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本书系统阐述了电子器件和集成电路空间单粒子效应的基本概念和原理，试验测试的基础理论与方法，单粒子效应对电子系统的影响及防护设计的基本方法，空间单粒子翻转率计算方法及不确定性分析等方面内容。全书共分为七章，主要包括：诱发单粒子效应的空间辐射环境，介绍了能够诱发产生单粒子效应的几种空间辐射因素；辐射与半导体材料相互作用，论述了重离子、质子及脉冲激光与半导体材料的相互作用过程；单粒子效应机理与分类，主要对常见单粒子现象产生的基本过程和特征进行了分析说明；单粒子效应测试方法，详细介绍常见单粒子效应(SEU、SEL、SEB、SEGR、SET、SEFI)测试方法及辐射模拟源，包括有关试验及加固保障测试标准与方法；单粒子效应对器件及系统特性的影响，介绍了单粒子效应引起的系统故障及其模拟注入分析方法；单粒子效应减缓设计，介绍了常见单粒子效应(SEU、SEL、SEB、SET、SEFI)诱发系统故障的防护设计方法；模拟试验与单粒子翻转率计算，介绍了单粒子翻转率计算中涉及到的环境因素、模型和方法及不确定度分析等。

第 1章 诱发单粒子效应的空间辐射环境 001

1.1　银河宇宙射线 003

1.2　太阳风和太阳活动周期 007

1.3　太阳粒子事件 010

1.4　辐射带高能质子 013

1.5　南大西洋异常区高能质子 015

参考文献 016

第 2章 辐射与半导体材料的相互作用 019

2.1　辐射与半导体材料相互作用的基本过程 021

2.1.1　重离子线性能量传输值LET和射程R 023

2.1.2　重离子与半导体材料相互作用过程的空间尺度 027

2.1.3　重离子与半导体材料相互作用过程的时间尺度 028

2.2　重离子在半导体硅材料中的电离径迹结构 030

2.2.1　Katz理论 030

2.2.2　电荷径向分布轮廓（径向剂量计算） 032

2.2.3　重离子径迹结构的经验模型 035

2.3　聚焦脉冲激光束在半导体硅材料中的电离径迹结构 038

2.3.1　一般性物理描述 038

2.3.2　激光诱发的电子 空穴对产生率 040

2.4　质子与半导体硅材料的相互作用 042

2.4.1　高能质子与硅材料核反应过程 044

2.4.2　质子与硅材料核反应反冲核 046

2.4.3　反冲核的LET值分布 048

2.5　不同模拟源的等效性问题 051

2.5.1　重离子诱发的电子 空穴对产生率 052

2.5.2　LET值等效计算中的非线性引入误差分析 053

2.5.3　线性等效激光LET 054

参考文献 056

第3章　单粒子效应机理 059

3.1　概述 061

3.2　单粒子翻转机理 067

3.2.1　单粒子翻转现象物理描述 068

3.2.2　敏感节点的电荷收集 070

3.2.3　单粒子翻转敏感性与特征尺寸关系 078

3.3　单粒子瞬态机理 085

3.3.1　单粒子瞬态现象描述 085

3.3.2　单粒子瞬态的产生及传播 087

3.3.3　传播过程的脉冲加宽特性 091

3.3.4　单粒子瞬态脉冲湮灭及电荷共享 095

3.3.5　总剂量对单粒子瞬态的影响 097

3.3.6　温度效应 102

3.4　单粒子锁定机理 104

3.4.1　单粒子锁定现象物理描述 107

3.4.2　单粒子锁定与温度的关系 114

3.5　单粒子烧毁机理 117

3.5.1　单粒子烧毁现象物理描述 117

3.5.2　单粒子烧毁与漏 源电压的关系 119

3.6　单粒子栅击穿机理 122

3.6.1　单粒子栅击穿现象物理描述 123

3.6.2　单粒子栅击穿的半经验模型 126

3.6.3　薄层电荷模型 129

3.7　单粒子功能中断机理 131

参考文献 133

第4章 单粒子效应测试 145

4.1　单粒子效应测试概论 147

4.1.1　测试系统的主要功能 148

4.1.2　测试软件设计一般要求 148

4.1.3　静态偏置测试方法 149

4.1.4　黄金芯片比较法 150

4.1.5　准黄金芯片法 152

4.1.6　松散式耦合系统法 152

4.2　单粒子翻转测试 153

4.2.1　器件偏压和数据形态设置 154

4.2.2　器件工作模式选择 154

4.2.3　器件温度及控制 156

4.2.4　入射离子能量与角度 157

4.3　单粒子瞬态测试 158

4.3.1　单粒子瞬态测试方法及原则 159

4.3.2　基于芯片的内嵌式SET脉宽测试 163

4.3.3　基于芯片外的SET脉宽测试 165

4.3.4　单粒子瞬态测试举例 167

4.4　单粒子锁定测试 170

4.4.1　单粒子锁定主要特征 170

4.4.2　单粒子锁定测试原理 171

4.4.3　测试系统方案设计 174

4.5　单粒子烧毁测试 176

4.5.1　破坏性测试方法 177

4.5.2　非破坏性测试方法 178

4.5.3　测试系统方案设计 179

4.6　单粒子栅击穿测试 184

4.7　单粒子功能中断测试 188

4.7.1　SDRAM器件的单粒子功能中断测试 188

4.7.2　微处理器的单粒子功能中断测试 193

4.8　单粒子效应试验模拟源 195

4.8.1　重离子模拟源 195

4.8.2　放射性同位素锎源252Cf 199

4.8.3　激光单粒子效应模拟试验系统 201

4.9　单粒子效应试验标准简介 202

4.10　加固保障测试 205

4.10.1　质子SEE加固保障测试 205

4.10.2　重离子SEE加固保障测试 221

4.11　在轨测试数据举例 232

参考文献 235

第5章　单粒子效应对器件及系统特性的影响 239

5.1　单粒子效应造成的系统故障 241

5.1.1　单粒子效应对微处理器系统的影响 242

5.1.2　单粒子效应对FPGA系统的影响 254

5.1.3　单粒子效应对数字信号处理系统的影响 265

5.1.4　单粒子效应对SOC系统的影响 269

5.1.5　单粒子效应对二次电源系统的影响 273

5.2　系统故障模拟注入分析 279

5.2.1　故障模型 280

5.2.2　故障注入流程 281

5.2.3　硬件故障模拟注入 282

5.2.4　软件故障模拟注入 284

5.2.5　模拟仿真故障注入方法 287

5.2.6　混合故障注入方法 290

5.2.7　电路模拟故障注入方法 290

5.3　航天器单粒子故障事例 291

5.3.1　国外航天器单粒子故障 293

5.3.2　国内航天器单粒子故障 297

参考文献 299

第6章 单粒子效应减缓设计 303

6.1　系统设计时面临的问题 307

6.1.1　任务需求分析 308

6.1.2　单粒子效应危害性分析 309

6.2　SEU减缓设计 310

6.2.1　屏蔽防护方法 311

6.2.2　加固存储单元设计 316

6.2.3　冗余和刷新 324

6.2.4　检错与纠错 329

6.2.5　复杂器件的SEU缓解技术 338

6.3　SEL减缓设计 350

6.3.1　器件工艺与结构的SEL防护设计 351

6.3.2　电路板级的SEL防护设计 355

6.4　SEB和SEGR减缓设计 361

6.4.1　降额设计的一般要求 362

6.4.2　结合具体应用的降额设计 366

6.5　SET减缓设计 368

6.5.1　SET信号屏蔽 368

6.5.2　三模冗余设计 370

6.5.3　逻辑重复 371

6.5.4　时阈冗余 372

6.5.5　驱动晶体管尺寸调整方法 373

6.5.6　动态阈值MOS逻辑阵列电路原理 374

6.5.7　共源 共栅电压开关逻辑门电路 376

6.6　SEFI减缓设计 379

参考文献 379

第7章 单粒子翻转率计算 383

7.1　计算用辐射环境模型 387

7.1.1　银河宇宙射线离子模型 388

7.1.2　太阳耀斑质子模型 391

7.1.3　LET谱曲线及应用 393

7.2　翻转率计算模型 396

7.2.1　长方形平行管道（RPP）模型 399

7.2.2　有效通量模型 403

7.3　翻转率计算方法 404

7.4　翻转截面模型 408

7.5　半经验计算方法 410

7.6　质子单粒子翻转率计算 411

7.6.1　利用质子单粒子翻转截面计算翻转率 411

7.6.2　利用重离子翻转试验数据计算质子单粒子翻转率 413

7.6.3　计算方法的适应性 415

7.7　不确定性分析 416

7.7.1　环境模型及不确定性 418

7.7.2　LET不确定性 420

7.7.3　综合性因素分析 425

参考文献 428

附录 431

索引 437

曹洲，研究员，理学博士。长期从事空间辐射效应及航天器抗辐射加固技术研究工作。负责完成了十多项预先研究项目及基金项目，研究成果为航天器电子系统空间辐射防护设计提供了技术依据；建立了空间单粒子效应地面实验室试验与评估的手段和方法，使锎源单粒子效应试验系统和脉冲激光模拟单粒子效应试验系统在工程设计及加固评估中得到应用；基于研究工作中形成的实验方法，负责和参与编制了两项空间辐射效应试验与评估方面的国家标准；负责完成了多个航天工程单粒子效应加固设计的验证与评估试验。获省部级科学技术进步二等奖和三等奖各一项。撰写多篇专题科学技术报告，参加了多次国内外学术交流及研讨会议，公开发表论文30多篇，会议论文30篇。

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书籍介绍

本书系统阐述了电子器件和集成电路空间单粒子效应的基本概念和原理，试验测试的基础理论与方法，单粒子效应对电子系统的影响及防护设计的基本方法，空间单粒子翻转率计算方法及不确定性分析等方面内容。全书共分为七章，主要包括：诱发单粒子效应的空间辐射环境，介绍了能够诱发产生单粒子效应的几种空间辐射因素；辐射与半导体材料相互作用，论述了重离子、质子及脉冲激光与半导体材料的相互作用过程；单粒子效应机理与分类，主要对常见单粒子现象产生的基本过程和特征进行了分析说明；单粒子效应测试方法，详细介绍常见单粒子效应(SEU、SEL、SEB、SEGR、SET、SEFI)测试方法及辐射模拟源，包括有关试验及加固保障测试标准与方法；单粒子效应对器件及系统特性的影响，介绍了单粒子效应引起的系统故障及其模拟注入分析方法；单粒子效应减缓设计，介绍了常见单粒子效应(SEU、SEL、SEB、SET、SEFI)诱发系统故障的防护设计方法；模拟试验与单粒子翻转率计算，介绍了单粒子翻转率计算中涉及到的环境因素、模型和方法及不确定度分析等。