单粒子效应ppt
抗辐射技术调研
单粒子效应
抗辐射单元结构：
单粒子效应
抗辐射单元结构：
单粒子效应
抗辐射单元结构：
测试方法
美国军标对CMOS电路的功能正常判据有以下6条，超 过这些标准则判定为失效:
(l)N沟道阈值电压最小为0.3V，即Vtn>0.3V; (2)P沟道阈值电压最大为2.8V，即Vtp<2.8V; (3)阈值电压漂移△Vth<=1.4V (4)功耗电流Iss<=100倍的最大规范值; (5)传输延迟时间:Tplh<=1.35倍最大规范值；Tphl<=1.35倍最 大规范值; (6)功能正常。
芯片设计： 1. 太敏SoC架构设计 2. 开源Leon处理器最小系统构建 3. 外围IP模块设计/获得与验证 4. SRAM及控制器设计 5. 阈值与质心计算信号处理算法IP核设计 6. JTAG、RS422 IP核设计 7. 关键模拟三模冗余设计 8. 太敏SoC系统集成与验证 9. FPGA原型验证与软件调试 10.抗辐射性能评估
单粒子效应
单粒子效应（SEE）：是指高能带电粒子在穿过微电子 器件的灵敏区时，沉积能量，产生足够数量的电荷， 这些电荷被器件电极收集后，造成器件逻辑状态的非 正常改变或器件损坏
单粒子翻转（SEU）、单粒子闩锁（SEL）、单粒子烧毁
（SEB）、单粒子瞬态脉冲（SET）、单粒子功能中断（SEFI）
单粒子效应
总剂量效应
TID加固设计技术：环形栅、加保护环和H结构、源／ 漏注入控制在薄氧区域、采用无边缘N型晶体管等
总剂量效应
国外文献报导： 1. 随着IC集成规模和加工精度的提高，栅氧的厚度逐渐减小， TID效应也在减小。当栅氧的厚度低于10nm时，栅氧的TID加 固就不存在了，主要的加固问题放在场氧的横向结构，用浅 槽隔离方法(STI)来解决。当CMOS沟道长度<100nm、栅氧 的厚度低于4nm时，TID效应引起的阈值电压漂移已不再是问 题 2. 基于薄SiO2的栅介质不再受标准辐射引起的影响（如在氧化 物层中堆集正电荷和形成界面态）的困扰，使得其在本质上 就能强力抗御总剂量损伤。 对于特征尺寸相当的极小尺寸器件（最大约几百纳米），重离子 在栅介质中诱发的离化损伤可能引起辐射致漏电流（RILC）、辐 射致软击穿（RSB）、单次栅断裂（SEGR）或潜在损伤的产生， 微剂量效应是重离子撞击产生的，较之TID损伤，它以更为局部 的方式引起充电和缺陷生成。
5-chap-3单粒子运动之四
x
ω2<<ωc2 在条件: 可以验证
可以用未扰动速度来解方程
x e i t y ie
c
ict
vx v eict v p E 那么，方程的近似解为： v iv eict v y
vx v eict v p 该式表明，导 (2.5.5) ict E 向中心运动有 vy iv e v 两个分量：
Bm Rm B0
Rm是磁镜比
式定义了速度空间的一个边界区 域，这个边界有圆锥形状，叫做 泄漏锥。位于其内的粒子是不受 约束的。
费米加速问题
J // ds 不变
a b
W
考虑磁镜两 端缓慢靠近
W W
由于两磁镜的缓 慢运动,粒子能 量增加!
W
可以解释宇宙高能 粒子的存在
极光问题 范艾仑辐射带问题
B E , t
电场会对电荷粒子加速，由于这个可能是不 均匀的和随时间变化的，自然会产生漂移
计算电场：
B , 微分形式 E t
磁云
磁镜效应
磁力线的收敛和发散，存在分量Br，这个分量能 引起在磁场中俘获或捕集粒子的力。
F// // B
磁场弱
磁场强
1 mv 2 B
2
磁镜就象一个笼子，把电荷 粒子约束在笼子里——磁阱
泄漏锥问题
sin m
2
2 0 2 0
B0 sin m Bm
2
1 2 2 EB v E 1＋ rL 2 4 B
只需用∇代替ik，则可改写为：
第二项叫做有 限拉莫尔半径 效应。
4-chap-3单粒子运动之一
磁场与带电粒子
粒子被磁力线束缚 粒子带动磁力线运动
磁场与带电粒子
太阳磁场和捕获粒子
33
磁场与带电粒子
太阳磁场与太阳风
34
磁场与带电粒子
地球磁场和捕获粒子
35
电荷粒子在均匀磁场
带电粒子在均匀磁场中的运
动是等螺距的螺旋运动
小 结
回旋频率
qB c m
拉莫尔半径
固定导向中心（x0，y0） 的圆形轨道方程
定义回旋频率为
qB c m
d 2 vx 2 c vx 0 2 dt 2 d vy 2 c vy 0, dt 2
(2.2.5)
运动轨迹
d 2 vx 2 c vx 0 2 dt
(2.2.5)
这样，方程（2.2.5）的解为
x exp(ict )
2 2 2
Li Le
“它描述的是具有 固定导向中心（x0， y0）的圆形轨道。
rL
c
v
c (2.2.8)
m
qB
( x x0 ) ( y y0 ) rL
2 2
2
电荷在磁场方向的 运动是自由的。
导向中心？
dvz m 0 dt
z constant
也可以说是导向中心 （x0，y0）的运动速度
单粒子轨道能做什么？
11
单粒子轨道运动将 回答下列问题
极光
范.艾伦辐射带
13
太阳风与地球的场
14
宇宙高能粒子形成问题
能量在1014致1017电子伏间的高能微观粒 子，有方向性，可以找出他们在太阳、 非太阳起源，包括银河系内恒星、超新 星爆发、脉冲星。 但能量超过1017致1020电子伏以上的高能微观粒子， 入射方向各向同性，没有发现明显的方向性。这表 明它们必然来源于银河系外。 电子经加速器加速后， 能量可达到100GeV 以这些超过1017致1020电子伏以上的高能微观粒子的 平均寿命，即使算上相对论的运动时慢或尺缩，都 不足以跨越星系间的距离，仿佛就是在虚空中凭空 生成，并专门射向我们的一样。
单粒子效应预测模型__解释说明
单粒子效应预测模型解释说明1. 引言1.1 概述：本文旨在探讨单粒子效应预测模型的相关内容。
随着科技的不断进步，我们在各个领域都可以观测到来自单个粒子的效应和现象。
单粒子效应指的是当一个孤立的粒子与环境发生相互作用时所产生的影响和变化。
这些效应可能对我们理解物质行为以及应用于工程和科学领域中具有重要意义。
因此，开发出一种能够准确预测单粒子效应的模型对于推动科学研究和技术创新至关重要。
1.2 文章结构：本文共分为四个部分来进行阐述。
首先是引言部分，我们将介绍论文的背景和目的，并概述文章结构。
接下来是正文部分，将详细介绍单粒子效应预测模型相关的定义、方法论以及其应用与实例。
最后，在结论部分，将总结本文主要观点和发现，并提出对该研究领域未来研究方向以及当前模型存在的局限性进行探讨。
1.3 目的：本文旨在介绍单粒子效应预测模型的概念和应用，并探索其在科学和工程领域中的意义。
通过对该模型的研究，我们希望能够提高对单粒子效应的理解以及预测其产生的影响。
同时，本文也将讨论该模型存在的局限性，并提出未来研究方向，以推动单粒子效应相关领域的进一步发展和创新。
2. 正文：在本文中, 我们将详细阐述单粒子效应预测模型的相关内容。
为了更好地理解该模型，我们首先需要了解单粒子效应的概念和背景。
单粒子效应是指在某个系统或实验中，由于某个特定事件的发生而引发的瞬时现象或持续影响。
这种效应通常与个别粒子在系统中的行为相关，如原子、分子、电子等微观尺度上的单个实体。
对于复杂系统来说，单粒子效应可能会带来全局层面上的变化。
然而，要准确预测和量化这些单粒子效应通常十分困难。
因此，研究者们提出了一种称为“单粒子效应预测模型”的方法，旨在通过建立数学模型和计算方法来估计和预测这些效应以及其对系统整体性能和稳定性的影响。
3. 单粒子效应预测模型3.1 定义与背景单粒子效应预测模型是一种基于物理、统计学和数学原理构建起来的工具，用于描述并预测特定事件下引发的单粒子效应。
单粒子束ppt
发展亚微米单束的必要性：
*亚微米束流定位精度大幅提高，是技术上的进步，更是辐照研究的需要。 * 生物辐照研究不再停留在细胞水平，而是深入到细胞核、染色体基因水平。要 求粒子定位精度必须达到亚微米。 *在染色体基因水平上进行定点辐照、扰动和研究，是研究辐射机理的需要。辐射 产生危害最直接的原因是染色体、基因受到损伤，然后再不断地放大。 *最能代表技术水平的指标是定位精度。国际单束均向亚微米甚至纳米精度方向发展， 已建成多台0.5微米左右的单束装置。在第一代单束方面，我们与世界处于同一水平， 但目前我国尚无亚微米单束装置。建议尽快研制新一代亚微米单束平台。 单束应用非常广泛： *低剂量辐射生物学，环境辐射与健康 *空间辐射的地面模拟平台 *束流精确治疗技术 *微量定标、安全剂量界定
聚焦强度、束流稳定性、电场位形等品质参数是影响束径大小的关键因素。 采用静电四极透镜组合系统（四元组合），获得亚微米束的理由： 1）横向聚焦力强 2）电压工作模式，工作电流小，电压稳定性高 3）电场位形能够做到足够精确 4) 体积小，结构较为简单 5）聚焦强度只和粒子能量有关，便于实际使用。 同时建立辐照信号在线检测技术 1）在线检测技术是最被需求的技术 2）获得早期辐照效应、辐照动态过程等重要信息 3）至今在辐照领域里，尚无在线检测系统
单粒子束，简称单束，其技术特点：
* 空间定位精度高：微米、亚微米至纳米范围 * 剂量精确控制：总辐照剂量精度为1个离子，最低辐照剂量为1个粒子 *样品识别、自动定位、自动扫描辐照、 * 辐照信号在线检测技术 *我院CAS-LIBB单束为国内唯一实现运行的装置。定位精度5微米，定位于细胞水平 的辐照。
第三章 单粒子轨道运动
2
R = F⊥
,
式中 v11 表示带电粒子沿磁力线方向的速度分 量,则曲率漂移速度为:
v DR
F⊥ × B 2 W11 = = (R × B) , 2 2 2 qB qB R
1 式中 W11 = mv112 ,带电粒子运动情况可由下图所示: 2
3.2.6 径向漂移 若磁场强度随时间缓慢变化,则由此引起的漂 移就称为径向漂移 径向漂移.磁场随时间缓慢变化的含意是 径向漂移 指在一个回旋周期的时间间隔内,磁场随时间变化 很小,即: ∂B
∂B TC ⋅ << B ∂t
选证(2)情况,此时粒子横向动能的增加率为:
dW⊥ 1 ∂B = ∫ qE ⋅ d l , ∵ ∫ E ⋅ d l = − ∫∫ ⋅ dS , dt T ∂t
dW⊥ q ∴ =− dt TC ∂B dB ∫∫ ∂t ⋅ dS = −µ dt .
另外可利用等式: W ⊥ = − µ B , 有: dW ⊥ = d ( − µ B ) = − µ dB − B d µ ,
∵ F⊥ = q(v ⊥ × B1 ) = q(v x i + v y j) × B1k , ∴ Fx = qB1 v y , Fy = −qB1 v x .
考虑到 x = rc sin ωc t , y = rc cos ωc t , 可推得:
Fx = − rc2 ω c q ∂B ∂B sin ω c t cos ω c t , Fy = − rc2 ω c q cos 2 ω c t , ∂y ∂y
∇B = ∂x i + ∂y j+ ∂z k .
由磁场不均匀性引起的漂移就称为梯度漂移 梯度漂移. 梯度漂移
只考虑B在Y方向有梯度,而且也只是微小的扰 动,意指在一个拉摩圆内磁场几乎不变,即:
单粒子效应
SEE cross section and threshold LET
• LETth is the minimum (threshold) LET to cause the specific SEE. • The saturation cross section σsat is approached at high LET values. • The σ(LET) curve is obtained by measuring the cross section at a few LET values and fitting data with a Weibull curve.
• 灾难性单粒子效应 (Hard Failure)
-- 单粒子锁定（SEL: Single Event Latchup） -- 单粒子烧毁（SEB:ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱSingle Event Burnout） -- 单粒子门断裂（SEGR: Single Event Gate Rupture）
4
Sources of Single Event Effects
+- + +- + Lateral parasitic transistor
Silicon on Insulator (SOI)
22
Summary
Why do we study SEE?
What is SEE?
Hardening
How to study SEE?
23
24
9
Charge generation and collection
• Under an external electric field the two columns of carriers recombine and drift: many electrons and holes survive in Si, fewer in SiO2; • Eventually, a net negative/positive charge can be collected at sensitive nodes: if this charge exceeds a threshold value (critical charge) an event may be observed affecting the circuit.
GANFET单粒子效应
Single-Event and Radiation Effect on Enhancement Mode Gallium Nitride FETsA.Lidow1, J. Strydom1, Alana Nakata1, M. Rearwin2Member IEEE,M. Zafrani2member IEEE1Efficient Power Conversion Corporation2Microsemi CorporationABSTRACTThis paper presents responses of the latest MiGaN FETs to space radiation conditions. The new MiGaN has shown radiation tolerance to 1Mrad TID and SEGR and SEB immunity at LET of 85Mev/(mg/cm2) as well as immunity to displacement damage and Low dose (ELDRs) testing.I.INTRODUCTIONEnhancement-mode gallium nitride (eGaN®*) transistors have been commercially available for over four years. In that time they have enabled significant efficiency improvement in commercial DC-DC converters in a variety of topologies and at a variety of power levels [1]. Enhancement-mode transistors from Efficient Power Conversion Corporation (eGaN FETs) used in Microsemi MiGan TM FETs have also been demonstrated to have remarkable tolerance to gamma radiation [2] and single event effects (SEE) [3]. In September 2013, a new generation of eGaN FETs was introduced that was designed for high power density, multi-megahertz DC-DC conversion. In this paper we present new results characterizing the stability of these new improved EGaN devices under radiation exposures.As this is a relatively new technology an introduction of the eGaN device structure will be beneficial for future reference. eGaN devices based on EPC process and design are fabricated on a silicon wafer for process compatibility with today silicon manufacturing as well as cost. A thin layer of aluminum Nitride (AlN) is grown on the silicon to provide a seed layer for the subsequent growth of a gallium nitride Heterostructure.A Heterostructure of aluminum gallium nitride (AlGaN) and then GaN is grown on the AlN. A thin layer of AlGaN layer is grown on top of the highly resistive GaN creating a strained interface between the GaN and AlGaN crystal layers. This interface combined with the intrinsic piezoelectric nature of the GaN, creates a two dimensional electron gas (2DEG) which is filled with highly mobile and abundant electrons [4]. Further processing of a gate electrode forms a depletion region under the gate. The FET can be turned on by applying a positive bias to the voltage to the gate similar to a N-Channel MOSFET fig.1 show a typical I-V curve of a 40V MGN2915. Additional layers of metal are added to route the electrons to the gate, drain and source terminals as shown by the device cross section fig.2. This structure is repeated many times to form a power device similar to a power LDMOS layout.Fig. 1. Typical IV Curves for MGN2915* eGaN is a registered trademark of Efficient Power Conversion CorporationFig. 2. eGaN FET cross sectionII.EXPERIMENTAL METHODSTotal Ionizing Dose Testing:TID tests were performed in the “Gamma Cave” at the University of Massachusetts, Lowell. The devices were subjected to a total gamma dose of 1 MRads (Si) at a dose rate of 96 Rads (Si)/sec. A 60Co source was used and all testing was according to MIL-STD-750, Method 1019. Two different test conditions were used. The first test condition biased the drain-source at 80% of rated V DS(MAX) also referred as the “OFF” sta te with the gate grounded. The second test condition also referred as the “ON” state biased the gate-source at 5 V and the drain grounded.Low Dose Testing (ELDRs):Low dose testing was performed at Microsemi on our new JL Shepherd 484 irradiator with a Dual-Hemisphere Cobalt-60. The dual- hemisphere irradiator is capable of a 10mRad (Si)/sec and 100mRad (Si)/sec Low-Dose-Rate gamma simultaneously. The samples were subjected to a total dose of 100kRad (Si) at 100mRad (Si)/sec under three test conditions.-The ON state with 5V on the gate with the drain and source grounded.- The OFF state with drain-source at 80% of rated V DS(MAX) with the gate shorted-Un-biased this condition has shown to have an effect on other technology such as bipolar transistor.Neutron Testing:The devices were exposed to neutrons at the University of Massachusetts Lowell 1 MW Research Reactor using the Fast Neutron Irradiation (FNI) facility. This facility was specifically designed to provide an intense fast neutron flux (up to 9E10 n/cm^2-sec 1 MeV Si equivalent) with high beam uniformity (+/-10%) over a broad area of approximately 500 cm^2. Gamma shielding and thermal neutron filtering are also incorporated into the facility to eliminate gamma (TID) effects and minimized sample neutron activation. The gamma dose associated with a 1E13 1 MeV (Si) n/cm^2 exposure was approximately 1.33 krad (Si), while the fast to thermal neutron ratio was approximately 400:1.The samples were irradiated in the well characterized portion of the FNI, with all leads grounded in accordanceto MIL-STD-750 TM1017. Samples were removed after each exposure point was reached. Sulfur dosimetry was used to verify that each level achieved its desired exposure.Single Event Effects (SEE) Testing:SEE Testing is used to quantify the effects of ionizing radiation on electronic devices. Heavy-ion testing of third-generation MiGan TM FETs was performed at the Texas A&M cyclotron following MIL-STD-750E, METHOD 1080. Fig. 3 shows a block diagram of the test setup used during the SEE testing. The FTI1000 ATE is connected to a switch matrix with separate connections for the gate, source and drain to the laptop via a DSB cable. The test equipment is control by software which manages the setting of drain, gate and sources as well as performing the pre-electrical test and post stress measurement including thePost In situ Gate Stress (PIGS) test.Fig. 3. Block diagram and actual setup at TAMUDevice Tested:The table below shows the devices tested as well asthe radiation screening along with the test conditionsperformed.Table I. Summary of the MiGaN device testedIII. RESULTSTotal ionizing Dose Testing:The devices showed a small threshold shift post100kRad TID and stabilized up to 700kRad. The deviceswere within the datasheet specification. With no dielectricbeneath the gate for these eGaN FETs, this immunity to TIDwas expected. Fig 4 and 6 show the leakage and thresholdresponse over high dose exposure for the 40V, 100V and200V eGaN FETs.Fig.4.a MGN2901 Idss response to TID Spec<10uAFig. 4.b MGN2901 threshold response to TIDSpec 0.7<V TH<2.0Fig 5.a. MGN2910 Idss response to TID Spec<10uA Fig 5.b. MGN2910 threshold response to TIDSpec 0.7<V TH<2.0Fig 6.a. MGN29015 Idss response to TID Spec<10uA Fig 6.b. MGN2915 threshold response to TIDSpec 0.7<V TH<2.0Neutron Testing:As expected the MiGaN devices tested under Fast Neutron Irradiation did not exhibit any parameter shifts post neutron exposures up to 1e15 fluence. The minimum energy to displace GaN atoms is much larger than Si and GaAs and therefore did not seem to affect the 2DEG layer. Figures 7.a-d show the pre and post response of the MGN2915 (40V) .Fig 7.a. I GSS response of MGN2915Fig 7.b. I DSS response of MGN2915Fig 7.c. V TH response of MGN2915Fig 7.d. R DS(on) response of MGN2915Low Dose Testing (ELDRs):Some minorshifts were observed during low dose testing. Fig 8.b shows a decrease in leakage in the unbiased sample, but is probably due to tester equipment.Fig 8.c. shows a decrease in threshold voltage sample across all conditions, but still remaining within device specification up to 100kRad. This small shift in threshold could be similar to the one observed during the high dose exposure. It will be verified in further testing by carrying the exposure beyond 100kRad. Fig 8.a. I GSS response to ELDRs MGN2915Fig 8.b. I DSS response to ELDRs MGN2915Fig 8.c. V TH response to ELDRs MGN2915Fig 8.d. R DS(on) response to ELDRs MGN2915Single Event Effects (SEE) Testing:Being a lateral device, the worst case beam condition was at normal incidence with the highest surface LET. The Bragg peak was targeted to be near the 2DEG layer. The MGN2910 200V device did not show any shift in BV DSS voltage with Kr and Xe ions. A decrease to 180V was observed with Au ions when the Bragg peak was positioned near the 2DEG layer. Fig. 8 shows the SEE SOA. The MGN2915 40V device was extremely stable to its full ratedV DS , showing no degradation under worst condition and high fluence. Fig. 9 shows the SEE SOA response. The new process improvements made to the third generation of MiGaN has shown the devices to be near immune to single event exposure.Fig. 8. MGN2910 SEE SOA curve under worst conditionFig. 9. MGN2915 SEE SOA curve under worst conditionIV.CONCLUSIONThe new and third generation MiGaN devices manufactured by EPC for Microsemi HiRel space have demonstrated high radiation tolerance under TID, ELDRs, SEE and displacement damage.Further radiation testing will be performed in the coming year such as; angle testing, higher fluence, and low-dose testing across all the voltage platforms. Acknowledgement:The authors give thanks to Tom Regan from Lowell University for his help with the Neutron discussion and expertise in the subject.REFERENCES1. A. Lidow, J. Strydom, M. de Rooij, and Y. Ma, “GaNTransistors for Efficient Power Conversion,” Power Conversion Publications, 2012.2. Alexander Lidow, J. Brandon Witcher, and Ken Smalley,“Enhancement Mode Gallium Nitride (eGaN) FET Characteristics under Long Term Stress,” GOMAC Tech Conference, Orlando, Florida, March 2011.3. A. Lidow and K. Smalley, “Radiation Tolerant EnhancementMode Gallium Nitride (eGaN®) FET Cha racteristics,”GOMAC Tech Conference, Las Vegas, Nevada, March 2012. 4. M. Pavier, A. Woodworth, A. Sawle, R. Monteiro, C. Blake,and J. Chiu, “Understanding the effect of power MOSFET package parasitic on VRM circuit efficiency at frequencies above 1 MHz,” in Proc. PCIM Eur., May 2003, pp. 279–284.5. D. Reusch, J. Strydom, “Understanding the Effect of PCBLayout on Circuit Performance in a High Frequency Gallium Nitride Based Point of Load Converter,” Applied Power Electronics Conference APEC 2013, pp.649-655, 16-21 MaFig. 9. MGN2915 SEE SOA curve under worst condition。
中子单粒子效应
精彩摘录
“中子单粒子效应的研究不仅有助于我们深入理解原子核的结构，同时也为 核反应堆的设计提供了重要的理论基础。这种效应的存在使得我们能够更好地控 制核反应的过程，从而提高了核能源的利用效率。”
精彩摘录
“在天体物理学中，中子单粒子效应也扮演着重要的角色。例如，在研究恒 星演化、超新星爆发以及宇宙射线的过程中，我们需要考虑到这种效应对于中子 星、夸克星等奇特天体的影响。”
阅读感受
阅读感受
《中子单粒子效应》是一本关于物理学和电子工程领域的书籍，主要探讨了 中子单粒子效应的相关问题。在航天器在轨运行的过程中，中子单粒子效应已经 成为一种重要的辐射效应，对航天器的正常运行和可靠性造成了严重的影响。因 此，这本书对于从事空间辐射物理和抗辐射加固技术研究的专家来说，具有重要 的参考价值。
目录分析
具体来看，第一章是引言，主要介绍了中子单粒子效应的研究背景和意义， 为后续章节的展开做了铺垫。第二章到第五章，是本书的核心部分，详细介绍了 中子单粒子效应的基本概念、实验技术和模拟方法。其中，第二章介绍了中子的 基本性质和实验中常用的中子源；第三章介绍了中子在物质中的传播和散射；第 四章则重点介绍了中子与原子核相互作用的过程和机制；第五章则对中子单粒子 效应的实验技术和模拟方法进行了详细的阐述。
阅读感受
书中详细介绍了中子单粒子效应的基本原理、实验方法和应用案例。作者首 先从基础理论入手，介绍了中子的性质、中子与物质的相互作用以及中子剂量测 量等方面的问题。接着，书中深入探讨了中子单粒子效应的产生机制、影响因素 和实验测试方法。通过这些内容，读者可以全面了解中子单粒子效应的基本概念 和相关技术。
精彩摘录
“中子单粒子效应是核物理学中的一个重要现象，它揭示了原子核的内部结 构和核反应机制。这种现象在核工程、核能源以及天体物理学等领域都有着广泛 的应用。”
5-chap-3单粒子运动之二
Fx qvy B( y) dt
2 0
B qv (sin ct ) B0 qv rL sin ct cos ct y dt
0
B Fy qvx B( y) qvx B0 y( ) ....... y B qv (cos ct ) B0 rL (cos ct ) y 2 B qv ( cos ct ) B0 qv rL (cos ct ) y 2 Fy qvx B( y) dt
x
y
求解这个方程非常困难，B是y的函数！ 条件：B缓变！ 假定
B 很小, B可作泰勒展开 .
B B0 (r ) B ... Bz B0 y(Bz / y) .......
回旋中心磁场 拉莫半径位矢 泰勒级数
则在洛伦兹力作用下的运动方程：
梯度漂移力：
梯度漂移速度:
FB D 2 qB
F B
由于坐标的任意性，可以把上面公式一般化：
B
可以证明在磁场梯度较小的 情况下，带电粒子的磁矩μ 在运动过程中不变，即磁矩 是一个运动不变量
1 B B rL 2 2 B
梯度漂移速度:
1 B B B rL 2 2 B 2 m B B 2qB B 2
微扰
小量
12
B
z
x
取局域直角坐标系,令
y
B 0
13
注意:矢量求解更具一般 性,没有规定磁场方向！
B Bx ex By ey Bz ez 2 r0 (sinex cose y ) [(sinex cose y )
cots器件单粒子效应
cots器件单粒子效应COTS器件单粒子效应COTS（Commercial Off-The-Shelf）器件是指市售的、非专门为特定应用设计的电子器件。
在航天航空、核能、医疗器械等高可靠性应用中，COTS器件的使用越来越普遍。
然而，COTS器件在高辐射环境下可能会出现单粒子效应（Single Event Effects，SEE）的问题，这给系统的可靠性带来了挑战。
单粒子效应是指在高能粒子（如高能质子、中子、重离子等）的作用下，器件内部发生的瞬态电荷集中效应。
这些高能粒子穿过器件的敏感区域时，会与器件内的物质发生相互作用，产生离子化效应或电离效应，从而导致器件的临时或永久性损坏。
单粒子效应主要表现为位翻转（bit flip）、单粒子故障（single event upset，SEU）和单粒子硬故障（single event latch-up，SEL）等。
位翻转是指存储器单元（如静态随机存储器，SRAM）中的位被翻转，从而改变存储的信息。
单粒子故障是指逻辑电路中的一个或多个逻辑门的输出状态因为单个粒子的撞击而发生瞬时改变，但电路会在很短的时间内自动恢复到正常状态。
而单粒子硬故障是指逻辑电路中的一个或多个逻辑门的输出状态因为单个粒子的撞击而发生不可逆的损坏，需要手动或自动重启系统才能恢复。
COTS器件单粒子效应的发生与多个因素相关。
其中，器件的工作电压、工作温度和工作时间是最主要的因素。
此外，器件的结构和材料也会影响单粒子效应的敏感性。
例如，有些材料的离子化截面较小，对高能粒子的敏感性较低。
此外，器件的集成度越高，单粒子效应的风险也越高。
为了降低COTS器件单粒子效应的风险，可以采取以下措施。
首先，可以通过屏蔽材料来减少高能粒子的入射。
屏蔽材料可以是金属、陶瓷等，其厚度和材质的选择需要根据具体应用场景和粒子种类来确定。
其次，可以采用冗余设计来增强系统的容错性。
例如，在存储器中使用纠错码（Error Correcting Code，ECC）来检测和修复位翻转错误。
单粒子效应 总剂量效应 位移效应
单粒子效应总剂量效应位移效应下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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第二章 传播讲稿之单粒子散射.ppt
技 scattering probability. A scattering
大 phase function expresses the differential
学 probability of the scattered radiation
going in a given angular direction.
图2.3 前五阶和函数
而两个辅助函数则为：
h olm
bm
M
h olm
)
m1
技
大
学 引入Riccati-Bessel函数和辅助参数
、 以简化形式。
ES和ES示意图
电
Z
子
-Es
Es
科
技
大 Y
学
Ei
Ei
E：入射电场 X
Polarized light scattering of sperical particle
The basic results of the Mie theory
Mie理论的解题步骤（一）
列出E和H应满足的方
电
程：
2E k 2nˆ 2E 0
子
2H k 2nˆ 2H 0
科
技
大
学
将入射场看作是各阶M 和N函数的线性组合：
Ei
E0 im
m1
2m m(m
1 1)
(
M
olm
iNolm )
先求出标量波动方程的解
x)
xjn (x)
电 子
Zm (x)
x
2
H
m
1 2
单粒子运动
第四讲
导向中心近似
第四讲
回旋运动是通常是磁场中粒子的基本运动，通常我们可以将回旋运动
与其它运动分离开：
一般运动 回旋运动
导向中心的运动
导向中心近似：不考虑时空尺度较小的回旋运动，用导向中心代表粒子
▪ 外场变化时，回旋运动受影响，若在回旋运动的时间空间尺度
中，外场相对变化小，则回旋运动近似是完整的，粒子的运动 可以近似用导向中心代表，将场的变化对回旋运动的影响归结 为对导向中心运动的修正
v
qr02
2
E
一般电场漂移
第四讲
▪ 考虑电场的不均匀性，电场对带电粒子等效作用力为：
v FE
q 1
r02 4
2
v E
▪ 一般情况下电场漂移速度：
vv
vvDE
1
r02 4
2
EB B2
非均匀电场中，电漂移与粒子种类相关 有限拉莫半径效应：拉莫半径越大，非均匀性越起作用 漂移不稳定性：电漂移引起电荷分离，改变电场。若增强了原电场，
rv
v
回旋频率
vc
@
qB m
vv vv0 vc rv vc rv
重新选择 rv 原点
磁场中垂直运动为回旋运动，一般运动为螺旋运动
正电粒子左手螺旋，负电右手螺旋
等离子体物理中， “回旋”＝“拉莫
（电L子ar回mo旋r）频”率：
fce
GHz
@ce 2
;
28B T
第三讲
v B
q0 v B
q0
拉莫半径和磁矩
第三讲
▪ 粒子回旋运动线度：拉莫半径
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单粒子瞬变效应（SET）
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半导体器件建模分析
单粒子烧毁(SEB)与单粒子门断裂( SEGR)
• 在空间和地面加速器实验上都观察到了功率场效应管受重离子、高能 质子、中子照射后，会发生单粒子烧毁事件;在特殊偏压下，重离子撞 击器件灵敏区的某些特殊位置时，会发生单粒子门断裂事件。1994年 8月3日发射的APEX卫星上 (椭圆轨道，2544km、362km，70°倾角)， 研制了专门的装置，对两种不同额定电压的功率场效应管 (2N6796 、 2N6798 各12片)进行了单粒子烧毁事件实验。由监测和记录烧毁前产 生的尖脉冲，记录了由重离子和质子引起的烧毁事件。 • 功率场效应管发生 SEB 或SEGR是与它的工作模式 (偏压选择 )、人射粒 子的角度和能量、选用的漏一源电压及温度有关。对SEB，它是由离子 撞击一个 n-道功率场效应管产生能量沉积，使杂散双极节的晶体管导 通，负反馈作用使源 - 漏发生短路，导致器件烧毁。而SEGR ，则当功 率场效应管在适当的偏压下，重离子在器件硅一氧化物界面产生电荷， 使通过门氧化物的电压足够高，会使局部门断裂。
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半导体器件建模分析
单粒子瞬变效应（SET）
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• 单粒子瞬变效应主要发生在线性电路（满足齐次性和叠加 性）中，如组合逻辑电路、I/O下此类器器件及空间应用的 光纤系统等。在高能粒子的作用件会输出足以影响下级电 路的瞬时脉冲。 • 使用加速器进行重离子、质子的照射后，记录到发生单粒 子瞬变的器件有比较器及光电耦合器等。这些器件的瞬时 变化导致其在不该有输出信号时却有了输出。 • 对比较器的实验是在 BNL 和 TAM 的回旋加速器（重离子） 和ICUF（质子）加速器上进行的。实验显示在高能重离子、 质子作用下，比较器的输出会产生栅栏效应，脉冲幅度高 达26 V，持续时间1~4 us。 • 光耦合器由发光二极、光电二极管及跟随电路组成。光耦 合器的SET效应在1997年2月14日SM-2对Hubble空间望远 镜上安装的新仪器作调试服务时发现的。
30 MeV质子与硅原子发生的核反应过程
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半导体器件建模分析
高能中子引起的单粒子效应
• 核爆炸产生的聚变中子的能量达 14 MeV ，可以引起单粒 子效应。 • 高能中子只有通过与硅原子的核反应产生沉积能量。主要 包括下态RAM的损伤几率与质子相似。
半导体器件建模分析
单粒子翻转
• 从1975年提出单粒子翻转事件以来，国外已对此效应研究 了20多年，在各类轨道的卫星上和各种加速器上进行了多 种芯片实验，研究SEU产生与器件材料、结构、制造工艺 的关系，考查了其产生与空间环境、太阳活动和飞行器轨 道的相关性。 • 我国在1994年2月8日发射的“实践4号”卫星上进行了第 一次空间单粒子事件研究。星载的“静态单粒子翻转事件 探测仪”测得了1 Mbit SRAM在轨道上每天约有3.5个单粒 子事件的翻转率（3.5×10-6/bit per day）及其随L坐标的 分布。
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• 在空间粒子环境的三种成分中，银河宇宙射线因其能量高、难以屏蔽 而成为引起单粒子效应最重要的离子源，其100MeV的Fe核被认为代 表了空间环境中最恶劣的情况。
半导体器件建模分析
重核粒子引起的单粒子效应
• 在宇宙射线中，虽然重核粒子的数量及其有限，其强度约 为5×10-4/cm2· s，但由于具有很大的阻塞功，仍对宇航和 卫星中的LSI（Large Scale Integrated Circuits）电子系 统构成很大的威胁。
半导体器件建模分析
高能中子引起的单粒子效应
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引起16k动态RAM产生一个软错误的平均中子流(/cm2)
半导体器件建模分析
场效应管 -- FET
BJT是一种电流控制元件(iB iC)，工作时，多数载流子和少 数载流子都参与运行，所以被称为双极型器件。
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场效应管（Field Effect Transistor, 简称：FET）是一种电压控制 器件(uGS～iD)，工作时，只有一种载流子参与导电，因而称其为单极 型器件。
单粒子效应和CMOS器件的加固
姓名：张鑫
学号：20132469
2016-06-08
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空间单个的高能重离子或者质子，在器件材料中通过直接的电离作 用或者核反应产生的次级粒子的间接电离作用形成的额外电荷，导 致的器件逻辑状态、功能、性能等的变化或损伤现象。单粒子效应 具体包括单粒子翻转、单粒子瞬态脉冲、单粒子功能中断、单粒子 锁定、单粒子烧毁、单粒子栅穿等。
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半导体器件建模分析
高能质子引起的单粒子效应
反应产生的 7 MeV 质子， 能够穿透约 400 um的硅片； 约 5.3 MeV 的 α 粒子能穿透 27 um的硅片；1 MeV的反 冲原子能穿透不到1 um。
整个核反应过程能够在硅 片中沉积约10 MeV的能量， 其中α粒子沉积能量最多， 产生约 2.8×106 个电子 —空 穴对，是高能质子产生单 粒子效应的主要原因。
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半导体器件建模分析
单粒子效应产生的机制
• SEU主要由两种不同的空间辐射源导致： 1) 高能质子； 2) 宇宙射线，特别是太阳风和银河宇宙射线中重离子成分。
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Schematic showing how galactic cosmic rays deposit energy in an electronic device
半导体器件建模分析
单粒子翻转（SEU）
• 单粒子翻转事件是指高能粒子撞击大规模集成电路的灵敏区，发生电 离反应或核反应，产生电荷沉积，当沉积的电荷足以改变储存单元的 逻辑状态时，就发生了单粒子翻转事件。这种改变一般不损坏器件， 只是储存单元的信息改变，仍可完成读写操作，称为软误差。
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• 单粒子翻转主要发生在静、动态存储器(SRAM、DRAM)和CPU芯片内 的各类功能寄存器、存储器中。它使储存的信息改变了，这些改变如 发生在一些控制过程的中间运算时，可以导致控制失误，有时结果是 灾难性的。
半导体器件建模分析
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CMOS器件的单粒子闭锁 （SEL）
Rs
S
D
D
S
Rw Rw
Rs
P阱的CMOS反相器截面
寄生的pnpn结构等效电路
寄生的pnpn 4层结构：P沟道源区P+ -- n衬底 – P阱 – n沟道的源区N+
半导体器件建模分析
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单粒子锁闭的敏感区
与CMOS器件的单粒子扰动相比，单粒子闭锁截面要小很多，可以相差几个量级。
半导体器件建模分析
单粒子效应（SINGLE EVENT EFFECT）
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• 单粒子效应（ SEE, single event effect ）产生自单个高能粒子 （single, energetic particle）。 • 单粒子翻转（SEU, single event upset)产生的可能性由Wallmark and Marcus在1962年首次提出。 • 1975 年美国发现通信卫星的数字电路JK 触发器由于单个重核粒子 的作用被触发。 • 陆续发现陶瓷管壳所含的微量放射性同位素铀和钍放出的 α粒子以 及宇宙射线中的高能中子、质子、电子等, 都能使集成电路产生单粒 子效应。 • 进一步的模拟试验和在轨卫星的测试证实: 几乎所有的集成电路都能 产生这种效应。
FET因其制造工艺简单，功耗小，温度特性好，输入电阻极高等优点， 得到了广泛应用，特别是在集成电路方面。
增强型 金属-氧化物半导体场效应管 结型场效应管 耗尽型 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道 N沟道 P沟道
FET分类：
半导体器件建模分析
结型场效应管的结构
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结型场效应晶体管（ Junction Field-Effect Transistor，JFET） JFET是在同一块N形 半导体上制作两个高掺 杂的P区，并将它们连 接在一起，所引出的电 极称为栅极g，N型半 导体两端分 别引出两 个电极，分别称为漏极 d，源极s。结型场效应 晶体管是一种具有放大 功能的三端有源器件, 是单极场效应管中最简 单的一种,它可以分N沟 道或者P沟道两种。
半导体器件建模分析
MOSFET的结构
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半导体器件建模分析
PMOS与CMOS结构
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半导体器件建模分析
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导电沟道的形成
VGS
D, S短路，G, S上加正向电压 （VDS=0; VGS>0）
栅极与P型衬底之间象一个平行板电容器。 绝缘层两边，栅极感应正电荷，P型一边 感应负电荷。 负电荷一开始会与P型中的空穴（多子） 中和，形成耗尽层。所以，当VGS较小 时，没有电流。 当 VGS > VGS（th）时，除了耗尽层外，负 电荷（P区的少数载流子）在靠近绝缘层 处形成一个N型薄层，即反型层。 VGS(th)：开启电压 反型层成为D, S间的导电沟道，并受VGS 控制。但由于VDS=0，D, S之间并没有 电流产生。
半导体器件建模分析
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系统级措施
半导体器件建模分析
Al
PN结
漏，源极（D, S）之间电压的影响
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• 在D, S之间加正电压（VDS>0），iD产生
开启电压 VT
(a) D上的正电压会削弱 (b) 当使VDS，沟道 (c) 当VDS到VGD=VGS(th)，沟 珊级上的正电压。靠近D 会在D一侧继续变窄。 道上会出现预夹断。再继续 一侧的导电沟道变窄。 增加VDS，夹断层只是稍为加 长。沟道电流基本保持在预 夹断时的数值。
半导体器件建模分析
抗单粒子加固技术
• 屏蔽 • 减额与改变工作状态 • 系统级保护措施 • CMOS器件的加固技术：
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1）抗单粒子工艺加固 2）阱-源结构
半导体器件建模分析
屏蔽与减额