本書完整地涵蓋了先進半導體的電離輻射效應，深入探討了抗輻射加固技術。首先介紹輻射效應的重要背景知識、物理機制、仿真輻射輸運的蒙特卡羅技術和電子器件的輻射效應。重點闡述以下內容：商用數字集成電路的輻射效應，包括微處理器、易失性存儲器（SRAM和DRAM）和快閃存儲器；數字電路、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和混合模擬電路中的軟錯誤效應、總劑量效應、位移損傷效應和設計加固解決方案；纖維光學和成像器件（包括CMOS圖像傳感器和電荷耦合器件CCD）的輻射效應。
Marta Bagatin 畢業(yè)于意大利帕多瓦大學，2006年獲得電子工程專業(yè)學士學位，2010年獲得信息科學與技術專業(yè)博士學位。她目前作為博士后，就職于意大利帕多瓦大學信息工程系。她的研究興趣主要是電子器件的輻射效應和可靠性，特別關注非易失半導體存儲器。在輻射效應和可靠性領域，Marta以第一作者或共同作者身份在國際期刊上發(fā)表論文約40篇，在國際會議上發(fā)表論文約50篇，撰寫過兩部專著的部分章節(jié)。她還經常作為核與空間輻射效應會議（NSREC）以及器件與系統(tǒng)的輻射效應會議（RADECS）等國際會議的委員，也是諸多學術期刊的審稿人。 Simone Gerardin 畢業(yè)于意大利帕多瓦大學，2003年獲得電子工程專業(yè)學士學位，2007年獲得電子和電信工程專業(yè)博士學位。他目前是意大利帕多瓦大學的助理教授。他的研究聚焦于先進CMOS工藝中電離輻射引起的軟錯誤和硬錯誤，以及它們與器件老化和ESD的相互作用。Simone在國際期刊上以第一作者或共同作者身份發(fā)表論文超過60篇，發(fā)表會議論文60余篇，撰寫過三部專著的部分章節(jié)，在輻射效應國際會議上做過兩次專題講座（Tutorial）。他目前是IEEE Transactions on Nuclear Science期刊副主編，作為諸多學術期刊的審稿人，還擔任輻射效應領導小組的代表委員。
畢津順，博士生導師，貴州師范大學教授，中國科學院微電子研究所特聘研究員，中國科學院大學崗位教授。主要從事半導體器件和集成電路輻射效應、抗輻射加固技術及應用研究。主持國防創(chuàng)新項目、預研項目、自然基金重點項目和面上項目10余項，參與國家重大科技專項、國家自然基金創(chuàng)新研究群體項目、自然科學基金委–中國科學院大科學裝置科學研究聯(lián)合基金項目和中科院國際合作項目等20余項。已出版譯著兩部，發(fā)表各類學術論文180余篇，申請專利共計80余項。
目 錄
第1章 電子器件輻射效應介紹 1
1.1 引言 1
1.2 輻射效應 1
1.2.1 空間 1
1.2.2 地球環(huán)境 3
1.2.3 人造輻射 4
1.3 電離總劑量效應 4
1.3.1 金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET) 6
1.3.2 雙極器件 8
1.4 位移損傷 10
1.5 單粒子效應 12
SRAM中的單粒子翻轉 14
1.6 小結 16
參考文獻 16
第2章 輻射效應的蒙特卡羅仿真 18
2.1 引言 18
2.2 蒙特卡羅方法簡史 18
2.3 蒙特卡羅方法的定義 20
2.4 蒙特卡羅方法模擬半導體器件輻射效應的研究 20
2.4.1 單粒子效應 21
2.4.2 總劑量效應 22
2.4.3 位移損傷劑量效應 23
2.5 輻射輸運的蒙特卡羅仿真 24
2.5.1 蒙特卡羅方法輻射輸運和相互作用的定義 24
2.5.2 需要考慮的粒子和相互作用 24
2.5.3 電子輸運：簡史和截止能量 25
2.5.4 方差減小技術 27
2.5.5 輻射輸運蒙特卡羅仿真應用總結 28
2.6 蒙特卡羅工具示例 28
2.6.1 蒙特卡羅N粒子輸運碼 28
2.6.2 Geant4 29
2.6.3 FLUKA 29
2.6.4 粒子和重離子輸運碼系統(tǒng)(PHITS) 29
2.7 小結 29
參考文獻 30
第3章 10 nm級CMOS工藝制程SRAM多翻轉的完整指南 35
3.1 引言 35
3.2 實驗裝置 36
3.2.1 計數多翻轉的測試算法的重要性 36
3.2.2 測試設施 37
3.2.3 測試器件 38
3.3 實驗結果 39
3.3.1 MCU與輻射源的關系 40
3.3.2 MCU和阱工藝的關系：三阱的采用 40
3.3.3 MCU與重離子實驗中入射角的關系 42
3.3.4 MCU與工藝特征尺寸的關系 42
3.3.5 MCU與設計的關系：阱接觸密度 43
3.3.6 MCU與電源電壓的關系 43
3.3.7 MCU與溫度的關系 44
3.3.8 MCU與位單元架構的關系 44
3.3.9 MCU與測試位置(LANSCE和TRIUMF)的關系 46
3.3.10 MCU與襯底的關系：體硅和絕緣體上硅 47
3.3.11 MCU與測試數據的關系 47
3.4 MCU發(fā)生的3D TCAD建模 47
3.4.1 有三阱工藝中的雙極效應 49
3.4.2 針對先進工藝優(yōu)化敏感區(qū)域 51
3.5 一般性結論：影響MCU敏感度因素的排序 54
3.5.1 SEE敏感區(qū)域版圖 55
附錄3A 55
參考文獻 56
第4章 動態(tài)隨機存取存儲器中的輻射效應 60
4.1 引言 60
4.2 動態(tài)隨機存儲器基礎 61
4.2.1 工作原理 61
4.2.2 動態(tài)隨機存儲器的類型 63
4.3 輻照效應 63
4.3.1 單粒子效應(SEE) 63
4.3.2 總劑量效應 70
4.4 小結 72
參考文獻 72
第5章 閃存中的輻射效應 76
5.1 引言 76
5.2 浮柵技術 76
5.3 浮柵單元的輻照效應 78
5.3.1 總劑量輻照引起的位錯誤 79
5.3.2 單粒子效應引起的位錯誤 80
5.4 外圍電路中的輻照效應 83
5.4.1 電離總劑量效應 84
5.4.2 單粒子效應 84
5.5 小結 85
參考文獻 86
第6章 微處理器的輻射效應 91
6.1 引言 91
6.1.1 軟錯誤機制與作用電路 91
6.1.2 章節(jié)概述與結構 92
6.2 微處理器結構 94
6.2.1 流水線、隨機狀態(tài)和結構狀態(tài) 94
6.2.2 時鐘分布和I/O 97
6.2.3 SoC電路 98
6.3 微處理器常見輻射效應 98
6.4 微處理器中的單粒子效應 99
6.4.1 緩存中的單粒子效應 99
6.4.2 寄存器中的單粒子效應 104
6.4.3 流水線和執(zhí)行單元中的單粒子效應 105
6.4.4 頻率相關性 107
6.4.5 溫度效應 109
6.5 專題討論 110
6.5.1 SEE測試中的激勵源設計 110
6.5.2 利用最敏感組件探測SEE 110
6.5.3 片上網絡和通信 111
6.5.4 微處理器中的多位翻轉(MBU)和角度效應 112
6.5.5 加固微處理器的輻射響應行為 113
6.5.6 復雜系統(tǒng)的測試 114
6.5.7 評估系統(tǒng)響應 114
6.6 小結 115
參考文獻 115
第7章 鎖存器和觸發(fā)器的軟錯誤加固設計 119
7.1 引言 119
7.1.1 未加固的鎖存器和觸發(fā)器 119
7.1.2 單粒子翻轉的機制 121
7.1.3 工藝加固 123
7.2 鎖存器和觸發(fā)器的軟錯誤電路加固設計技術 124
7.2.1 電路冗余技術 124
7.2.2 時間冗余技術 126
7.2.3 綜合加固策略 127
7.2.4 延遲單元電路 133
7.2.5 分類和比較 135
7.3 電路級加固分析技術 136
7.3.1 電路仿真建模 136
7.3.2 多節(jié)點電荷收集(MNCC)的加固技術 138
7.4 小結 148
參考文獻 149
第8章 利用三模冗余電路保證SRAM型FPGA加固效果 152
8.1 引言 152
8.2 FPGA中單粒子翻轉(SEU)和多單元翻轉(MCU)數據概述 153
8.3 受TMR保護的FPGA電路 157
8.3.1 電路設計問題 157
8.3.2 條件約束問題 158
8.3.3 電路結構問題 158
8.4 跨域錯誤(DCE) 159
8.4.1 測試方法和設置 159
8.4.2 錯誤注入和加速器測試結果 161
8.4.3 結果與討論 162
8.4.4 DCE的概率 165
8.5 SBU與MCU的探測及設計難題 166
8.5.1 相關工作 167
8.5.2 STARC概述 168
8.5.3 案例研究：面積約束下優(yōu)化可靠性 170
8.6 小結 171
參考文獻 171
第9章 模擬與混合信號集成電路的單粒子加固技術 175
9.1 引言 175
9.2 電荷收集減少 176
9.2.1 襯底工程 176
9.2.2 版圖加固技術 177
9.3 臨界電荷減少 182
9.3.1 冗余技術 182
9.3.2 平均技術(模擬冗余技術) 183
9.3.3 電阻去耦技術 183
9.3.4 電阻電容(RC)濾波技術 185
9.3.5 帶寬、增益、工作速度和電流驅動能力的優(yōu)化技術 186
9.3.6 差錯貢獻窗口減小 188
9.3.7 高阻抗節(jié)點減少 190
9.3.8 電荷共享加固技術 190
9.3.9 節(jié)點分離加固技術 192
9.4 小結 195
參考文獻 196
第10章 混合工藝像素、時間不變前端電路CMOS 單片傳感器：電離總劑量效應和
體損傷研究 202
10.1 引言 202
10.2 帶電粒子追蹤用CMOS單片傳感器 203
10.3 130 nm三阱CMOS工藝N型深阱單片有源像素傳感器 203
10.3.1 被試器件和輻照過程描述 204
10.3.2 電離總劑量效應 205
10.4 180 nm CMOS工藝四阱單片有源像素傳感器 211
10.4.1 被試器件和輻照過程描述 211
10.4.2 電離總劑量效應 212
10.5 混合工藝像素單片有源傳感器的位移損傷 216
10.6 小結 220
致謝 220
參考文獻 220
第11章 CMOS圖像傳感器輻射效應 223
11.1 引言 223
11.1.1 背景 223
11.1.2 APS、CIS和單片有源像素傳感器(MAPS) 223
11.1.3 輻射效應基本知識 224
11.2 CMOS圖像傳感器(CIS)介紹 224
11.2.1 CMOS圖像傳感器(CIS)技術綜述 224
11.2.2 與輻射效應相關的重要CIS概念 228
11.3 單粒子效應 233
11.4 外圍電路的累積輻射效應 234
11.5 像素的累積輻射效應 235
11.5.1 電離總劑量效應 235
11.5.2 位移損傷效應 241
11.6 小結 245
參考文獻 245
第12章 CCD器件的自然輻射效應 256
12.1 引言 256
12.2 CCD器件的單粒子效應 256
12.2.1 CCD器件的輻射效應 256
12.2.2 CCD輻射探測儀 257
12.3 CCD自然輻射效應：案例分析 259
12.3.1 實驗裝置 260
12.3.2 實驗結果 260
12.3.3 模擬和仿真 264
12.3.4 航空高度的仿真驗證 266
12.4 小結 269
致謝 269
參考文獻 269
第13章 光纖和光纖傳感器的輻射效應 273
13.1 引言 273
13.2 光纖主要輻射效應 273
13.2.1 輻射誘生點缺陷和結構變化 274
13.2.2 輻射誘生衰減(RIA) 275
13.2.3 輻射誘生發(fā)射(RIE) 275
13.2.4 壓縮和輻射誘發(fā)折射率變化 276
13.3 影響光纖輻射響應的內部與外部參數 276
13.3.1 光纖有關的參數 276
13.3.2 外部參數 278
13.4 主要應用和挑戰(zhàn) 279
13.4.1 對于光纖 279
13.4.2 對于光纖傳感器 280
13.5 從零到系統(tǒng)級的多尺度仿真：最新進展 282
13.6 小結 284
參考文獻 284
縮略語 293
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