CN105608292A - 一种模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法，包括：高能粒子射入处于关态的MOS管的沟道区，电离出的大量的电子空穴对在电场的作用下形成瞬态电流脉冲，分析电子空穴对在体漏形成的反偏PN结空间电荷区的漂移过程，建立初步的节点电压恒定不变的漂移电流解析模型I(t)＝I₀·(e^-αt-e^-βt)；通过解析计算得到脉冲峰值I₀的表达式；加入描述节点电压变化的模型表征节点电压和瞬态电流之间的关系，所述单粒子瞬态电流脉冲的电流源模型为：本发明的模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法建立的单粒子瞬态电流脉冲的电流源模型能准确拟合单粒子瞬态脉冲的长尾效应，对抗辐射电路的加固设计具有重要参考意义。

Description

一种模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法

技术领域

本发明涉及单粒子效应研究领域，特别是涉及一种模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法。

背景技术

单粒子效应是指单个高能粒子穿过微电子器件的灵敏区时造成器件状态的非正常改变的一种辐射效应，包括单粒子翻转(Singleeventupset)、单粒子锁定(Singleeventlatchup)、单粒子功能中断、单粒子瞬态脉冲(Signaleventtransient，SET)、单粒子多位翻转、单粒子烧毁(Singleeventburnout)、单粒子栅击穿(Singleeventgaterupture)、单粒子扰动及单粒子硬错误等。

单粒子效应是诱发电子设备异常的主要辐射效应之一，在集成电路中发生频率最高的是单粒子瞬态脉冲效应和单粒子翻转效应。瞬态脉冲在组合逻辑路径上产生并被传播，称为SET，SET导致逻辑状态翻转，使得电路的逻辑状态发生错误，严重影响集成电路的功能。因此为了能够避免上述单粒子瞬态脉冲，首先需要对单粒子效应进行评价和研究，以进一步解决单粒子瞬态脉冲对集成电路的影响。

如图1所示为现有技术中两种模拟单粒子瞬态脉冲的电流源模型，虚线为单指数脉冲电流源模型，其表达式为：y＝I₀·e^-αt；实线为双指数脉冲电流源模型，其表达式为：y＝I₀·(e^-αt-e^-βt)；其中，I₀为峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数。双指数脉冲电流源模型是对单指数脉冲电流源模型的一种改进，相较于单指数脉冲电流源模型，双指数脉冲电流源模型对单粒子瞬态脉冲的拟合度更高，但是单粒子瞬态脉冲存在长尾效应，双指数脉冲电流源模型也无法无完全拟合。如图2～图4所示为不同入射粒子的线性能量传输值(LET分别为：0.1MeV*mg^-1*cm²、1MeV*mg^-1*cm²、10MeV*mg^-1*cm²)下单粒子瞬态脉冲和双指数电流源模型仿真结果的比较，其中，实线为单粒子瞬态脉冲，虚线为双指数电流源模型仿真结果，由图可知，在各LET下，单粒子瞬态脉冲的长尾效应都未得到双指数电流源模型的拟合，因此模拟单粒子瞬态脉冲的电流源模型与实际的单粒子瞬态脉冲存在较大的差异，通过对模拟单粒子瞬态脉冲的电流源模型的研究来解决单粒子瞬态脉冲对集成电路的影响的效果也就无法带到保障。

因此，如何完整描述单粒子瞬态脉冲，建立准确的电流源模型来评价单粒子瞬态脉冲已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法，用于解决现有技术中双指数脉冲电流源模型无法拟合单粒子瞬态脉冲的长尾效应的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法，所述模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法至少包括：

S1：高能粒子入射处于关态的MOS管沟道区，电离出大量的电子空穴对，分析电子空穴对在体漏形成的反偏PN结空间电荷区的漂移过程，并建立简单的节点电压恒定不变的漂移电流解析模型I(t)＝I₀·(e^-αt-e^-βt)；

S2：由入射粒子的线性能量传输值，Si的掺杂浓度，通过解析计算得到脉冲峰值I₀的表达式；

S3：考虑到到单边突变结沟道一侧空间电荷的宽度X_p随节点电压变化而变化，加入描述节点电压变化的模型表征节点电压和瞬态电流之间的关系，则所述单粒子瞬态电流脉冲的电流源模型为：

$I\left(t\right)=I_0\sqrt{\mathrm{\γ}\left(V\right(t)+V_d)}\·(e^{-\mathrm{\α}t}-e^{-\mathrm{\β}t})$

其中，I₀为脉冲峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数，V(t)为节点电压，Vd为内建电势差，γ为矫正因子。

优选地，步骤S1中忽略漏斗区内电子空穴对的漂移作用。

优选地，关态的MOS管为PMOS或NMOS。

更优选地，所述脉冲峰值的表达式为：

$I_0=\frac{LET}{3.6}\·\frac{q^2{\mathrm{\μ}}_n{N}_A}{\mathrm{\ϵ}}{X}_p$

其中，LET为入射粒子的线性能量传输值；q为电子电荷量；μn为电子的迁移率；NA为沟道掺杂浓度；ε为硅的介电常数；Xp为沟道一侧空间电荷区的宽度。

更优选地，对于单边突变结，沟道一侧空间电荷的宽度：

$X_p=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{qN}}_A}\left(V\right(t)+V_d)}$

其中，q为电子电荷量；N_A为沟道掺杂浓度；ε为硅的介电常数；V(t)为节点电压；V_d为内建电势差。

优选地，所述节点电压与电流脉冲呈负反馈关系，初始状态所述节点电压为电源电压，所述节点电压的变化模型为

如上所述，本发明的一种模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法，具有以下有益效果：

本发明的一种模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法首先分析电子空穴对在空间电荷区的漂移过程，并建立节点电压恒定不变的漂移电流解析模型I(t)＝I₀·(e^-αt-e^-βt)；然后通过解析计算得到脉冲峰值I₀的表达式；最后加入描述节点电压变化的模型表征节点电压和瞬态电流之间的关系，建立单粒子瞬态电流脉冲的模型为：其中，I₀为脉冲峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数，V(t)为节点电压，Vd为内建电势差，γ为矫正因子。以此准确拟合单粒子瞬态脉冲的长尾效应，对抗辐射电路的加固设计具有重要参考意义。

附图说明

图1显示为现有技术中的单指数脉冲电流源模型和双指数脉冲电流源模型的示意图。

图2～图4显示为现有技术中的不同LET下单粒子瞬态脉冲和双指数电流源模型仿真结果的比较示意图。

图5显示为本发明的模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法的流程示意图。

图6显示为本发明的模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法建立的模型及双指数电流源模型与单粒子瞬态脉冲拟合的示意图。

元件标号说明

S1～S3步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图5～图6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图5～图6所示，本实施例提供一种模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法，所述建模方法包括：

步骤S1：高能粒子入射处于关态的MOS管沟道区，电离出量的电子空穴对，分析电子空穴对在体漏形成的反偏PN结空间电荷区的漂移过程，并建立简单的节点电压恒定不变的漂移电流解析模型I(t)＝I₀·(e^-αt-e^-βt)。

具体地，如图5所示，采用高能粒子轰击处于关态的MOS管的沟道区，在本实施例中，MOS管选用一个CMOS反向器中的NMOS，关态的PMOS管在本实施例中同样适用，不以本实施例为限。在电离作用下产生大量的电子-空穴对，在外加电场作用下进行漂移运动，导致电子和空穴分别被漏极和源极收集，产生瞬态电流脉冲。IBM研究发现高能粒子的入射电离程度随着入射深度的增加而减小，提出漏斗模型。由于漏斗区内电子-空穴对的漂移对器件单粒子翻转的贡献很小，因此漏斗区内电子空穴对的漂移作用忽略，只分析电子空穴对在空间电荷区的漂移过程。经过一定的简化和近似，可以得到节点电压恒定不变的漂移电流解析模型：

I(t)＝I₀·(e^-αt-e^-βt)，其中，I₀为脉冲峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数。

步骤S2：由入射粒子的线性能量传输值，Si的掺杂浓度，通过解析计算得到脉冲峰值I₀的表达式。

具体地，如图5所示，高能粒子射入处于关态的MOS管的沟道区，由于源漏之间存在电压，电离出的电子、空穴在电场的作用下形成电流脉冲，通过解析计算得到脉冲峰值I₀的表达式为：

$I_0=\frac{LET}{3.6}\·\frac{q^2{\mathrm{\μ}}_n{N}_A}{\mathrm{\ϵ}}{X}_p$

其中，LET为入射粒子的线性能量传输值。q为电子电荷量，在本实施例中，优选为：1.6*10^-19C。μ_n为电子的迁移率。N_A为沟道掺杂浓度，在本实施例中，优选为：10¹⁹/cm³。ε为硅的介电常数，在本实施例中，优选为11.9。x_p为沟道一侧空间电荷区的宽度。

步骤S3：考虑到单边突变结沟道一侧空间电荷的宽度X_p随节点电压变化而变化，加入描述节点电压变化的模型表征节点电压和瞬态电流之间的关系，则所述单粒子瞬态电流脉冲的电流源模型为：

$I\left(t\right)=I_0\sqrt{\mathrm{\γ}\left(V\right(t)+V_d)}\·(e^{-\mathrm{\α}t}-e^{-\mathrm{\β}t})$

其中，I₀为脉冲峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数，V(t)为节点电压，Vd为内建电势差，γ为矫正因子。

具体地，如图5所示，对于单边突变结，其沟道一侧空间电荷的宽度X_p满足如下关系式：

$X_p=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{qN}}_A}\left(V\right(t)+V_d)}$

其中，V(t)为节点电压，为变量，其初始值为电源电压值；V_d为内建电势差。

在整个SEU(单粒子翻转)事件中，节点电压V(t)与电流脉冲I(t)是负反馈的关系。节点电压V(t)的初始值为电源电压值，瞬态电流脉冲导致节点电压大幅度下降，源漏之间电势差变小，使沟道一侧空间电荷的宽度X_p，电流脉冲I(t)也随之减小，电压下降得越来越慢，，所述节点电压的变化模型为为了表征节点电压和瞬态电流之间的关系，则所述单粒子瞬态脉冲的电流源模型表示为：

如图6所示，将本发明建立的单粒子瞬态脉冲的电流源模型及双指数电流源模型与单粒子瞬态脉冲拟合，其中，虚线为双指数电流源模型，实线为本发明建立的单粒子瞬态脉冲的电流源模型和单粒子瞬态脉冲，本发明建立的单粒子瞬态脉冲的电流源模型和单粒子瞬态脉冲完全拟合，表现为同一曲线。

如上所述，本发明的一种模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法，具有以下有益效果：

本发明的一种模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法首先分析电子空穴对在空间电荷区的漂移过程，并建立节点电压恒定不变的漂移电流解析模型I(t)＝I₀·(e^-αt-e^-βt)；然后通过解析计算得到脉冲峰值I₀的表达式；最后加入描述节点电压变化的模型表征节点电压和瞬态电流之间的关系，建立单粒子瞬态电流脉冲的模型为：其中，I₀为脉冲峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数，V(t)为节点电压，Vd为内建电势差，γ为矫正因子。以此准确拟合单粒子瞬态脉冲的长尾效应，对抗辐射电路的加固设计具有重要参考意义。

综上所述，本发明提供一种模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法，包括：高能粒子入射处于关态的MOS管沟道区，电离出大量的电子空穴对，分析电子空穴对在空间电荷区的漂移过程，并建立简单的节点电压恒定不变的漂移电流解析模型I(t)＝I₀·(e^-αt-e^-βt)；由入射粒子的线性能量传输值，Si的掺杂浓度，通过解析计算得到脉冲峰值I₀的表达式；考虑到到单边突变结沟道一侧空间电荷的宽度X_p随节点电压变化而变化，加入描述节点电压变化的模型表征节点电压和瞬态电流之间的关系，则所述单粒子瞬态电流脉冲的电流源模型为：其中，I₀为脉冲峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数，V(t)为节点电压，Vd为内建电势差，γ为矫正因子。本发明的模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法建立的单粒子瞬态电流脉冲的电流源模型能准确拟合单粒子瞬态脉冲的长尾效应，对抗辐射电路的加固设计具有重要参考意义。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法，其特征在于，所述模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法至少包括：

S1：高能粒子入射处于关态的MOS管沟道区，电离出大量的电子空穴对，分析电子空穴对在体漏形成的反偏PN结空间电荷区的漂移过程，并建立简单的节点电压恒定不变的漂移电流解析模型I(t)＝I₀·(e^-αt-e^-βt)；

S2：由入射粒子的线性能量传输值，Si的掺杂浓度，通过解析计算得到脉冲峰值I₀的表达式；

S3：考虑到单边突变结沟道一侧空间电荷的宽度X_p随节点电压变化而变化，加入描述节点电压变化的模型表征节点电压和瞬态电流之间的关系，则所述单粒子瞬态电流脉冲的电流源模型为：

$I\left(t\right)=I_0\sqrt{\mathrm{\γ}\left(V\right(t)+V_d)}\·(e^{-\mathrm{\α}t}-e^{-\mathrm{\β}t})$

其中，I₀为脉冲峰值电流；1/α为电荷收集的时间常数；1/β为初始化建立粒子轨迹的时间常数，V(t)为节点电压，Vd为内建电势差，γ为矫正因子。

2.根据权利要求1所述的模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法，其特征在于：步骤S1中忽略漏斗区内电子空穴对的漂移作用。

3.根据权利要求1所述的模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法，其特征在于：关态的MOS管为PMOS或NMOS。

4.根据权利要求3所述的模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法，其特征在于：所述脉冲峰值的表达式为：

$I_0=\frac{LET}{3.6}\·\frac{q^2{\mathrm{\μ}}_n{N}_A}{\mathrm{\ϵ}}{X}_p$

其中，LET为入射粒子的线性能量传输值；q为电子电荷量；μ_n为电子的迁移率；N_A为沟道掺杂浓度；ε为硅的介电常数；X_p为沟道一侧空间电荷区的宽度。

5.根据权利要求1或3所述的模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法，其特征在于：对于单边突变结，沟道一侧空间电荷的宽度：

$X_p=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ϵ}}{{\mathrm{qN}}_A}\left(V\right(t)+V_d)}$

其中，q为电子电荷量；N_A为沟道掺杂浓度；ε为硅的介电常数；V(t)为节点电压；V_d为内建电势差。

6.根据权利要求1所述的模拟单粒子脉冲长尾效应的建模方法，其特征在于：所述节点电压与电流脉冲呈负反馈关系，初始状态所述节点电压为电源电压，所述节点电压的变化模型为