抗辐照仿真模拟技术

刘国权

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

抗辐照仿真模拟技术

刘国权

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

软件仿真相对于硬件实验可以极大地提高设计效率，节约设计成本，对于项目的设计成功与否有着重大意义。抗辐照仿真模拟技术可以通过建立的辐照参数模型，在电路设计过程中通过仿真技术计算电路的抗辐照能力，是抗辐照芯片设计中保证设计可靠性的有效手段之一。

现场可编程门阵列（FPGA）；抗辐照；仿真；建模

1 引 言

随着大量现场可编程门阵列电路（Field Programmable Gate Array，FPGA）被用于宇航、核能和军事等高科技领域，需要保证FPGA器件在核辐射环境下使用的可靠性。大量研究表明，核辐射，特别是电离辐射会使FPGA器件的电性能在较短时间内发生明显变化，辐射损伤严重的时候还会导致电路失效。器件的变化包括阈值电压漂移，跨导和迁移率降低，亚阈值特性退化，沟道和栅泄漏电流增加等。因此保证芯片设计的抗辐照能力将有利于保证其在核辐射环境下使用的可靠性。

软件仿真相对于硬件实验可以极大提高设计效率，节约设计成本，对于项目的设计成功与否有着重大意义。

抗辐照仿真模拟技术研究的目标是：使用软件仿真的办法对FPGA部件及其整体芯片设计在抗辐照的指标方面进行定量评估，以保证设计方案的正确性和有效性。

为了达到以上研究目标，抗辐照仿真模拟技术的研究内容包括以下几方面：

·对辐照行为进行较为精确的数学建模，重点是对总剂量效应和单离子效应进行数值逼近，达到对辐照行为的模拟。

·用辐照的模拟激励作用于器件模型，得到模拟结果，同时相对硬件辐照试验，对模拟数据进行修正。

2 设计与实现

抗辐照仿真模拟技术研究的难点在于：辐照行为具有很大的随机性，用固定数值模拟难以得到正确结果。采用国际上普遍认可的蒙特卡罗（Monte Carlo）法来对辐照这一随机过程进行数学建模，在这方面，国内外有大量相关算法的研究报道。在研究方法上，广泛参考吸收已有的研究成果，重点关注已经被NASA采用的算法及模型，再结合本课题的实际需求对其算法模型进行优化和简化，在器件及电路层面，采用Synopsys公司的著名器件仿真工具TCAD，该软件可以方便地仿真辐照对器件的影响。

TCAD是Synopsys公司的一个用来进行二维器件模拟的软件，它在器件当中建立一个电势与载流子分布的二维模型，通过解泊松方程、电子和空穴连续性方程、热扩散方程、电子和空穴的漂移/扩散方程（能量输运方程）等方程来获取特定偏置下的电学特性，得到基本量：φ、N、P、Tn、Tp、T等。该软件可模拟的材料不限于硅、二氧化硅，还可模拟SiGe等异质结材料；可完成的电学分析包括DC、AC、瞬态、热载流子、光电等等；处理的器件类型包括：二极管、BJT、MOS、多层结构、光电器件、可编程器件等。另外，TCAD还可以被用来分析器件在瞬态情况下的变化。在亚微米器件模拟中，TCAD通过联解电子和空穴的能量平衡和其他器件方程，可以对深亚微米器件进行模拟。像热载流子和速度过冲等效应在TCAD中都已经考虑了，并能够对它们的影响进行分析。

辐照对器件的直接作用反映在器件中是沿辐照路径产生了一定的电子－空穴对，在TCAD中，PHOTOGEN命令可以用来产生注入到器件中的电荷（电子和空穴），该电荷可以是稳态的或者与时间参数有关。该命令既可以用来仿真单粒子翻转，也可以用来仿真由伽马射线、X射线或可见光引起的瞬时翻转效应。通过定义辐照的起点和终点坐标（X.START，Y.START，X.END，Y.END）来确定辐照产生的电荷在器件中的通路，器件中任何一点的位置与这条通路的关系用参数L来表示，L定义为从起点到通路上某一点的线段长度，R表示距离这条通路的垂直距离，如图1所示。

图1 PHOTOGEN定义示意图

PHTOTGEN命令作用机制如下：

其中t表示时间，Gn、Gp表示电子、空穴的产生率。在连续性方程中，通过改变Gn、Gp，就可以实现由辐照对器件产生影响的仿真。T（t）表示Gn中与时间相关项，L（l）表示长度相关项，R（r）表示径向相关项，通过改变t、r、l，便可以模拟出不同射线（如X射线、伽玛射线）对于器件的影响，从而可以进行不同类型的辐照仿真。

TCAD软件采用漂移－扩散理论。漂移扩散模型主要由三组方程组成：①泊松方程；②载流子连续性方程；③载流子输运方程。另外，还有迁移率对电场的依赖关系。

（2）电子和空穴连续性方程：

Jn、Jp为电子电流和空穴电流密度；Rn、Rp为电子和空穴复合率；Gimp为碰撞电离产生率；t为时间。

（3）电子和空穴电流密度方程：

总电流密度为：

（4）迁移率模型

迁移率与载流子浓度的关系：

场运动模型：

3 仿真举例

当单粒子穿过半导体器件时，产生圆柱状高密度等离子体径迹（电子和晶格离子），它是高电导的，并使器件耗尽区的平衡电场畸变，由此可以收集耗尽区淀积的电荷。当径迹穿过器件敏感区时，器件状态将发生翻转（SEU）（见图2）。

图2 单离子效应示意图

图3所示的仿真结果为一个不加抗辐加固措施的NMOS管在100MeV重粒子轰击下，漏端电压由3V降到了0.6V，信息由“1”变成了“0”，发生了SEU现象。

图3 不加抗辐加固措施的NMOS管仿真结果

图4所示的仿真结果为采取了抗辐加固措施的NMOS管，在与图3等同的单粒子辐照下，漏端电压由3V只降至2.4V。信息几乎没发生变化。

图4 采取了抗辐加固措施的NMOS管仿真结果

4 结束语

通过抗辐照仿真模拟可以有效的对设计进行预先评估，是FPGA芯片研制过程中重要的仿真手段。软件仿真相对于硬件实验可以极大提高设计效率，节约设计成本，仿真方法还有待进一步研究，以适应大规模FPGA的设计。

［1］ 阮刚，著.集成电路工艺和器件的计算机模拟——ic tcad技术概论［M］.上海：复旦大学出版社，2007.

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

［2］ ［美］克里兹，著.高级FPGA设计结构、实现与优化［M］.北京：机械工业出版社，2009.

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

［3］ 路勇，著.电子电路实验及仿真［M］.北京：交通大学出版社，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

刘国权（1963－），男，辽宁省凌海市，高级工程师，主研方向：FPGA。

2014－11－6