[发明专利]一种基于复合敏感体积模型的器件在轨单粒子翻转率预示方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于复合敏感体积模型的器件在轨单粒子翻转率预计方法，属于宇航用元器件抗辐射技术领域。

背景技术

存在于航天器运行空间的单个高能粒子与星载电子元器件发生相互作用，可能导致元器件产生单粒子效应，是诱发航天器故障的重要因素之一。地面粒子加速器无法产生与航天器运行轨道相同的带电粒子辐射环境。在轨翻转率预计方法，结合元器件地面模拟辐照试验数据和实际在轨经受辐射环境，实现对器件实际在轨发生单粒子翻转情况的预计，为星载电子器件的抗单粒子能力评估和加固工作提供重要依据。

目前的在轨翻转率预计方法基本建立在带电粒子入射产生的电子空穴对在器件的灵敏区内积累并被收集的电荷大于等于阈电荷（临界电荷）时发生翻转的理论基础上，对粒子入射到器件中后的电荷收集区域进行建模，称为敏感区（sensitive volume, SV），利用建立的敏感体积模型描述入射粒子引起的电荷沉积和收集，在此基础上通过与器件临界翻转电荷Qcrit的比较来判断是否发生翻转。

国外建立的在轨预计软件，如CRèME-MC、SPENVIS、Space Radiation等，均采用了基于RPP(Rectangular Parallelepiped，长方体)模型和基于IRPP(Integral Rectangular Parallelepiped)模型的在轨翻转率预计方法。其预计原理是，假设器件存储单元的敏感区为单一、有界的长方体，假设在该区域内入射粒子的电荷沉积以入射LET（Linear Energy Transfer，线性能量转移）表征，沉积电荷均可被有源区收集，其中敏感区尺寸参数在工程上可根据地面模拟试验数据获得。两种预计方法的区别在于，RPP模型假设器件具有单一的临界翻转电荷，IRPP模型假设器件不同存储单元间具有不同的临界翻转电荷。

随着宇航用元器件集成度提高，特征尺寸减小，现有预计方法主要存在以下问题：

（1）现有预计方法关于存在单一敏感体积（敏感体积尺寸由地面模拟辐照试验对应高LET粒子的试验数据确定）且沉积电荷全部被收集的简化假设，导致在低LET粒子对翻转贡献上做出过高估计。空间带电粒子的LET能谱在低LET范围的通量较高，这一点对LET翻转阈值较小的深亚微米器件会造成更大的预计误差。

（2）现有预计方法仅以LET表征入射粒子的电离作用，未考虑离子径迹载流子的空间分布。对高集成度的小特征尺寸器件，忽略粒子入射后产生的载流子空间分布对翻转的影响会造成更大的预计误差。

（3）现有预计方法的分析对象为一个逻辑单元，对高集成度器件存在敏感体积超过单元范围、相邻单元敏感体积发生重叠的情况，忽略了多电路节点电荷共享导致相邻单元同时发生翻转的情况。

由于器件单粒子效应的计算机数值模拟工具能够详细的反映器件工艺参数和结构对电荷收集的影响，需要结合器件单粒子效应仿真模拟手段，建立一种更为客观、准确的在轨翻转率预计方法，支持深亚微米器件的宇航应用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种在入射粒子电荷沉积和器件敏感体积建模等方面更加客观细化的在轨单粒子翻转率预示方法，提高宇航用元器件，尤其是高集成度、小特征尺寸的深亚微米器件的在轨翻转率预计准确性。 

本发明的技术解决方案是：利用粒子输运仿真手段，获取实际飞行轨道上器件经受的电荷沉积情况；结合器件逻辑单元的单粒子效应仿真模拟手段，获取器件逻辑单元的敏感参数，建立复合敏感体积模型，描述入射粒子沉积电荷被收集情况；在获得逻辑单元样本粒子翻转情况后，采用加权统计方法，最终获得器件在轨翻转率预计结果。

基于复合敏感体积模型的器件在轨翻转率预计的基本步骤是：

（1）提取器件单元电路结构，建立器件单元电路级物理模型，根据器件单元电路的单粒子翻转模拟仿真结果，针对各个敏感节点，提取敏感体积参数，包括对应不同敏感节点的临界翻转电荷Qcrit，各个敏感体积尺寸、相对位置及其敏感系数，建立器件单元的敏感体积模型。

（2）根据器件应用情况（飞行轨道、飞行周期、屏蔽情况等），计算器件在轨经受的粒子通量，抽取一个较大的随机粒子样本，利用Geant4软件仿真其中每个粒子入射器件的轨迹和电荷沉积情况；

（3）利用步骤（1）建立的敏感体积模型，统计粒子样本中每个粒子在敏感体积内被收集的电荷，判断该入射粒子是否引起了翻转，对粒子样本中各个粒子引起翻转的情况进行加权平均，获得器件在轨单粒子翻转率预计结果。