CN112214953B - 一种电路级总剂量辐射效应仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电路级总剂量辐射效应仿真方法,该方法包括晶体管偏置电压提取、晶体管平均偏置电压计算、晶体管辐射陷阱电荷计算、晶体管总剂量效应模型参数更新、电路总剂量辐射损伤仿真、电路总剂量辐射损伤时间连续反馈计算。该方法的理论基础是晶体管辐照偏置条件不同,总剂量辐射损伤特性不同,进而影响电路的总剂量辐射损伤。该方法的优势在于根据电路中晶体管的偏置状态,计算晶体管总剂量辐射损伤,实现电路总剂量辐射效应的精确仿真。
Description
技术领域
本发明属于抗辐射集成电路设计技术领域,具体涉及一种电路级总剂量辐射效应仿真方法。
背景技术
卫星电子系统中的集成电路受空间辐射环境中高能带电粒子辐射,造成辐射损伤,严重威胁卫星的安全可靠运行。总剂量辐射效应是其中重要的辐射损伤效应之一,它是由质子和电子电离作用产生的永久性累积损伤,决定了器件在空间使用的最长期限,是高轨、长寿命卫星面临的重要问题。为了保障卫星安全、提高卫星寿命,必须了解集成电路的总剂量辐射效应及其机理,从而采取相应的措施。但是,由于集成电路结构、功能的复杂性和多样性,我们对其总剂量辐射损伤机理的认识仍不清晰。
总剂量辐射效应首先将引起组成集成电路最小单元的晶体管参数变化,当晶体管参数变化到一定程度时将引起逻辑门及功能模块性能退化,模块性能退化进而造成整个电路性能的退化、甚至失效。从目前研究来看,对晶体管总剂量辐射损伤机制的研究早已深入至了器件氧化层、钝化层、隔离层的辐射陷阱电荷产生等微观层面;电路辐照前后宏观性能参数变化,只要具备必要的时间和设备,也可进行全面详细的测量;然而,逻辑门、功能模块级的辐射损伤情况,由于集成电路结构的复杂性,尚无办法直接测量,需要借助电路级总剂量辐射效应仿真的方法获得集成电路内部辐射损伤信息。
辐照偏置条件是指电路工作时晶体管各端口的偏置电压,辐照偏置条件不同导致晶体管氧化物中的电场强度及方向不同,进而辐射感生陷阱电荷数量、位置不同。辐照偏置条件不同引起的晶体管辐射损伤差异会导致差分对管失配等电路辐射损伤特性,是电路级总剂量效应仿真必须要考虑的因素。晶体管总剂量效应模型需要考虑辐照偏置条件影响因素,而辐照偏置条件需要通过电路仿真获得,进而电路级总剂量效应仿真需要实现晶体管总剂量效应模型与电路仿真计算的互相通信,而常规的电路仿真通常是晶体管模型到电路仿真计算的单向输入。
本发明提出一种电路级总剂量辐射效应仿真方法,利用不同偏置电压在晶体管氧化物产生电场分布不同的特点,分别计算晶体管不同端口偏置电压引入陷阱电荷,进行随辐照时间的电路总剂量辐射损伤迭代计算,实现考虑辐照偏置条件影响的电路级总剂量效应仿真。
发明内容
本发明目的在于,提供一种电路级总剂量辐射效应仿真方法,该方法包括晶体管偏置电压提取、晶体管平均偏置电压计算、晶体管辐射陷阱电荷计算、晶体管总剂量效应模型参数更新、电路总剂量辐射损伤仿真、电路总剂量辐射损伤时间连续反馈计算。该方法的理论基础是晶体管辐照偏置条件不同,总剂量辐射损伤特性不同,进而影响电路的总剂量辐射损伤。该方法的优势在于根据电路中晶体管的偏置状态,计算晶体管总剂量辐射损伤,实现电路总剂量辐射效应的精确仿真。
本发明所述的一种电路级总剂量辐射效应仿真方法,按下列步骤进行:
晶体管偏置电压提取:
a、根据待研究电路静态状态下各输入端口条件,对待研究电路进行直流仿真,输出电路中各个晶体管栅、源、漏、体端电压,根据待研究电路不同工作模式下各输入端口条件,对待研究电路不同工作模式分别进行瞬态仿真,瞬态仿真时间长度为一个工作周期,输出电路中各个晶体管栅、源、漏、体端电压;
晶体管平均偏置电压计算:
b、对于步骤a中的直流仿真,仿真中输出的晶体管偏置电压即为晶体管平均偏置电压,对于步骤a中的瞬态仿真,在一个工作周期内对仿真中输出的晶体管偏置电压进行随时间的积分并除以工作周期,即为晶体管平均偏置电压,栅端平均偏置电压具体计算公式:
其中,表示晶体管栅端的平均偏置电压,T为待研究电路的一个工作周期,V_Gate(t)表示瞬态仿真中输出的随工作时间变化的晶体管栅端偏置电压,晶体管源、漏、体端平均偏置电压的计算方法与栅端平均偏置电压计算方法一致;
晶体管辐射陷阱电荷计算:
c、分别计算晶体管栅、源、漏、体端偏置电压引入的辐射陷阱电荷,栅端电压在氧化物引入氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷具体计算公式:
其中,Not(t0)为时间t0内产生的氧化物陷阱电荷,Nit(t0)为时间t0内产生的界面陷阱电荷,K1、K2、K3、K4、K5、K6为拟合参数,ε(x)为1V栅端电压在晶体管氧化物内产生的电场分布函数,x表示沿晶体管源、漏方向对称分割平面上氧化物与沟道交界线,起点为0,终点为Xdepth,Tox(x)为氧化物厚度分布函数,将待研究电路的总累计辐照时间划分为多个时间间隔t0,t1,t2,t3……,t0为第一个总剂量辐照时间点;源、漏、体端电压引入氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷计算与栅端电压计算方法一致;
晶体管总剂量效应模型参数更新:
d、将步骤c计算出的氧化物陷阱电荷Not(t0)、界面陷阱电荷Nit(t0)带入晶体管总剂量模型,生成时间t0的晶体管总剂量效应模型;
电路总剂量辐射损伤仿真:
e、调用步骤d中生成的时间t0的晶体管总剂量效应模型,仿真电路的直流、瞬态、噪声、稳定性特性,输出时间t0的电路总剂量辐射损特性,调用步骤d中生成的时间t0的晶体管总剂量效应模型,利用步骤a中的仿真条件,输出时间t0的晶体管偏置电压;
电路总剂量辐射损伤时间连续反馈计算:
F、以步骤e中输出的时间t0的晶体管偏置电压为输入条件,进行步骤b,c,d,e的操作,其中步骤c中的辐照时间由t0替换为t1,步骤d中的氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷替换为以下公式计算结果:
Not=Not(t0)+Not(t1)
Nit=Nit(t0)+Nit(t1)
步骤e输出时间t0+t1的电路总剂量辐射损伤特性,输出时间t0+t1的晶体管偏置电压;
步骤e中输出的时间t0+t1的晶体管偏置电压为输入条件,进行步骤b,c,d,e的操作,其中步骤c中的辐照时间由t0替换为t2,步骤d中的氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷替换为以下公式计算结果:
Not=Not(t0)+Not(t1)+Not(t2)
Nit=Nit(t0)+Nit(t1)+Nit(t2)
步骤e输出时间t0+t1+t2的电路总剂量辐射损伤特性,输出时间t0+t1+t2的晶体管偏置电压;
按时间增加循环进行步骤b,c,d,e,f的操作,分别输出随辐照时间t0,t0+t1,t0+t1+t2……变化的电路总剂量辐射损伤特性。
步骤a,e,f中的电路仿真为并行SPICE仿真。
步骤a,e,f中的电路仿真中,电路工作电压设为1.1倍的正常工作电压。
本发明所述的一种电路级总剂量辐射效应仿真方法,该方法中:
晶体管偏置电压,是指晶体管栅、源、漏、体端电压。
晶体管平均偏置电压,是指晶体管偏置电压随工作时间的平均值。
晶体管辐射陷阱电荷是指氧化物中的氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷。
晶体管总剂量模型是指描述辐射导致电参数退化的紧凑模型,氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷是晶体管总剂量模型的输入参数。
本发明所述的一种电路级总剂量辐射效应仿真方法,与现有技术相比其优点为:
一、考虑辐照偏置条件在晶体管氧化物产生电场不均匀分布对辐射陷阱电荷的影响。
二、分析待研究电路静态、不同工作模式下的总剂量辐射损伤特性,完备获得待研究电路的总剂量辐射损伤特性。
应当理解的是,以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的,并不能限制本发明。
附图说明
图1为本发明流程图;
图2为本发明130nm SOI工艺输出电路晶体管Xm59漏端平均偏置电压;
图4为本发明130nm SOI工艺输出电路功耗电流随辐照时间的仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
实施例
本发明所述的一种电路级总剂量辐射效应仿真方法,具体操作按图1所列步骤进行:
晶体管偏置电压提取:
a、晶体管偏置电压,是指晶体管栅、源、漏、体端电压,根据待研究电路静态状态下各输入端口条件,对待研究电路进行直流仿真,输出电路中各个晶体管栅、源、漏、体端电压,根据待研究电路不同工作模式下各输入端口条件,对待研究电路不同工作模式分别进行瞬态仿真,瞬态仿真时间长度为一个工作周期,输出电路中各个晶体管栅、源、漏、体端电压,以130nm SOI工艺的输出电路为例,其中晶体管Xm59漏端电压一个工作周期的输出电压如图2所示;
晶体管平均偏置电压计算:
b、晶体管平均偏置电压,是指晶体管偏置电压随工作时间的平均值,对于步骤a中的直流仿真,仿真中输出的晶体管偏置电压即为晶体管平均偏置电压;对于步骤a中的瞬态仿真,在一个工作周期内对仿真中输出的晶体管偏置电压进行随时间的积分并除以工作周期,即为晶体管平均偏置电压,栅端平均偏置电压具体计算公式如下:
其中,表示晶体管栅端的平均偏置电压,T为待研究电路的一个工作周期,V_Gate(t)表示瞬态仿真中输出的随工作时间变化的晶体管栅端偏置电压;晶体管源、漏、体端平均偏置电压的计算方法与栅端平均偏置电压计算方法一致,以130nm SOI工艺的输出电路为例,其中晶体管Xm59平均漏端偏置电压计算结果为1.53V;
晶体管辐射陷阱电荷计算:
c、晶体管辐射陷阱电荷是指氧化物中的氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷,分别计算晶体管栅、源、漏、体端偏置电压引入的辐射陷阱电荷,栅端电压在氧化物引入氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷具体计算公式如下:
其中,Not(t0)为时间t0内产生的氧化物陷阱电荷,Nit(t0)为时间t0内产生的界面陷阱电荷,K1、K2、K3、K4、K5、K6为拟合参数,ε(x)为1V栅端电压在晶体管氧化物内产生的电场分布函数,图3所示为浅槽隔离氧化物内电场分布函数,x表示沿晶体管源、漏方向对称分割平面上氧化物与沟道交界线,起点为0,终点为Xdepth,Tox(x)为氧化物厚度分布函数,将待研究电路的总累计辐照时间划分为多个时间间隔t0,t1,t2,t3……,t0为第一个总剂量辐照时间点,源、漏、体端电压引入氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷计算与栅端电压计算方法一致;
晶体管总剂量效应模型参数更新:
d、晶体管总剂量模型是指描述辐射导致电参数退化的紧凑模型,氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷是晶体管总剂量模型的输入参数;将步骤c计算出的氧化物陷阱电荷Not(t0)、界面陷阱电荷Nit(t0)带入晶体管总剂量模型,生成时间t0的晶体管总剂量效应模型;
电路总剂量辐射损伤仿真:
e、调用步骤d中生成的时间t0的晶体管总剂量效应模型,仿真电路的直流、瞬态、噪声、稳定性特性,输出时间t0的电路总剂量辐射损特性;调用步骤d中生成的时间t0的晶体管总剂量效应模型,利用步骤a中的仿真条件,输出时间t0的晶体管偏置电压;
F、以步骤e中输出的时间t0的晶体管偏置电压为输入条件,进行步骤b,c,d,e的操作,其中步骤c中的辐照时间由t0替换为t1,步骤d中的氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷替换为以下公式计算结果:
Not=Not(t0)+Not(t1)
Nit=Nit(t0)+Nit(t1)
步骤e输出时间t0+t1的电路总剂量辐射损伤特性,输出时间t0+t1的晶体管偏置电压。
步骤e中输出的时间t0+t1的晶体管偏置电压为输入条件,进行步骤b,c,d,e的操作,其中步骤c中的辐照时间由t0替换为t2,步骤d中的氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷替换为以下公式计算结果:
Not=Not(t0)+Not(t1)+Not(t2)
Nit=Nit(t0)+Nit(t1)+Nit(t2)
步骤e输出时间t0+t1+t2的电路总剂量辐射损伤特性,输出时间t0+t1+t2的晶体管偏置电压;
按时间增加循环进行步骤b,c,d,e,f的操作,分别输出随辐照时间t0,t0+t1,t0+t1+t2……变化的电路总剂量辐射损伤特性,以130nm SOI工艺的输出电路为例,电路功耗电流随辐照时间的仿真结果如图4所示。
步骤a,e,f中的电路仿真为并行SPICE仿真。
步骤a,e,f中的电路仿真中,电路工作电压设为1.1倍的正常工作电压。
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。任何熟悉此技术的认识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 (3)
1.一种电路级总剂量辐射效应仿真方法,其特征是按下列步骤进行:
晶体管偏置电压提取:
a、根据待研究电路静态状态下各输入端口条件,对待研究电路进行直流仿真,输出电路中各个晶体管栅、源、漏、体端电压,根据待研究电路不同工作模式下各输入端口条件,对待研究电路不同工作模式分别进行瞬态仿真,瞬态仿真时间长度为一个工作周期,输出电路中各个晶体管栅、源、漏、体端电压;
晶体管平均偏置电压计算:
b、对于步骤a中的直流仿真,仿真中输出的晶体管偏置电压即为晶体管平均偏置电压,对于步骤a中的瞬态仿真,在一个工作周期内对仿真中输出的晶体管偏置电压进行随时间的积分并除以工作周期,即为晶体管平均偏置电压,栅端平均偏置电压具体计算公式:
其中,表示晶体管栅端的平均偏置电压,T为待研究电路的一个工作周期,V_Gate(t)表示瞬态仿真中输出的随工作时间变化的晶体管栅端偏置电压,晶体管源、漏、体端平均偏置电压的计算方法与栅端平均偏置电压计算方法一致;
晶体管辐射陷阱电荷计算:
c、分别计算晶体管栅、源、漏、体端偏置电压引入的辐射陷阱电荷,栅端电压在氧化物引入氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷具体计算公式:
其中,Not(t0)为时间t0内产生的氧化物陷阱电荷,Nit(t0)为时间t0内产生的界面陷阱电荷,K1、K2、K3、K4、K5、K6为拟合参数,ε(x)为1V栅端电压在晶体管氧化物内产生的电场分布函数,x表示沿晶体管源、漏方向对称分割平面上氧化物与沟道交界线,起点为0,终点为Xdepth,Tox(x)为氧化物厚度分布函数,将待研究电路的总累计辐照时间划分为多个时间间隔t0,t1,t2,t3……,t0为第一个总剂量辐照时间点;源、漏、体端电压引入氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷计算与栅端电压计算方法一致;
晶体管总剂量效应模型参数更新:
d、将步骤c计算出的氧化物陷阱电荷Not(t0)、界面陷阱电荷Nit(t0)带入晶体管总剂量模型,生成时间t0的晶体管总剂量效应模型;
电路总剂量辐射损伤仿真:
e、调用步骤d中生成的时间t0的晶体管总剂量效应模型,仿真电路的直流、瞬态、噪声、稳定性特性,输出时间t0的电路总剂量辐射损特性,调用步骤d中生成的时间t0的晶体管总剂量效应模型,利用步骤a中的仿真条件,输出时间t0的晶体管偏置电压;
电路总剂量辐射损伤时间连续反馈计算:
f、以步骤e中输出的时间t0的晶体管偏置电压为输入条件,进行步骤b,c,d,e的操作,其中步骤c中的辐照时间由t0替换为t1,步骤d中的氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷替换为以下公式计算结果:
Not=Not(t0)+Not(t1)
Nit=Nit(t0)+Nit(t1)
步骤e输出时间t0+t1的电路总剂量辐射损伤特性,输出时间t0+t1的晶体管偏置电压;
步骤e中输出的时间t0+t1的晶体管偏置电压为输入条件,进行步骤b,c,d,e的操作,其中步骤c中的辐照时间由t0替换为t2,步骤d中的氧化物陷阱电荷、界面陷阱电荷替换为以下公式计算结果:
Not=Not(t0)+Not(t1)+Not(t2)
Nit=Nit(t0)+Nit(t1)+Nit(t2)
步骤e输出时间t0+t1+t2的电路总剂量辐射损伤特性,输出时间t0+t1+t2的晶体管偏置电压;
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2.根据权利要求1所述的一种电路级总剂量辐射效应仿真方法,其特征在于步骤a,e,f中的电路仿真为并行SPICE仿真。
3.根据权利要求1所述的一种电路级总剂量辐射效应仿真方法,其特征在于步骤a,e,f中的电路仿真中,电路工作电压设为1.1倍的正常工作电压。
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