单粒子效应预测方法和装置与流程

本发明涉及电子
技术领域：
，特别是涉及一种单粒子效应预测方法和装置。
背景技术：
：单粒子效应(SingleEventEffects，SEE)指具有一定能量的单个粒子(包括重离子、质子、中子等)在半导体器件中产生的效应，包括单粒子翻转、多位翻转、单粒子锁定、单粒子硬错误、单粒子功能中断、单粒子烧毁、单粒子栅穿、单粒子瞬态脉冲等。空间飞行器运行于恶劣的天然辐射环境中，银河宇宙射线、太阳宇宙射线和地磁场俘获带中的高能质子、α粒子和重离子在空间电子学系统中产生的单粒子效应严重威胁航天器的安全运行。据美国国家地球物理数据中心统计，自1971年至1986年间，美国发射的39颗同步卫星中由各种原因造成的故障总数共1589次，其中由单粒子翻转(SingleEventUpset，SEU)引起的故障达621次，占故障总数的39％。中国空间科学技术研究院统计了我国6颗同步卫星中的故障原因，空间辐射环境引起的故障在总故障中的比例达到了40％。美国国家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration，NASA)马歇尔太空飞行中心(MarshallSpaceFlightCenter，MSFC)将一百多次空间环境引起的卫星异常分为七大类，分别为等离子体、辐射、空间碎片和流星体、大气、太阳、热和地磁场。2011年，法国国家空间研究中心使用NASAMSFC的分类方法，并按照物理起因，将太阳引起的异常划分入等离子体、辐射或地磁范畴，根据分类，辐射效应是引起飞行器工作异常的主要原因，所占比例达到45％。进一步将辐射效应分类，对各种辐射效应引起空间飞行器异常所占的比例进行分析，相比于总剂量效应和太阳电池板退化，单粒子效应是最主要的异常起因，所占比例达到86％。因此，单粒子效应日益成为制约现代先进电子元器件航天应用的瓶颈问题。作为目前行业内最广泛使用的空间单粒子效应预测模型，立方体/积分立方体(RectangularParallelePiped/IntegralRectangularParallelePiped，RPP/IRPP)模型已取得了近30年的成功，其有效性也被多年的在轨数据所证实。RPP/IRPP模型依据地面重离子试验获得的单粒子效应截面～离子LET值关系曲线，获得电子器件单粒子效应灵敏区的各个参数，如表面积和临界电荷，进而结合特定的轨道辐射环境，计算得到器件在轨错误率。但是，RPP/IRPP模型近似地认为灵敏单元内部的敏感性是一样的，即不考虑单个灵敏单元内部的单粒子效应敏感性差异。实际上，单个灵敏单元内部的电场分布、电荷收集效率、电荷收集机制等是不同的，也正是这样的不同导致单粒子效应截面～离子LET值关系曲线不是一个阶梯函数。因此，利用该方法预测器件的单粒子效应结果并不精确。技术实现要素：基于此，有必要建立能够精确预测电子器件单粒子效应的预测方法和装置。一种单粒子效应预测方法，包括：获取待检测器件在重离子辐照下的不少于五个单粒子效应截面～离子LET值数据点；对所述单粒子效应截面～离子LET值数据点进行Weibull函数曲线拟合得到Weibull曲线；将所述Weibull曲线阶梯化；根据阶梯化的所述Weibull曲线得到所述待检测器件对应灵敏单元的灵敏区模型，所述灵敏区模型包括至少一个灵敏区，所述灵敏区与阶梯化的所述Weibull曲线的阶梯对应；获取所述灵敏区的灵敏区参数、所述灵敏区的收集因子和粒子在所述灵敏区的沉积能量以及所述灵敏单元的临界电荷；根据所述灵敏单元的所有灵敏区的所述灵敏区参数、所述收集因子和所述沉积能量计算所述灵敏单元的收集电荷；当所述收集电荷大于或等于所述临界电荷时，预测所述待检测器件发生单粒子效应。一种单粒子效应预测装置，包括：获取模块，用于获取待检测器件在重离子辐照下的不少于五个单粒子效应截面～离子LET值数据点；曲线拟合模块，用于对所述单粒子效应截面～离子LET值数据点进行Weibull函数曲线拟合得到Weibull曲线；阶梯化模块，用于将所述Weibull曲线阶梯化；灵敏区模型生成模块，用于根据阶梯化的所述Weibull曲线得到所述待检测器件对应灵敏单元的灵敏区模型，所述灵敏区模型包括至少一个灵敏区，所述灵敏区与阶梯化的所述Weibull曲线的阶梯对应；参数获取模块，用于获取所述灵敏区的灵敏区参数、所述灵敏区的收集因子和粒子在所述灵敏区的沉积能量以及所述灵敏单元的临界电荷；收集电荷计算模块，用于根据所述灵敏单元的所有灵敏区的所述灵敏区参数、所述收集因子和所述沉积能量计算所述灵敏单元的收集电荷；预测模块，用于当所述收集电荷大于或等于所述临界电荷时，预测所述待检测器件发生单粒子效应。上述的单粒子效应预测方法和装置，通过获取待检测器件在重离子辐照下的多个单粒子效应截面～离子LET值数据点，对所述单粒子效应截面～离子LET值数据点进行Weibull函数曲线拟合得到Weibull曲线，将所述Weibull曲线阶梯化，并计算得到每个灵敏区的灵敏区参数、收集因子以及灵敏单元的临界电荷，根据所述灵敏单元的所有灵敏区的灵敏区参数、收集因子和所述沉积能量计算所述灵敏单元的收集电荷；当所述收集电荷大于或等于所述临界电荷时，预测所述待检测器件发生单粒子效应。该方法方便地使用重离子实验得到的多个单粒子效应截面～离子LET值，并进行Weibull函数曲线拟合得到Weibull曲线，将Weibull曲线阶梯化后得到的灵敏区模型包括至少一个灵敏区，灵敏区与阶梯化的Weibull曲线的阶梯对应，每一个灵敏区考虑了单个灵敏单元内部的敏感性差异，更贴合实际，从而利用该灵敏区模型能够精确预测待检测器件是否在对应的实验和应用环境中发生单粒子效应。附图说明图1为一个实施例中的单粒子效应预测方法的流程图；图2为一种实施方式的Weibull曲线阶梯化示意图；图3为与图2的阶梯化的Weibull曲线对应的灵敏区模型；图4为图3的灵敏区模型的横截面示意图；图5为一个实施例中的单粒子效应预测装置的功能模块示意图。具体实施方式如图1所示，一种单粒子效应预测方法，包括以下步骤：S102：获取待检测器件在重离子辐照下的不少于五个单粒子效应截面～离子LET值数据点。将待检测器件暴露在重离子辐照环境下，用于模拟待检测器件被使用的辐射环境，例如，空间飞行器的空间辐射环境。通过将待检测器件暴露在重离子辐照环境下，能够获取待检测器件在辐射环境下的多个单粒子效应截面～离子LET值数据点。S104：对单粒子效应截面～离子LET值数据点进行Weibull函数曲线拟合得到Weibull曲线。一种实施方式的Weibull函数如下：σ(LET)＝σsat(1-exp{-[(LET-LETth)/W]S})其中，σ(LET)为单粒子效应截面，σsat为饱和截面，LETth为LET阈值，W和S为拟合参数。S106：将Weibull曲线阶梯化。根据器件特点和计算精度对Weibull曲线进行阶梯化处理，在一种实施方式中，根据曲线的斜率将Weibull曲线阶梯化，在另一种实施方式中，由工作人员根据经验结合待检测器件特征和计算精度对Weibull曲线进行阶梯化处理，得到的Weibull曲线阶梯化示意图如图2所示，在该实施方式中，阶梯化后的Weibull曲线具有4个阶梯。在其它的实施方式中，将Weibull曲线阶梯化后的阶梯数量大于等于1。S108：根据阶梯化的Weibull曲线得到待检测器件对应灵敏单元的灵敏区模型，灵敏区模型包括至少一个灵敏区，灵敏区与阶梯化的Weibull曲线的阶梯对应。灵敏区模型包括至少一个灵敏区，灵敏区与阶梯化的Weibull曲线的阶梯对应。具体的，灵敏区根据对应的Weibull曲线的阶梯生成，并且，灵敏区的数量与阶梯化的Weibull曲线的阶梯数量相同。一种实施方式中，与图2所示的阶梯化的Weibull曲线对应的灵敏区模型如图3所示，该灵敏单元包括嵌套的四个灵敏区，其中，第j个灵敏区被第j+1个灵敏区包围。S110：获取灵敏区的灵敏区参数、灵敏区的收集因子和粒子在灵敏区的沉积能量以及灵敏单元的临界电荷。灵敏区参数包括灵敏区的长度、宽度和厚度等。S112：根据灵敏单元的所有灵敏区的灵敏区参数、收集因子和沉积能量计算灵敏单元的收集电荷。S114：当收集电荷大于或等于临界电荷时，预测待检测器件发生单粒子效应。具体的，将灵敏单元的收集电荷与临界电荷进行比较，当收集电荷大于或等于临界电荷时，预测待检测器件在该模拟环境中会发生单粒子效应。上述的单粒子效应预测方法，通过获取待检测器件在重离子辐照下的多个单粒子效应截面～离子LET值数据点，对所述单粒子效应截面～离子LET值数据点进行Weibull函数曲线拟合得到Weibull曲线，将所述Weibull曲线阶梯化，并计算得到每个灵敏区的灵敏区参数、收集因子以及灵敏单元的临界电荷，根据所述灵敏单元的所有灵敏区的灵敏区参数、收集因子和所述沉积能量计算所述灵敏单元的收集电荷；当所述收集电荷大于或等于所述临界电荷时，预测所述待检测器件发生单粒子效应。该方法方便地使用重离子实验得到的多个单粒子效应截面～离子LET值，并进行Weibull函数曲线拟合得到Weibull曲线，将Weibull曲线阶梯化后得到的灵敏区模型包括至少一个灵敏区，灵敏区与阶梯化的Weibull曲线的阶梯对应，每一个灵敏区考虑了单个灵敏单元内部的敏感性差异，更贴合实际，从而利用该灵敏区模型能够精确预测待检测器件是否在对应的实验和应用环境中发生单粒子效应。在一个实施例中，步骤S110包括：S1101：根据灵敏区对应阶梯的单粒子效应截面～离子LET值计算对应灵敏区参数、收集因子以及临界电荷。由于灵敏区与阶梯对应，根据对应阶梯的单粒子效应截面～离子LET值计算对应灵敏区参数、收集因子以及临界电荷。S1102：获取粒子在灵敏区的沉积能量。具体的，灵敏区参数包括灵敏区的长度、宽度和厚度。对于待检测的电子元器件而言，同一灵敏单元的灵敏区的长度和宽度是相同的，一种实施方式中，灵敏区的长度和宽度为对应阶梯对应的单粒子效应截面的平方根。然而，部分类型的电子元器件，同一灵敏单元的灵敏区的厚度相同，例如先进SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)器件。部分类型的电子元器件，同一灵敏单元的灵敏区的厚度不相同，例如，体硅器件。阶梯化后的Weibull曲线的各个阶梯有两个参数，σi,j和LETi,j，其中，σi,j为阶梯平台对应的单粒子效应截面，LETi,j指阶梯开始处对应的LET值，LETth为LET阈值。对于各灵敏区的厚度相同的灵敏单元，设：LETi,1＝LETth,αi,1＝1,则可得到灵敏区的长度和宽度的计算公式、收集因子的计算公式以及临界电荷的计算公式。其中，灵敏区的长度和宽度的计算公式为：dxi,j=dyi,j=σi,j;]]>其中，dxi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区的长度；dyi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区的宽度；σi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区对应的阶梯平台对应的单粒子效应截面。收集因子的计算公式为：αi,j=LETthLETi,j]]>其中，LETth为LET阈值，i代表第i个灵敏单元，j代表第j个灵敏区，αi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区的收集因子；LETi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区对应的阶梯开始处对应的LET值。通常，最外层的灵敏区参数中的长度和宽度与饱和截面σsat相对应，以图3所示的灵敏区模型为例，dxNi=dyNi=σsat]]>其中，dxNi为灵敏区模型中最外层灵敏区的长度，dyNi灵敏区模型中最外层灵敏区的宽度。临界电荷的计算公式为：Qc=LETth·ρSi·dzI(Z)]]>其中，Qc为临界电荷，LETth为LET阈值，ρSi为待检测器件的硅材料密度，dz为灵敏区的厚度，I(Z)为待检测器件材料的电离势能，硅材料该值为3.6eV/电子-空穴对。本实施方式中，同一灵敏单元的灵敏区的厚度相同，具体为待检测器件耗尽区的厚度或阱的厚度，由用户根据待检测器件的结构进行确定。对于各灵敏区的厚度不相同的灵敏单元，以图3所示的灵敏区模型为例，其横截面如图4所示，外围灵敏区的厚度一般应大于内嵌的灵敏区的厚度。灵敏区参数中的长度和宽度的计算方法与前面的各灵敏区的厚度相同的灵敏区的长度和宽度的计算方法相同，在此不再赘述。灵敏区的厚度根据待检测器件的结构确定，具体的由用户根据待检测器件的结构和经验进行选取。根据图2的阶梯参数，可得：LETi,1·[αi,1·dzi,1+Σj=2Niαi,j·(dzi,j-dzi,j-1)]=Qc·I(Z)ρSi,......LETi,j·[αi,j·dzi,j+Σj+1Niαi,j·(dzi,j-dzi,j-1)]=Qc·I(Z)ρSi,......LETi,Ni·(αi,Ni·dzi,Ni)=Qc·I(Z)ρSi.]]>其中，αi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区的收集因子，dzi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区的厚度；Qc为临界电荷，Ni为第i个灵敏单元的灵敏区的数量；LETth为LET阈值，ρSi为待检测器件的硅材料密度，I(Z)为待检测器件材料的电离势能，LETi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区对应的阶梯开始处对应的LET值。共有Ni个等式，未知数为Qc和αi,j(其中，αi,1为1，为已知数)，未知数共Ni个，可求解获得临界电荷Qc和收集因子αi,j。在另一种实施方式中，步骤S112具体为，采用以下公式计算到得灵敏单元的收集电荷：Qi=Σj=1Niαi,jEi,jI(Z),1≤j≤Ni]]>其中，Qi为灵敏单元的收集电荷；I(Z)为待检测器件材料的电离势能，Ni为第i个灵敏单元的灵敏区的数量；i代表第i个灵敏单元，j代表第j个灵敏区，αi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区的收集因子，Ei,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区的沉积能量。一个实施例中，如图5所示，提供一种单粒子效应预测装置，包括：获取模块102，用于获取待检测器件在重离子辐照下的不少于五个单粒子效应截面～离子LET值数据点。曲线拟合模块104，用于对单粒子效应截面～离子LET值数据点进行Weibull函数曲线拟合得到Weibull曲线。阶梯化模块106，用于将Weibull曲线阶梯化。灵敏区模型生成模块108，用于根据阶梯化的Weibull曲线得到待检测器件对应灵敏单元的灵敏区模型，灵敏区模型包括至少一个灵敏区，灵敏区与阶梯化的Weibull曲线的阶梯对应。参数获取模块110，用于获取灵敏区的灵敏区参数、灵敏区的收集因子和粒子在灵敏区的沉积能量以及灵敏单元的临界电荷。收集电荷计算模块112，用于根据灵敏单元的所有灵敏区的灵敏区参数、收集因子和沉积能量计算灵敏单元的收集电荷。预测模块114，用于当收集电荷大于或等于临界电荷时，预测待检测器件发生单粒子效应。上述的单粒子效应预测装置，通过获取待检测器件在重离子辐照下的多个单粒子效应截面～离子LET值数据点，对单粒子效应截面～离子LET值数据点进行Weibull函数曲线拟合得到Weibull曲线，将Weibull曲线阶梯化，并计算得到每个灵敏区的灵敏区参数、收集因子以及灵敏单元的临界电荷，根据灵敏单元的所有灵敏区的灵敏区参数、收集因子和沉积能量计算灵敏单元的收集电荷；当收集电荷大于或等于临界电荷时，预测待检测器件发生单粒子效应。该装置方便地使用重离子实验得到的多个单粒子效应截面～离子LET值，并进行Weibull函数曲线拟合得到Weibull曲线，将Weibull曲线阶梯化后得到的灵敏区模型包括至少一个灵敏区，灵敏区与阶梯化的Weibull曲线的阶梯对应，每一个灵敏区考虑了单个灵敏单元内部的敏感性差异，更贴合实际，从而利用该灵敏区模型能够精确预测待检测器件是否在对应的实验和应用环境中发生单粒子效应。在一个实施例中，参数获取模块110包括：灵敏区参数计算模块，用于根据灵敏区对应阶梯的单粒子效应截面～离子LET值计算对应灵敏区参数、收集因子以及临界电荷。沉积能量获取模块，用于获取粒子在灵敏区的沉积能量。在一个实施例中，灵敏区参数包括灵敏区的长度、宽度和厚度，灵敏区的长度和宽度为对应阶梯对应的单粒子效应截面的平方根；灵敏区的厚度相同，根据待检测器件的结构确定；计算收集因子的公式为：αi,j=LETthLETi,j;]]>其中，LETth为LET阈值，i代表第i个灵敏单元，j代表第j个灵敏区，αi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区的收集因子；LETi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区对应的阶梯开始处对应的LET值；计算临界电荷的公式为：Qc=LETth·ρSi·dzI(Z);]]>其中，Qc为临界电荷，ρSi为待检测器件的硅材料密度，dz为灵敏区的厚度，I(Z)为待检测器件材料的电离势能；LETth为LET阈值。在一个实施例中，灵敏区参数包括灵敏区的长度、宽度和厚度，灵敏区的长度和宽度为对应阶梯对应的单粒子效应截面的平方根；灵敏区的厚度根据待检测器件的结构确定。求解以下方程得到收集因子和临界电荷：LETi,1·[αi,1·dzi,1+Σj=2Niαi,j·(dzi,j-dzi,j-1)]=Qc·I(Z)ρSi,......LETi,j·[αi,j·dzi,j+Σj+1Niαi,j·(dzi,j-dzi,j-1)]=Qc·I(Z)ρSi,......LETi,Ni·(αi,Ni·dzi,Ni)=Qc·I(Z)ρSi.]]>其中，αi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区的收集因子，dzi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区的厚度；Qc为临界电荷，Ni为第i个灵敏单元的灵敏区的数量；LETth为LET阈值，ρSi为待检测器件的硅材料密度，I(Z)为待检测器件材料的电离势能；LETi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区对应的阶梯开始处对应的LET值。在一个实施例中，收集电荷计算模块112，具体根据下式计算得到收集电荷：Qi=Σj=1Niαi,jEi,jI(Z),1≤j≤Ni]]>其中，Qi为灵敏单元的收集电荷；I(Z)为待检测器件材料的电离势能，Ni为第i个灵敏单元的灵敏区的数量；i代表第i个灵敏单元，j代表第j个灵敏区，αi,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区的收集因子，Ei,j为第i个灵敏单元的第j个灵敏区的沉积能量。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页1 2 3