辐射效应指的是辐射与物质相互作用产生的现象。为揭示电子器件中的辐射效应机理规律，探寻有效的抗辐射加固手段，科研工作者将辐射效应仿真视作一种有用的研究方法。《电子器件辐射效应仿真技术》主要介绍总剂量效应仿真技术、单粒子效应仿真技术、位移损伤仿真技术、瞬时剂量率效应仿真技术、辐射效应仿真软件等内容，给出粒子输运仿真、器件级仿真、电路级仿真等不同层级仿真手段在辐射效应研究中的应用案例。

目录
丛书序
前言
第1章 绪论 1
1.1 辐射环境与效应 1
1.1.1 空间辐射环境与效应 1
1.1.2 核辐射环境与效应 3
1.2 辐射效应评估手段 4
1.2.1 辐射效应试验 4
1.2.2 辐射效应仿真 10
1.3 辐射效应仿真技术 10
1.4 小结 13
参考文献 14
第2章 总剂量效应仿真技术 16
2.1 总剂量效应物理过程 16
2.2 总剂量效应器件级仿真 20
2.2.1 总剂量效应器件级仿真基本流程 20
2.2.2 小尺寸器件总剂量效应作用机制研究 25
2.2.3 总剂量效应对单管*立性的影响研究 30
2.2.4 辐照偏置对总剂量效应敏感性的影响研究 33
2.3 总剂量效应电路级仿真 36
2.3.1 总剂量效应电路级仿真基本流程 36
2.3.2 基准源电路总剂量效应研究 47
2.3.3 SRAM型FPGA总剂量效应研究 49
2.4 小结 54
参考文献 54
第3章 单粒子效应仿真技术 57
3.1 单粒子效应物理过程 57
3.2 单粒子效应粒子输运仿真 60
3.2.1 单粒子效应粒子输运仿真基本流程 60
3.2.2 重离子核反应对SRAM器件SEU截面的影响研究 62
3.2.3 不同种类粒子引发的单粒子效应敏感性差异研究 64
3.3 单粒子效应器件级仿真 66
3.3.1 单粒子效应器件级仿真基本流程 66
3.3.2 有源区形状尺寸变化对单粒子效应敏感性的影响研究 70
3.3.3 单粒子栅穿随工艺尺寸减小的趋势性变化研究 76
3.3.4 累积辐照对单粒子翻转敏感性的影响研究 81
3.4 单粒子效应电路级仿真 86
3.4.1 单粒子效应电路级仿真基本流程 86
3.4.2 驱动能力对标准单元单粒子效应敏感性的影响研究 106
3.4.3 版图结构对标准单元单粒子效应敏感性的影响研究 112
3.4.4 重离子斜入射对标准单元单粒子效应敏感性的影响研究 114
3.5 单粒子效应系统级仿真 123
3.5.1 单粒子效应系统级仿真基本思路 123
3.5.2 SRAM型FPGA单粒子功能中断截面评价 126
3.6 小结 131
参考文献 131
第4章 位移损伤仿真技术 135
4.1 位移损伤物理过程 135
4.2 位移损伤多尺度模拟方法 138
4.2.1 辐照诱发缺陷计算 138
4.2.2 缺陷演化和迁移研究 141
4.3 位移损伤粒子输运仿真 142
4.3.1 不同源引发的位移损伤差异研究 142
4.3.2 CMOS 图像传感器位移损伤研究 145
4.4 位移损伤器件级仿真 147
4.4.1 位移损伤器件级仿真基本流程 147
4.4.2 位移损伤诱发双极晶体管性能退化研究 148
4.4.3 位移损伤诱发CMOS 图像传感器性能退化研究 149
4.5 位移损伤电路级仿真 150
4.5.1 位移损伤电路级仿真基本流程 150
4.5.2 利用电路级仿真计算模拟电路位移损伤敏感性 151
4.6 小结 153
参考文献 153
第5章 瞬时剂量率效应仿真技术 155
5.1 瞬时剂量率效应物理过程 155
5.2 瞬时剂量率效应器件级仿真 157
5.2.1 瞬时剂量率效应器件级仿真基本流程 157
5.2.2 瞬时剂量率效应加固方法有效性验证 157
5.2.3 累积剂量影响瞬时剂量率效应的物理机制研究 159
5.3 瞬时剂量率效应电路级仿真 162
5.3.1 瞬时剂量率效应电路级仿真基本流程 162
5.3.2 典型数字电路瞬时剂量率效应敏感性计算 163
5.3.3 典型模拟电路瞬时剂量率效应敏感性计算 168
5.4 瞬时剂量率效应路轨塌陷现象仿真 169
5.5 小结 171
参考文献 171
第6章 辐射效应仿真软件 173
6.1 辐射效应仿真相关的商用软件 173
6.1.1 Space Radiation软件 173
6.1.2 Geant4软件 173
6.1.3 TCAD软件 174
6.1.4 LAMMPS软件 175
6.2 国外自研辐射效应仿真软件 175
6.3 国内自研辐射效应仿真软件 179
6.4 小结 183
参考文献 183

第1章绪论
　　辐射作用于电子器件，可能导致电学性能退化、存储数据丢失，严重时甚至造成功能失效[1-4]。为评价电子器件抗辐射性能，针对性提出抗辐射加固方法并验证加固方法的有效性，抗辐射加固领域的研究人员常采用的研究手段有辐射效应试验与辐射效应仿真。辐射效应试验指的是利用实验室装置模拟真实辐射环境，以电子器件作为目标物开展损伤试验，用于研究辐射效应引发的损伤模式、损伤规律，评价在辐射环境中的易损性与生存能力。辐射效应仿真指的是利用物理建模和数值计算方法，模拟辐射与器件相互作用过程，揭示各类辐射效应的物理机理和规律[5]。
　　本章介绍常见的辐射环境，电子器件工作于辐射环境中可能引发的辐射效应，辐射效应评估手段，以及不同层级辐射效应仿真技术的特点和适用性。
　　1.1辐射环境与效应
　　辐射环境可以分为天然辐射环境和人为辐射环境两大类，其中*有代表性的为空间辐射环境与核辐射环境。
　　1.1.1空间辐射环境与效应
　　空间辐射环境指的是航天器运行空间范围内，由电子、质子、重离子等高能粒子组成的辐射环境。1912年，科学家Victor Francis Hess在不同海拔探测结果的佐证下，提出了“来自外太空的穿透性辐射”概念，获得了1936年的诺贝尔物理学奖。随着认识的逐步深入，人们已经能够定量探测到大气层外的空间内存在着非常强的自然辐射，如图1.1所示[6]。
　　空间辐射环境中高能粒子的主要来源包括：①地球辐射带，也称范艾伦辐射带(VanAllenbelt)，是由范艾伦根据美国**颗卫星探索者1号的空间粒子探测结果分析而发现的。范艾伦辐射带是地球周围被地磁场稳定捕获的带电粒子区域，主要成分是电子和质子。根据距离地面高度的不同，分为内带和外带。如图1.2所示，内带和外带在向阳面和背阳面各有一个区。内带的中心约在1.5个地球半径处，范围限于磁纬±40°之间，东西半球不对称，西半球起始高度低于东半球，内带中含有大量的高能质子和电子，带内质子能量范围为0.1～400MeV，电子能量范围为0.04～7MeV。内带空间分布的长期变化与南大西洋负磁异常区的变化趋势基本一致。外带的中心位于地面上空2～3个地球半径处，范围可延伸到磁纬50°～60°处，其中质子能量通常在几兆电子伏特以下，电子能量范围为0.04～4MeV。对航天器和宇航员的威胁，在内带主要来自高能质子，在外带主要来自高能电子[7]。②银河宇宙射线。来自银河系和河外星系的高能带电粒子，主要是质子，其次是α粒子、电子和少量重离子[8]。③太阳宇宙射线。太阳耀斑、日冕物质抛射等爆发性太阳活动发射出的、短时存在的高能带电粒子，主要是质子，其次是α粒子、电子和少量重离子。太阳宇宙射线中的带电粒子能量跨度从几万电子伏特到几十吉电子伏特，其中超高能粒子的速度可以达到光速的80%。太阳宇宙射线中的粒子能量与通量等极度依赖于太阳活动的强弱[9]。
　　空间辐射效应指的是空间辐射环境中带电粒子对航天器电子器件产生的作用效果。按作用机制，航天器空间辐射效应分为①电离总剂量效应，主要对象为电子器件和材料等，指辐射粒子进入航天器的材料、电子器件中，与其原子、分子发生电离作用，将能量传递给被辐照的物质，从而对材料、电子器件的性能产生的影响[10]。②位移损伤效应，主要对象为运算放大器、电流比较器、脉宽调制器等模拟线性电路和电荷耦合器件(CCD)、光电二极管等光电器件，指辐射粒子在材料中产生稳定缺陷，进而对材料和电子器件性能产生的影响。对于硅晶体，产生一对间隙原子-空位所需要的平均能量为15～40eV。因此，能量大于170keV的电子束即可在半导体中产生一系列间隙原子、空位[11]。③单粒子效应，主要对象为逻辑器件、存储器件、功率器件等，指空间辐射环境中的单个高能质子或重离子穿越单元电路敏感区时，产生的电子空穴对被器件内部的电场收集，形成瞬时的电流脉冲，改变存储器中存储的信息或使半导体逻辑电路或模拟电路产生错误的输出，干扰系统的正常工作[12-15]。④卫星表面充放电效应，主要对象为卫星表面材料等，指卫星在轨运行期间与能量在1～50keV范围的电子引起的空间等离子体环境相互作用而发生的静电荷累积现象，其穿透卫星表层小于1μm[16]。⑤卫星内带电效应，主要对象为介质材料、器件、悬浮导体等，指空间高能带电粒子，主要是能量范围为0.1～10MeV的高能电子，穿过卫星表面屏蔽层，在卫星内部材料表面或介质材料内部沉积从而建立电场，放电瞬间可能造成卫星某些敏感部件的损坏[16]。
　　1.1.2核辐射环境与效应
　　早期核辐射是核爆炸毁伤因素之一，核辐射环境是指核爆炸*初十几秒内放出的、具有很强贯穿能力的中子和γ射线，主要包括弹体内核反应产生的瞬发中子和瞬发γ射线、裂变产物释放出的缓发中子和缓发γ射线，以及中子与空气作用产生的γ射线。早期核辐射从辐射源发出后，通过大气并与大气发生多次相互作用向外传播，形成了具有空间分布、能量分布、时间分布和角分布的早期核辐射场[17]。
　　核辐射效应指的是核辐射环境中粒子对电子器件产生的作用效果。按作用机制，核辐射效应可以分为①瞬时剂量率效应，主要对象为电子器件等，指纳秒量级的脉冲γ射线在器件内部引发瞬时光电流，导致电子器件功能紊乱甚至烧毁。在γ射线剂量率峰值到来之前，可以将处于加电工作状态的关键电子器件断电，以回避脉冲γ射线的影响，峰值过后重新上电恢复正常工作状态[18]。②位移损伤效应，主要对象为双极工艺电子器件、光电器件等，指脉冲中子在器件材料中产生稳定缺陷，进而对器件性能造成影响。通常关注的是能量大于0.01MeV的中子注量，且采用1MeV中子注量来等效不同中子能谱的注量，从而获取不同中子能谱的损伤等效关系[18-19]。③电离总剂量效应，主要对象为电子器件等，考虑爆炸后10～15s的电离累积剂量，包括纳秒量级脉冲γ射线累积的总剂量和中子在弹体材料中非弹性散射和俘获所沉积的总剂量[18-19]。
　　1.2辐射效应评估手段
　　为保证电子器件在辐射环境中依然能够稳定、可靠工作，确定应用场景后，*先应评估电子器件在辐射环境中的易损性与生存能力。抗辐射加固领域的研究人员常采用辐射效应试验与辐射效应仿真作为研究手段。
　　1.2.1辐射效应试验
　　辐射效应试验指利用实验室装置模拟真实辐射环境，以设计加工完毕的电子器件作为目标物开展辐照试验。常用实验室模拟装置包括60Co源、X射线源、电子加速器、重离子加速器、质子加速器、252Cf源、脉冲激光、反应堆、强流脉冲加速器等。试验目的主要有四个方面：①提高对辐射效应机理的认识；②获取辐射效应在电子器件中引发的损伤模式、损伤规律；③评价电子器件在辐射环境中的易损性与生存能力；④评估或验证电子器件抗辐射加固设计的有效性。
　　1.总剂量效应试验
　　60Co源为开展总剂量效应试验*常用的模拟装置，其示意图如图1.3所示，是评价电子器件抗总剂量性能的标准装置。除此之外，X射线源、电子加速器、质子加速器等也可以开展总剂量效应试验，可依据具体的试验目的和电子器件特征加以选用。
　　在总剂量效应辐射场测量、试验流程等方面，国内已有相关的若干项国军标、国标颁布或立项，用于规范电子器件抗总剂量性能试验和评估等过程，保证试验结果的可比性和权威性。
　　总剂量效应辐射场测量方面：①GJB2165—1994《应用热释光剂量测量系统确定电子器件吸收剂量的方法》规定了应用热释光剂量测量系统确定电子器件材料中吸收剂量的方法和程序。②GB/T15447—2008《X、γ射线和电子束辐照不同材料吸收剂量的换算方法》规定了在X、γ射线和电子束辐照下，根据辐射场的特性、材料的组成和相关的测量，用已知的一种材料吸收剂量计算另外一种材料吸收剂量的方法。该标准的适用范围：X、γ射线光子能量范围为0.01～20MeV，电子束能量范围为0.1～20MeV，该标准不适用于有效原子序数差别较大的两种材料界面附近吸收剂量的换算。
　　总剂量效应试验流程方面：①GJB762.2—1989《半导体器件辐射加固试验方法》中第2部分《半导体器件辐射加固试验方法γ总剂量辐照试验》为总剂量效应试验方法标准，1989年颁布了**个版本。2015年由中国工程物理研究院对其进行了部分修订，因为修订内容不多，所以没有颁布新的版本，只是增加了一个GJB762.2修改单1-2015，对修订的内容进行说明。②GJB128A—97《半导体分立器件试验方法》是对GJB128—86修订而成，其中方法1019稳态总剂量辐照程序为总剂量效应试验方法，程序规定了利用钴源开展封装半导体分立器件的总剂量辐照试验要求。③GJB548B—2005《微电子器件试验方法和程序》是对GJB548A—1996修订而成，其中方法1019.2电离辐射(总剂量)试验程序为通用的总剂量效应试验方法标准，规定了对已封装的半导体集成电路进行钴60γ射线源电离辐射总剂量效应的试验要求。④GJB5422—2005《军用电子元器件γ射线累积剂量效应测量方法》适用于军用电子元器件在钴源辐照下电离辐射总剂量效应的试验测量，以及模拟低剂量率辐照下器件电离辐射总剂量效应的加速试验，专门针对空间辐射环境引发的总剂量效应试验而设定，不适用于脉冲类型辐照效应测量，即不适用于核辐射环境引发的总剂量效应试验。⑤GJB11445—2024《军用电子元器件低剂量率增强效应加速试验方法》规定了采用60Co源γ射线对具有低剂量率增强效应(ELDRS)的军用电子元器件进行抗总剂量性能评价的加速试验的一般要求和试验程序、方法。该标准适用于具有低剂量率辐射损伤增强效应的双极、BiCMOS等器件在低剂量率辐射(≤0.1mGy(Si)/s)环境下抗总剂量性能的评价与考核，也可用于甄别电子器件是否存在低剂量率增强效应。⑥GJB7678—2012《半导体器件10keVX射线辐照加固试验方法》规定了使用X射线辐射源(X射线平均能量约为10keV，*大能量约为50keV)对体硅互补金属氧化物半导体器件(CMOS)和体硅CMOS集成电路进行总剂量电离辐照试验的方法和程序。该标准适用于总剂量电离评估试验，不适用于电离辐照鉴定试验。
　　2.单粒子效应试验
　　重离子加速器、质子加速器、散裂中子源、反应堆为开展单粒子效应试验*常用的实验室模拟装置。图1.4为西北核技术研究所质子加速器XiPAF装置。某些情况下，如为获取器件加固设计急需的位置敏感性信息、时间敏感性信息、敏感路径信息等，可以采用激光微束单粒子效应模拟装置开展辐照试验，如图1.5所示。激光微束具有较高的空间分辨能力，通过逐点扫描方式，定位得到敏感区域，这有利于针对不同的区域合理应用加固措施，从而提高加固效率，控制加固代价。激光微束具有可控触发与精确定时的优势，可较为真实地测量器件产生的单粒子瞬态(SET)脉冲电流幅度和宽度。激光微束的定点入射与定时控制，配合电路SET效应测试技术，可以获得电路SET效应的区域敏感映射关系，结合芯片的版图和原理图，可定位到具体的敏感路径信息。为考察28nm及以下小尺寸器件对电子引发单粒子效应的敏感性，可以采用电子加速器开展辐照试验。为考察封装材料放射性对电子器件单粒子效应敏感性的影响，可以采用252Cf源装置开展辐照试验，如图1.6所示。