抗輻照仿真模擬技術(shù)

劉國(guó)權(quán)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

抗輻照仿真模擬技術(shù)

劉國(guó)權(quán)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

軟件仿真相對(duì)于硬件實(shí)驗(yàn)可以極大地提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，對(duì)于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)成功與否有著重大意義。抗輻照仿真模擬技術(shù)可以通過(guò)建立的輻照參數(shù)模型，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)仿真技術(shù)計(jì)算電路的抗輻照能力，是抗輻照芯片設(shè)計(jì)中保證設(shè)計(jì)可靠性的有效手段之一。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）；抗輻照；仿真；建模

1 引 言

隨著大量現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列電路（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）被用于宇航、核能和軍事等高科技領(lǐng)域，需要保證FPGA器件在核輻射環(huán)境下使用的可靠性。大量研究表明，核輻射，特別是電離輻射會(huì)使FPGA器件的電性能在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生明顯變化，輻射損傷嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)導(dǎo)致電路失效。器件的變化包括閾值電壓漂移，跨導(dǎo)和遷移率降低，亞閾值特性退化，溝道和柵泄漏電流增加等。因此保證芯片設(shè)計(jì)的抗輻照能力將有利于保證其在核輻射環(huán)境下使用的可靠性。

軟件仿真相對(duì)于硬件實(shí)驗(yàn)可以極大提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，對(duì)于項(xiàng)目的設(shè)計(jì)成功與否有著重大意義。

抗輻照仿真模擬技術(shù)研究的目標(biāo)是：使用軟件仿真的辦法對(duì)FPGA部件及其整體芯片設(shè)計(jì)在抗輻照的指標(biāo)方面進(jìn)行定量評(píng)估，以保證設(shè)計(jì)方案的正確性和有效性。

為了達(dá)到以上研究目標(biāo)，抗輻照仿真模擬技術(shù)的研究?jī)?nèi)容包括以下幾方面：

·對(duì)輻照行為進(jìn)行較為精確的數(shù)學(xué)建模，重點(diǎn)是對(duì)總劑量效應(yīng)和單離子效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值逼近，達(dá)到對(duì)輻照行為的模擬。

·用輻照的模擬激勵(lì)作用于器件模型，得到模擬結(jié)果，同時(shí)相對(duì)硬件輻照試驗(yàn)，對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

抗輻照仿真模擬技術(shù)研究的難點(diǎn)在于：輻照行為具有很大的隨機(jī)性，用固定數(shù)值模擬難以得到正確結(jié)果。采用國(guó)際上普遍認(rèn)可的蒙特卡羅（Monte Carlo）法來(lái)對(duì)輻照這一隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，在這方面，國(guó)內(nèi)外有大量相關(guān)算法的研究報(bào)道。在研究方法上，廣泛參考吸收已有的研究成果，重點(diǎn)關(guān)注已經(jīng)被NASA采用的算法及模型，再結(jié)合本課題的實(shí)際需求對(duì)其算法模型進(jìn)行優(yōu)化和簡(jiǎn)化，在器件及電路層面，采用Synopsys公司的著名器件仿真工具TCAD，該軟件可以方便地仿真輻照對(duì)器件的影響。

TCAD是Synopsys公司的一個(gè)用來(lái)進(jìn)行二維器件模擬的軟件，它在器件當(dāng)中建立一個(gè)電勢(shì)與載流子分布的二維模型，通過(guò)解泊松方程、電子和空穴連續(xù)性方程、熱擴(kuò)散方程、電子和空穴的漂移/擴(kuò)散方程（能量輸運(yùn)方程）等方程來(lái)獲取特定偏置下的電學(xué)特性，得到基本量：φ、N、P、Tn、Tp、T等。該軟件可模擬的材料不限于硅、二氧化硅，還可模擬SiGe等異質(zhì)結(jié)材料；可完成的電學(xué)分析包括DC、AC、瞬態(tài)、熱載流子、光電等等；處理的器件類型包括：二極管、BJT、MOS、多層結(jié)構(gòu)、光電器件、可編程器件等。另外，TCAD還可以被用來(lái)分析器件在瞬態(tài)情況下的變化。在亞微米器件模擬中，TCAD通過(guò)聯(lián)解電子和空穴的能量平衡和其他器件方程，可以對(duì)深亞微米器件進(jìn)行模擬。像熱載流子和速度過(guò)沖等效應(yīng)在TCAD中都已經(jīng)考慮了，并能夠?qū)λ鼈兊挠绊戇M(jìn)行分析。

輻照對(duì)器件的直接作用反映在器件中是沿輻照路徑產(chǎn)生了一定的電子－空穴對(duì)，在TCAD中，PHOTOGEN命令可以用來(lái)產(chǎn)生注入到器件中的電荷（電子和空穴），該電荷可以是穩(wěn)態(tài)的或者與時(shí)間參數(shù)有關(guān)。該命令既可以用來(lái)仿真單粒子翻轉(zhuǎn)，也可以用來(lái)仿真由伽馬射線、X射線或可見(jiàn)光引起的瞬時(shí)翻轉(zhuǎn)效應(yīng)。通過(guò)定義輻照的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)（X.START，Y.START，X.END，Y.END）來(lái)確定輻照產(chǎn)生的電荷在器件中的通路，器件中任何一點(diǎn)的位置與這條通路的關(guān)系用參數(shù)L來(lái)表示，L定義為從起點(diǎn)到通路上某一點(diǎn)的線段長(zhǎng)度，R表示距離這條通路的垂直距離，如圖1所示。

圖1 PHOTOGEN定義示意圖

PHTOTGEN命令作用機(jī)制如下：

其中t表示時(shí)間，Gn、Gp表示電子、空穴的產(chǎn)生率。在連續(xù)性方程中，通過(guò)改變Gn、Gp，就可以實(shí)現(xiàn)由輻照對(duì)器件產(chǎn)生影響的仿真。T（t）表示Gn中與時(shí)間相關(guān)項(xiàng)，L（l）表示長(zhǎng)度相關(guān)項(xiàng)，R（r）表示徑向相關(guān)項(xiàng)，通過(guò)改變t、r、l，便可以模擬出不同射線（如X射線、伽瑪射線）對(duì)于器件的影響，從而可以進(jìn)行不同類型的輻照仿真。

TCAD軟件采用漂移－擴(kuò)散理論。漂移擴(kuò)散模型主要由三組方程組成：①泊松方程；②載流子連續(xù)性方程；③載流子輸運(yùn)方程。另外，還有遷移率對(duì)電場(chǎng)的依賴關(guān)系。

（2）電子和空穴連續(xù)性方程：

Jn、Jp為電子電流和空穴電流密度；Rn、Rp為電子和空穴復(fù)合率；Gimp為碰撞電離產(chǎn)生率；t為時(shí)間。

（3）電子和空穴電流密度方程：

總電流密度為：

（4）遷移率模型

遷移率與載流子濃度的關(guān)系：

場(chǎng)運(yùn)動(dòng)模型：

3 仿真舉例

當(dāng)單粒子穿過(guò)半導(dǎo)體器件時(shí)，產(chǎn)生圓柱狀高密度等離子體徑跡（電子和晶格離子），它是高電導(dǎo)的，并使器件耗盡區(qū)的平衡電場(chǎng)畸變，由此可以收集耗盡區(qū)淀積的電荷。當(dāng)徑跡穿過(guò)器件敏感區(qū)時(shí)，器件狀態(tài)將發(fā)生翻轉(zhuǎn)（SEU）（見(jiàn)圖2）。

圖2 單離子效應(yīng)示意圖

圖3所示的仿真結(jié)果為一個(gè)不加抗輻加固措施的NMOS管在100MeV重粒子轟擊下，漏端電壓由3V降到了0.6V，信息由“1”變成了“0”，發(fā)生了SEU現(xiàn)象。

圖3 不加抗輻加固措施的NMOS管仿真結(jié)果

圖4所示的仿真結(jié)果為采取了抗輻加固措施的NMOS管，在與圖3等同的單粒子輻照下，漏端電壓由3V只降至2.4V。信息幾乎沒(méi)發(fā)生變化。

圖4 采取了抗輻加固措施的NMOS管仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)抗輻照仿真模擬可以有效的對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行預(yù)先評(píng)估，是FPGA芯片研制過(guò)程中重要的仿真手段。軟件仿真相對(duì)于硬件實(shí)驗(yàn)可以極大提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，仿真方法還有待進(jìn)一步研究，以適應(yīng)大規(guī)模FPGA的設(shè)計(jì)。

［1］ 阮剛，著.集成電路工藝和器件的計(jì)算機(jī)模擬——ic tcad技術(shù)概論［M］.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2007.

RUAN Gang.Computer simulation of integrated circuit technology and device——introduction to ic tcad technology［M］.Shanghai：Fudan University Press，2007.

［2］ ［美］克里茲，著.高級(jí)FPGA設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

Kretz Senior.FPGA design structure，implementation and optimization［M］.Beijing：Mechanical Industry Press，2009.

［3］ 路勇，著.電子電路實(shí)驗(yàn)及仿真［M］.北京：交通大學(xué)出版社，2010.

Lu Yong.Experiment and simulation of electronic circuit［M］.Beijing：Traffic University Press，2010.

Research on Simulation Technology of Anti－Irradiation

Liu Guoquan
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Comparing with the hardware test，the software simulation which is important to successfully design the project can improve design efficiency and save design cost.The anti－irradiation simulation technology can get the anti－irradiation capability of circuit during the whole design process，depending on irradiation parametermodels.It is a validmethod to guarantee design reliability in design of anti－irradiation device.

Field Programmable Gate Array（FPGA）；Anti－irradiation；Simulation；Modeling

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.01.005

TP368.1

A

1002－2279（2015）01－0013－03

劉國(guó)權(quán)（1963－），男，遼寧省凌海市，高級(jí)工程師，主研方向：FPGA。

2014－11－6