一種基于復(fù)合敏感體積模型的器件在軌單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)示方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于復(fù)合敏感體積模型的器件在軌翻轉(zhuǎn)率預(yù)計方法。該方法利用粒子輸運仿真手段，獲取實際飛行軌道上器件經(jīng)受的電荷沉積情況；結(jié)合器件邏輯單元的單粒子效應(yīng)仿真模擬手段，獲取器件邏輯單元的敏感參數(shù)，建立復(fù)合敏感體積模型，描述入射粒子沉積電荷被收集情況；在獲得邏輯單元樣本粒子翻轉(zhuǎn)情況后，采用加權(quán)統(tǒng)計方法，最終獲得器件在軌翻轉(zhuǎn)率預(yù)計結(jié)果。提高了宇航用元器件，尤其是高集成度、小特征尺寸的深亞微米器件的在軌翻轉(zhuǎn)率預(yù)計準確性。
【專利說明】一種基于復(fù)合敏感體積模型的器件在軌單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)示方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于復(fù)合敏感體積模型的器件在軌單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)計方法，屬于宇航用元器件抗輻射【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]存在于航天器運行空間的單個高能粒子與星載電子元器件發(fā)生相互作用，可能導(dǎo)致元器件產(chǎn)生單粒子效應(yīng)，是誘發(fā)航天器故障的重要因素之一。地面粒子加速器無法產(chǎn)生與航天器運行軌道相同的帶電粒子輻射環(huán)境。在軌翻轉(zhuǎn)率預(yù)計方法，結(jié)合元器件地面模擬輻照試驗數(shù)據(jù)和實際在軌經(jīng)受輻射環(huán)境，實現(xiàn)對器件實際在軌發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)情況的預(yù)計，為星載電子器件的抗單粒子能力評估和加固工作提供重要依據(jù)。
[0003]目前的在軌翻轉(zhuǎn)率預(yù)計方法基本建立在帶電粒子入射產(chǎn)生的電子空穴對在器件的靈敏區(qū)內(nèi)積累并被收集的電荷大于等于閾電荷(臨界電荷)時發(fā)生翻轉(zhuǎn)的理論基礎(chǔ)上，對粒子入射到器件中后的電荷收集區(qū)域進行建模，稱為敏感區(qū)(sensitive volume, SV)，利用建立的敏感體積模型描述入射粒子引起的電荷沉積和收集，在此基礎(chǔ)上通過與器件臨界翻轉(zhuǎn)電荷Qcrit的比較來判斷是否發(fā)生翻轉(zhuǎn)。
[0004]國外建立的在軌預(yù)計軟件，如CR&ME-MC、SPENVIS, Space Radiation等，均采用了基于RPP (Rectangular Parallelepiped,長方體)模型和基于 IRPP (Integral RectangularParallelepiped)模型的在軌翻轉(zhuǎn)率預(yù)計方法。其預(yù)計原理是,假設(shè)器件存儲單元的敏感區(qū)為單一、有界的長方體，假設(shè)在該區(qū)域內(nèi)入射粒子的電荷沉積以入射LET (Linear EnergyTransfer，線性能量轉(zhuǎn)移)表征，沉積電荷均可被有源區(qū)收集，其中敏感區(qū)尺寸參數(shù)在工程上可根據(jù)地面模擬試驗數(shù)據(jù)獲得。兩種預(yù)計方法的區(qū)別在于，RPP模型假設(shè)器件具有單一的臨界翻轉(zhuǎn)電荷，IRPP模型假設(shè)器件不同存儲單元間具有不同的臨界翻轉(zhuǎn)電荷。
[0005]隨著宇航用元器件集成度提高，特征尺寸減小，現(xiàn)有預(yù)計方法主要存在以下問題:
(I)現(xiàn)有預(yù)計方法關(guān)于存在單一敏感體積(敏感體積尺寸由地面模擬輻照試驗對應(yīng)高LET粒子的試驗數(shù)據(jù)確定)且沉積電荷全部被收集的簡化假設(shè)，導(dǎo)致在低LET粒子對翻轉(zhuǎn)貢獻上做出過高估計?？臻g帶電粒子的LET能譜在低LET范圍的通量較高，這一點對LET翻轉(zhuǎn)閾值較小的深亞微米器件會造成更大的預(yù)計誤差。
[0006](2)現(xiàn)有預(yù)計方法僅以LET表征入射粒子的電離作用，未考慮離子徑跡載流子的空間分布。對高集成度的小特征尺寸器件，忽略粒子入射后產(chǎn)生的載流子空間分布對翻轉(zhuǎn)的影響會造成更大的預(yù)計誤差。
[0007](3)現(xiàn)有預(yù)計方法的分析對象為一個邏輯單元，對高集成度器件存在敏感體積超過單元范圍、相鄰單元敏感體積發(fā)生重疊的情況，忽略了多電路節(jié)點電荷共享導(dǎo)致相鄰單元同時發(fā)生翻轉(zhuǎn)的情況。
[0008]由于器件單粒子效應(yīng)的計算機數(shù)值模擬工具能夠詳細的反映器件工藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)對電荷收集的影響，需要結(jié)合器件單粒子效應(yīng)仿真模擬手段，建立一種更為客觀、準確的在軌翻轉(zhuǎn)率預(yù)計方法，支持深亞微米器件的宇航應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在入射粒子電荷沉積和器件敏感體積建模等方面更加客觀細化的在軌單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)示方法，提高宇航用元器件，尤其是高集成度、小特征尺寸的深亞微米器件的在軌翻轉(zhuǎn)率預(yù)計準確性。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:利用粒子輸運仿真手段，獲取實際飛行軌道上器件經(jīng)受的電荷沉積情況；結(jié)合器件邏輯單元的單粒子效應(yīng)仿真模擬手段，獲取器件邏輯單元的敏感參數(shù)，建立復(fù)合敏感體積模型，描述入射粒子沉積電荷被收集情況；在獲得邏輯單元樣本粒子翻轉(zhuǎn)情況后，采用加權(quán)統(tǒng)計方法，最終獲得器件在軌翻轉(zhuǎn)率預(yù)計結(jié)果。
[0011]基于復(fù)合敏感體積模型的器件在軌翻轉(zhuǎn)率預(yù)計的基本步驟是:
(I)提取器件單元電路結(jié)構(gòu)，建立器件單元電路級物理模型，根據(jù)器件單元電路的單粒子翻轉(zhuǎn)模擬仿真結(jié)果，針對各個敏感節(jié)點，提取敏感體積參數(shù)，包括對應(yīng)不同敏感節(jié)點的臨界翻轉(zhuǎn)電荷Qcrit，各個敏感體積尺寸、相對位置及其敏感系數(shù)，建立器件單元的敏感體積模型。[0012](2)根據(jù)器件應(yīng)用情況(飛行軌道、飛行周期、屏蔽情況等)，計算器件在軌經(jīng)受的粒子通量，抽取一個較大的隨機粒子樣本，利用Geant4軟件仿真其中每個粒子入射器件的軌跡和電荷沉積情況；
(3 )利用步驟(1)建立的敏感體積模型，統(tǒng)計粒子樣本中每個粒子在敏感體積內(nèi)被收集的電荷，判斷該入射粒子是否引起了翻轉(zhuǎn)，對粒子樣本中各個粒子引起翻轉(zhuǎn)的情況進行加權(quán)平均，獲得器件在軌單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)計結(jié)果。
[0013]步驟(1)中，復(fù)合敏感體積模型在位單元中對應(yīng)各個敏感節(jié)點分別建立一組大小不同的敏感體積，互相嵌套。
[0014]假設(shè)以N個敏感體積嵌套，其中，a i為對應(yīng)第i個敏感體積的敏感參數(shù)，Qdep, i為入射粒子在第i個敏感體積內(nèi)沉積的電荷量。每個敏感體積具有不同敏感系數(shù)α，每個敏感體積中收集電荷Qcoll的計算見下式。不同電路敏感節(jié)點的臨界翻轉(zhuǎn)電荷Qcrit可以不同，任何一個敏感電路節(jié)點對應(yīng)的敏感體積組內(nèi)收集的電荷超過了對應(yīng)臨界翻轉(zhuǎn)電荷Qcrit即判斷單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種器件在軌翻轉(zhuǎn)率預(yù)計方法，其特征在于，利用粒子輸運仿真手段，獲取實際飛行軌道上器件經(jīng)受的電荷沉積情況；結(jié)合器件邏輯單元的單粒子效應(yīng)仿真模擬手段，獲取器件邏輯單元的敏感參數(shù)，建立復(fù)合敏感體積模型，描述入射粒子沉積電荷被收集情況；在獲得邏輯單元樣本粒子翻轉(zhuǎn)情況后，采用加權(quán)統(tǒng)計方法，獲得器件在軌翻轉(zhuǎn)率預(yù)計結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種方法，其中，基于復(fù)合敏感體積模型的器件在軌翻轉(zhuǎn)率預(yù)計的基本步驟是: 步驟(1)提取器件單元電路結(jié)構(gòu)，建立器件單元電路級物理模型，根據(jù)器件單元電路的單粒子翻轉(zhuǎn)模擬仿真結(jié)果，針對各個敏感節(jié)點，提取復(fù)合敏感體積模型參數(shù)，建立器件單元的復(fù)合敏感體積模型； 步驟(2)根據(jù)器件應(yīng)用情況，計算器件在軌經(jīng)受的粒子通量，抽取一個較大的隨機粒子樣本，利用Geant4軟件仿真其中每個粒子入射器件的軌跡和電荷沉積情況； 步驟(3)利用步驟(1)建立的敏感體積模型，統(tǒng)計粒子樣本中每個粒子在敏感體積內(nèi)被收集的電荷，判斷該入射粒子是否引起了翻轉(zhuǎn)，對粒子樣本中各個粒子引起翻轉(zhuǎn)的情況進行加權(quán)平均，獲得器件在軌單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)計結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種方法，其中，步驟(1)中，復(fù)合敏感體積模型在位單元中對應(yīng)各個敏感節(jié)點分別建立一組大小不同的敏感體積，互相嵌套。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種方法，其中，對器件單元電路每個敏感節(jié)點，分別以M個敏感體積嵌套，其中，為對應(yīng)第i個敏感體積的敏感參數(shù)，Qdep, i為入射粒子在第i個敏感體積內(nèi)沉積的電荷量，每個敏感體積中收集電荷Qcoll 按照
5.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項所述的一種方法，其中，所述復(fù)合敏感體積模型的模型參數(shù)為:對應(yīng)不同敏感節(jié)點的臨界翻轉(zhuǎn)電荷Qcrit、各個敏感體積尺寸、相對位置及其敏感系數(shù)。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項所述的一種方法，其中，步驟(2)中，抽取一個較大的隨機粒子樣本的方法為:進行重點采樣，增加能量較高、較重的粒子所占的比例，并賦予這些粒子較低的權(quán)重作為補償，使得樣本在統(tǒng)計上保持無偏。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求6所述的一種方法，其中，所述抽取方法的抽樣原理為: (a)假設(shè)每個粒子可以用一組參數(shù)Θ表征，該粒子引起翻轉(zhuǎn)的概率記作pF(Θ)； (b)假設(shè)元件封裝外部，粒子分布的微分密度函數(shù)為f(Θ)； (C)假設(shè)可以快速評估粒子Θ引起翻轉(zhuǎn)的概率，并給出一個保守的估計值g(0)大于等于PF (Θ)； 利用Metropolis法抽取N個服從分布f ( Θ ) g( Θ )的粒子,其中，第i個粒子的權(quán)重W= 1/g (Θ i)。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項所述的一種方法，其中，步驟(3)中，包括兩個步驟來獲得結(jié)果:判斷樣本粒子導(dǎo)致器件邏輯單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)的情況；和 粒子樣本翻轉(zhuǎn)結(jié)果加權(quán)平均，獲得器件在軌單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)計結(jié)果。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求8所述的一種方法，其中，判斷樣本粒子導(dǎo)致器件邏輯單元發(fā)生翻轉(zhuǎn)的情況的方法為: 結(jié)合每個粒子入射器件的軌跡和電荷沉積情況，利用建立的位單元復(fù)合敏感體積模型，同時計算一個入射粒子引起的在相鄰9個位單元中的收集情況；對陣列很大，并且所有的單元都是完全相同的情況，可以根據(jù)陣列中單元的周期，將入射粒子入射器件的電荷沉積分布平移到9個位單元模型的中心單元內(nèi)，計算電荷收集情況，判斷入射粒子引起的翻轉(zhuǎn)情況。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求任一項所述的一種方法，其中，抽取的樣本中有N個粒子，第i個粒子的權(quán)重為Wi,樣本中的每個粒子，翻轉(zhuǎn)率的貢獻為rf(0)，對粒子樣本中各個粒子引起翻轉(zhuǎn)的情況進行加權(quán)平均，根據(jù)公式——計算總的翻轉(zhuǎn)概率的估計值，獲得器件在軌單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)計結(jié)果。`
【文檔編號】G06F17/50GK103729503SQ201310713022
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】孫毅, 張瑩, 于慶奎, 唐民, 張磊, 羅磊, 祝名 申請人:中國空間技術(shù)研究院