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这本书的内容主要介绍了各类先进电子器件在辐射环境（航天，核物理等）下的行为及效应。辐射与物质的相互作用是一个非常广泛和复杂的课题。在这本书中，作者从各个不同的角度试图分析这个问题，目的是解释理解半导体器件、电路和系统在受到辐射时所观察到的退化效应的最重要方面。内容包括目前国际上对于半导体器件辐射效应关注的各个方向，从传统的Si材料到新型的纳米晶体，从传统的CMOS工艺到新型的薄膜SOI工艺，从器件工艺到结构设计，各类内容均有涉及。本书中各类新兴的探测器技术、电路设计技术、新材料和创新的系统方法都是由业界和学术界的顶尖国际专家探索研究的，具有重要的学术价值，可以作为研究生课程的推荐阅读和补充材料。

目    录
第1章  硅的辐射损伤	1
1.1  引言	1
1.1.1  表面损伤	1
1.1.2  体损伤	1
1.2  IR与Neff的退火效应	3
1.2.1  硅中的掺杂	5
1.2.2  电荷俘获与收集	5
1.3  硅探测器抗辐射强度评估	7
1.3.1  硅探测器与高能物理实验：一个成功的范例	7
1.3.2  硅探测器的抗辐射加固设计	8
1.3.3  n侧信号读取传感器的辐射限度	10
1.3.4  探测器厚度变化的影响	12
1.3.5  强辐射下标准型和薄型硅传感器的反向电流	14
1.3.6  不同单晶硅的辐射耐受性	16
1.4  退火效应	18
1.5  结论：ATLAS示例案例	20
参考文献	20
第2章  用于多类型辐射检测的抗辐射CMOS单光子成像仪	24
2.1  引言	24
2.2  固态单光子探测像素	25
2.3  CMOS工艺APD和SPAD	26
2.3.1  基本结构设计	26
2.3.2  快速淬灭和恢复	27
2.3.3  小型化的重要性	28
2.4  抗辐射SPAD的制备与测试	28
参考文献	35
第3章  氢对场氧化物场效应晶体管和高K电介质的辐射响应	40
3.1  引言	40
3.2  本底1/f噪声	40
3.3  实验细节	41
3.4  结果和讨论	42
3.4.1  电学测试	42
3.4.2  噪声测量	43
3.5  高K电介质	45
3.6  总结	48
参考文献	49
第4章  基于薄膜SOI技术的SiGe HBT中的新型总剂量和重离子电荷收集现象	56
4.1  引言	56
4.2  器件结构与基本原理	58
4.3  辐射效应	60
4.4  单粒子翻转仿真分析	66
4.5  结论	68
参考文献	68
第5章  标准CMOS技术中的抗辐射加固设计的参考电压和电流	72
5.1  引言	72
5.2  带隙参考电路的抗辐射设计方法	72
5.3  典型的CMOS带隙电压求和基准	74
5.4  抗辐射加固设计的参考电压	75
5.5  抗辐射加固设计的参考电流	78
5.6  结论	80
参考文献	80
第6章  纳米晶体存储器：闪存缩放和一级耐辐射器件的发展历程	82
6.1  引言	82
6.2  闪存（Flash）	83
6.2.1  闪存概述	83
6.2.2  闪存基础知识	83
6.3  纳米晶体存储器	89
6.3.1  概述	89
6.3.2  Si纳米晶体存储器的实现	91
6.3.3  纳米晶体存储单元	92
6.3.4  多兆位阵列中的纳米晶体工艺集成	96
6.4  辐射对非易失性存储器的影响	98
6.4.1  NVM辐射效应概述	98
6.4.2  纳米晶体存储器的辐射效应	102
6.4.3  纳米晶体存储器（NCM）与浮栅（FG）存储器的抗辐射特性	108
6.5  结论	110
参考文献	111
第7章  抗TID效应和SEE的SRAM抗辐射加固技术	118
7.1  概述	118
7.1.1  集成电路设计中的嵌入式SRAM	118
7.1.2  空间辐射环境及其影响	118
7.2  抗辐射加固设计（RHBD）	119
7.2.1  总电离剂量（TID）效应	120
7.2.2  SRAM中的单粒子效应（SEE）	120
7.3  SRAM设计中的抗辐射加固技术	123
7.3.1  SRAM单元的读写裕度	123
7.3.2  反向体偏置	125
7.3.3  RHBD SRAM单元设计	125
7.4  SRAM测试结构	127
7.5  TID效应测试结果	128
7.5.1  VDD偏置对TID效应的影响	130
7.5.2  TID对单元读写裕度的影响	130
7.5.3  类型4单元	132
7.5.4  具有RBB的类型1单元的阵列设计注意事项	132
7.5.5  具有RBB的类型1单元的晶体管级测量	134
7.5.6  测试SRAM的设计和实验	134
7.5.7  具有RBB的类型1单元的SRAM测量	135
7.5.8  90 nm晶体管级响应	138
7.6  未加固的SRAM中的单粒子效应（SEE）	139
7.7  单粒子效应（SEE）的缓解	141
7.7.1  具有RBB + SC和SEE缓解的130 nm SRAM设计	141
7.7.2  SRAM列电路	143
7.7.3  具有RBB+SC的SRAM操作	144
7.7.4  SEE的实验测量	144
7.8  总结	148
参考文献	149
第8章  超深亚微米CMOS技术工艺SRAM中的多次翻转完整指南	153
8.1  引言	153
8.2  实验设备的细节	154
8.2.1  关注测试算法对统计多次翻转的重要性	154
8.2.2  实验设备	155
8.2.3  被测器件	156
8.3  实验结果	157
8.3.1  MCU作为辐射源的函数	158
8.3.2  MCU作为阱工程的一个功能——三阱的使用	158
8.3.3  MCU作为倾斜角的函数（重离子实验）	159
8.3.4  MCU作为工艺特征尺寸的函数	160
8.3.5  三阱对MCU的影响	161
8.3.6  MCU与电源电压的关系	161
8.3.7  MCU与温度的关系	162
8.3.8  MCU与位单元架构的关系	162
8.3.9  在LANSCE和TRIUMF上测试MCU率	163
8.3.10  MCU与衬底的关系（体硅与SOI的比较）	164
8.3.11  MCU与测试模式的关系	164
8.4  MCU的3D TCAD建模	165
8.4.1  三阱技术中的双极性效应	166
8.4.2  先进工艺的精确敏感区域	168
8.5  一般结论：驱动MCU灵敏度的参数排序	171
8.6  附录	172
参考文献	174
第9章  先进SRAM的实时软错误率特性	177
9.1  引言	177
9.2  测试平台和环境	178
9.2.1  ASTEP	178
9.2.2  LSM实验室	181
9.3  实验细节	181
9.3.1  测试的器件	181
9.3.2  硬件装置	182
9.3.3  测试程序	184
9.4  实验结果	184
9.4.1  实时测量	185
9.4.2  加速测试	187
9.5  数据分析和讨论	188
9.5.1  65 nm工艺器件实时测试与加速测试的对比	188
9.5.2  65 nm与130 nm工艺技术对比	188
9.5.3  65 nm和130 nm工艺器件的α粒子发射率估算	189
9.5.4  小结	190
9.6  结论	191
致谢	191
参考文献	192
第10章  基于SRAM的FPGA容错技术和可靠性建模	195
10.1  引言	195
10.2  FPGA辐射效应	195
10.2.1  破坏性单粒子效应	196
10.2.2  非破坏性单粒子效应	196
10.2.3  FPGA中的单粒子效应	197
10.3  SEU的检测和校正技术	197
10.3.1  配置擦除（内存清理）	197
10.3.2  重复比较	198
10.4  SEU诱发错误的缓解技术	198
10.4.1  三模冗余	199
10.4.2  时间冗余	200
10.4.3  状态机编码	202
10.4.4  四重逻辑	203
10.5  可靠性模型	205
10.5.1  估计每个擦除周期的翻转概率	206
10.5.2  估计每个擦除周期的故障概率	206
10.5.3  案例研究	207
10.6  结论	210
致谢	211
参考文献	211
第11章  在基于SRAM的FPGA中确保性能稳定的三模冗余保护电路	214
11.1  引言	214
11.2  FPGA的SEU和MBU数据概述	215
11.3  FPGA电路的TMR保护	218
11.3.1  电路设计问题	218
11.3.2  设计约束问题	219
11.3.3  结构布局对电路设计的影响	220
11.4  域交叉故障	220
11.4.1  测试方法与装置	221
11.4.2  测试结果	224
11.4.3  结果分析	224
11.5  单位翻转、多位翻转和电路设计有效性的检测	228
11.5.1  相关工作	229
11.5.2  STARC概述	230
11.5.3  案例研究：区域限制下的可靠性问题	232
11.6  结论	234
参考文献	234
第12章  抗SEU/SET锁相环	237
12.1  引言	237
12.2  表决异步信号	237
12.3  稳定的PLL：使相位引起的表决错误最小化	239
12.4  PLL组件的SEU/SET特性	244
12.4.1  环形VCO	245
12.4.2  分频器	246
12.4.3  Σ-Δ N分频器	246
12.4.4  相位?频率检测器	246
12.4.5  电荷泵	247
12.4.6  环路滤波器	248
12.5  对PLL使用冗余表决技术	249
12.5.1  输出表决法	250
12.5.2  VCO表决法	251
12.6  结论	252
参考文献	253
第13章  半导体集成电路中辐射诱导瞬态的自主检测与表征	255
13.1  引言	255
13.2  软错误	256
13.3  单粒子瞬态和逻辑软错误	256
13.3.1  逻辑电路中的单粒子效应	256
13.3.2  逻辑软错误的扩展趋势	257
13.3.3  前期SET表征	259
13.4  自主脉冲宽度表征	260
13.4.1  通过一系列反相器的瞬态传播	260
13.4.2  自触发瞬态捕获	261
13.4.3  脉冲捕获电路设计	262
13.4.4  脉冲捕获仿真结果	263
13.4.5  测试芯片设计	264
13.5  重离子测试结果	266
13.5.1  130 nm工艺重离子测试	267
13.5.2  90 nm工艺重离子测试	269
13.5.3  基于重离子实验结果的技术趋势	271
13.6  中子和α粒子诱导的瞬态	272
13.6.1  中子诱导的SET的脉冲宽度	272
13.6.2  α粒子诱导的SET的脉冲宽度	273
13.6.3  中子和α粒子的FIT率	274
13.7  总结	276
参考文献	276
第14章  数字电路中的软错误	279
14.1  引言	279
14.2  电子器件的辐射效应	279
14.2.1  非破坏性故障	279
14.2.2  破坏性故障	280
14.2.3  累计故障	280
14.3  软错误下集成电路性能的预测方法	281
14.3.1  基于仿真的故障注入（SBFI）	282
14.3.2  硬件故障注入（HWFI）	282
14.3.3  软件实现的故障注入（SWIFI）	283
14.3.4  基于混合模型的技术：硬件仿真	283
14.4  电子器件抗辐射技术：抗辐射加固	283
14.4.1  减少电荷产生与积累的过程	285
14.4.2  减少SET的产生和传输	285
14.5  电子器件中的故障容错技术	285
14.5.1  空间冗余	286
14.5.2  时间冗余	286
14.5.3  信息冗余	286
14.6  数字滤波器的专门保护技术	287
14.6.1  第一种情况（低保护要求）	289
14.6.2  第二种情况（平均保护要求）	290
14.6.3  第三种情况（高保护要求）	290
14.6.4  保护技术评估	293
14.6.5  与TMR的比较	295
14.7  结论	296
参考文献	297
第15章  可靠性分析中的故障注入技术综述	301
15.1  引言	301
15.2  故障注入系统概述	302
15.3  基于模拟的故障注入	304
15.3.1  使用系统级模拟的故障注入实例	305
15.3.2  使用寄存器传输级模拟的故障注入实例	306
15.3.3  基于模拟的故障注入的最终说明	307
15.4  基于仿真的故障注入	307
15.4.1  基于仿真的故障注入实例	308
15.4.2  对基于仿真的故障注入的最终说明	310
15.5  基于软件的故障注入	310
15.5.1  基于软件的故障注入实例	312
15.5.2  基于软件的故障注入的最终说明	312
15.6  结论	313
致谢	313
参考文献	313

前    言
近年来，因辐射效应而产生的半导体器件和电路的潜在辐射损伤问题备受关注。在辐射环境中，辐射损伤会对空间应用、核物理和军事行动等领域造成极其严重的影响。另外，现代的硅工艺技术也会引入辐射损伤。从简单的X射线检查到复杂的CT或SPECT/PET扫描过程，辐射在医学成像中得到了广泛的应用。
辐射与物质的相互作用是一个涉及面极为宽泛的复杂问题。本书试图通过分析问题，对重点方面进行解释，进而帮助读者理解半导体器件、电路和系统在受到辐照时所产生的结构和性能退化效应。辐射与固体材料相互作用的方式取决于入射粒子的类型以及目标材料的原子序数和密度。光子以三种不同的方式与物质相互作用。
光电效应：入射光子使目标原子电离，而光子基本被完全吸收。发射出光电子后，原子外部轨道中的电子落入由光电子空出的位置，从而发射出低能量的光电子。
康普顿效应：释放目标原子中的电子，并发射光子。入射光子的能量在相互作用的两个产物之间分配。
正负电子对的产生：入射光子被完全湮灭。当入射光子的能量小于1.024 MeV时，这种现象永远不会发生。
发生这三种效应的可能性大小随入射光子的能量而变化，并取决于目标材料的原子序数。
光子对物质的影响可分为两类：电离效应和原子核位移。这些影响可能直接由入射粒子引起，也可能由次级粒子引起。半导体或绝缘体材料中的电离效应能够产生电子?空穴对。电子?空穴对的数量与沉积在材料中的能量值成正比。该能量值通过总吸收剂量表示。
本书对于致力于认真研究电子行业辐射效应的专业人员而言极具实用价值，它主要面向具有一定电子专业背景的研究生和科研人员、半导体工程师以及核领域与空间领域的工程师。本书由国际工业和学术界顶尖专家编著，论述了新兴的探测器技术、电路设计技术，以及新材料和创新的系统方法，可用作研究生课程的推荐阅读材料和补充材料。

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半导体器件中的辐射效应