设计难题 166 8.5.1 相关工作 167 8.5.2 STARC概述 168 8.5.3 案例研究：面积约束下优化可靠性 170 8.6 小结 171 参考文献 171 第9章 模拟与混合信号集成电路的单粒子加固技术 175 9.1 引言 175 9.2 电荷收集减少 176 9.2.1 衬底工程 176 9.2.2 版图加固技术 177 9.3 临界电荷减少 182 9.3.1 冗余技术 182 9.3.2 平均技术(模拟冗余技术) 183 9.3.3 电阻去耦技术 183 9.3.4 电阻电容(RC)滤波技术 185 9.3.5 带宽、增益、工作速度和电流驱动能力的优化技术 186 9.3.6 差错贡献窗口减小 188 9.3.7 高阻抗节点减少 190 9.3.8 电荷共享加固技术 190 9.3.9 节点分离加固技术 192 9.4 小结 195 参考文献 196 第10章 混合工艺像素、时间不变前端电路CMOS 单片传感器：电离总剂量效应和 体损伤研究 202 10.1 引言 202 10.2 带电粒子追踪用CMOS单片传感器 203 10.3 130 nm三阱CMOS工艺N型深阱单片有源像素传感器 203 10.3.1 被试器件和辐照过程描述 204 10.3.2 电离总剂量效应 205 10.4 180 nm CMOS工艺四阱单片有源像素传感器 211 10.4.1 被试器件和辐照过程描述 211 10.4.2 电离总剂量效应 212 10.5 混合工艺像素单片有源传感器的位移损伤 216 10.6 小结 220 致谢 220 参考文献 220 第11章 CMOS图像传感器辐射效应 223 11.1 引言 223 11.1.1 背景 223 11.1.2 APS、CIS和单片有源像素传感器(MAPS) 223 11.1.3 辐射效应基本知识 224 11.2 CMOS图像传感器(CIS)介绍 224 11.2.1 CMOS图像传感器(CIS)技术综述 224 11.2.2 与辐射效应相关的重要CIS概念 228 11.3 单粒子效应 233 11.4 外围电路的累积辐射效应 234 11.5 像素的累积辐射效应 235 11.5.1 电离总剂量效应 235 11.5.2 位移损伤效应 241 11.6 小结 245 参考文献 245 第12章 CCD器件的自然辐射效应 256 12.1 引言 256 12.2 CCD器件的单粒子效应 256 12.2.1 CCD器件的辐射效应 256 12.2.2 CCD辐射探测仪 257 12.3 CCD自然辐射效应：案例分析 259 12.3.1 实验装置 260 12.3.2 实验结果 260 12.3.3 模拟和仿真 264 12.3.4 航空高度的仿真验证 266 12.4 小结 269 致谢 269 参考文献 269 第13章 光纤和光纤传感器的辐射效应 273 13.1 引言 273 13.2 光纤主要辐射效应 273 13.2.1 辐射诱生点缺陷和结构变化 274 13.2.2 辐射诱生衰减(RIA) 275 13.2.3 辐射诱生发射(RIE) 275 13.2.4 压缩和辐射诱发折射率变化 276 13.3 影响光纤辐射响应的内部与外部参数 276 13.3.1 光纤有关的参数 276 13.3.2 外部参数 278 13.4 主要应用和挑战 279 13.4.1 对于光纤 279 13.4.2 对于光纤传感器 280 13.5 从零到系统级的多尺度仿真：最新进展 282 13.6 小结 284 参考文献 284 缩略语 293