納米SRAM質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)錯誤率預(yù)估

趙 雯， 陳 偉， 王忠明， 羅尹虹， 沈 忱， 趙 軍

(1. 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710024； 2. 西北核技術(shù)研究所， 西安 710024； 3. 蘇州珂晶達(dá)電子有限公司， 蘇州 215000)

宇宙空間中的高能粒子穿透航天器屏蔽層進(jìn)入到內(nèi)部電子學(xué)系統(tǒng)會誘發(fā)單粒子效應(yīng)(single event effects，SEE)，影響航天器的在軌可靠運(yùn)行。基于SEE地面模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合空間軌道上的粒子環(huán)境，預(yù)估軌道上器件的SEE錯誤率對航天器用電子元器件的可靠性分析和器件選型具有重要現(xiàn)實(shí)意義。質(zhì)子是空間輻射環(huán)境的主要成分，高能質(zhì)子核反應(yīng)和低能質(zhì)子直接電離是質(zhì)子SEE的主要作用機(jī)制。質(zhì)子SEE預(yù)估方法隨著器件特征尺寸的減小在逐步改進(jìn)完善，電子元器件進(jìn)入納米工藝節(jié)點(diǎn)后，研究人員在質(zhì)子SEE預(yù)估方面有了一些新的認(rèn)識和發(fā)現(xiàn)。中國空間技術(shù)研究院的于慶奎研究員等以65 nm SRAM為載體，分別基于質(zhì)子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和重離子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)估了器件的空間質(zhì)子單粒子翻轉(zhuǎn)(single event upset，SEU)錯誤率，發(fā)現(xiàn)基于重離子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)估方法低估了空間質(zhì)子SEU錯誤率，指出了針對納米器件開展基于質(zhì)子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行在軌SEU錯誤率預(yù)估的必要性[1]。Dodds等人研究發(fā)現(xiàn)，在GEO軌道太陽耀斑最壞情況且納米SRAM工作電壓負(fù)向波動10%時(shí)，低能質(zhì)子直接電離致SEU錯誤率在總翻轉(zhuǎn)率(低能質(zhì)子、高能質(zhì)子和重離子所導(dǎo)致的翻轉(zhuǎn)率之和)中的占比最高可達(dá)77%[2]。中國原子能科學(xué)研究院的何安林等研究發(fā)現(xiàn)，太陽質(zhì)子事件和地球俘獲帶中，低能質(zhì)子SEU錯誤率在總翻轉(zhuǎn)率中占主導(dǎo)[3]。本文針對高能質(zhì)子核反應(yīng)和低能質(zhì)子直接電離這2種質(zhì)子SEE作用機(jī)制開展了仿真計(jì)算，討論了低能質(zhì)子直接電離致SEU錯誤率預(yù)估面臨的問題，針對不同種類的納米SRAM開展了典型軌道上的質(zhì)子SEU錯誤率預(yù)估，分析了軌道環(huán)境、太陽活動和器件翻轉(zhuǎn)敏感特性對質(zhì)子核反應(yīng)致SEU錯誤率的影響。

1 空間輻射環(huán)境

對于處在宇宙空間中的航天器而言，導(dǎo)致電子學(xué)系統(tǒng)發(fā)生SEE的粒子主要來源于銀河宇宙射線、太陽宇宙射線和范艾倫輻射帶。

1) 銀河宇宙射線來自行星際空間，大多數(shù)為質(zhì)子，還有一些α粒子、重離子及少量的高能電子。銀河宇宙線能量最高可達(dá)1020eV，具有極強(qiáng)的貫穿能力，處于高度電離狀態(tài)。宇宙射線注量與太陽活動強(qiáng)度呈反相關(guān)關(guān)系，宇宙射線的注量在太陽活動極大期比太陽活動極小期小。宇宙射線也受到地磁場的影響，低軌和小傾角時(shí)地磁屏蔽更強(qiáng)，宇宙射線強(qiáng)度會降低。

2) 太陽宇宙射線是太陽活動產(chǎn)生的高能粒子流，絕大多數(shù)是質(zhì)子，也有少量α粒子和重離子。太陽活動周期為11 a，其中7 a為太陽活動極大期，4 a為太陽活動極小期，太陽活動極大期時(shí)的太陽宇宙射線強(qiáng)度更大。此外，在太陽耀斑發(fā)生時(shí)，太陽宇宙射線中質(zhì)子的強(qiáng)度會顯著增加[4]。

3) 范艾倫輻射帶是由地磁場捕獲帶電粒子而形成，分為內(nèi)輻射帶和外輻射帶。外輻射帶中央?yún)^(qū)域海拔約為2×104km，主要成分為電子，這些電子通常被認(rèn)為來自磁圈外的太陽風(fēng)和周圍電子注入，外帶中質(zhì)子的注量和能量較低。內(nèi)輻射帶中央?yún)^(qū)域海拔約為9.6×103km，主要包含質(zhì)子、電子和少量重離子，內(nèi)輻射帶質(zhì)子能量可高達(dá)幾百M(fèi)eV，內(nèi)輻射帶中心能量在30 MeV以上的質(zhì)子(高于該能量的質(zhì)子可穿透航天器屏蔽殼)通量約為107～109cm-2·d-1。

2 質(zhì)子單粒子效應(yīng)機(jī)理

高能質(zhì)子與半導(dǎo)體材料發(fā)生核反應(yīng)生成次級粒子，次級粒子通過電離作用產(chǎn)生電子-空穴對以誘發(fā)SEE，這一過程被認(rèn)為是質(zhì)子SEE的作用機(jī)制之一。質(zhì)子也可與半導(dǎo)體材料發(fā)生直接電離作用，由于質(zhì)子與硅材料直接電離的線性能量傳輸值(linear energy transfer，LET)很低，一般認(rèn)為質(zhì)子直接電離不會導(dǎo)致SEE。然而，當(dāng)器件的特征尺寸進(jìn)入納米尺度，器件發(fā)生SEE的臨界電荷降低，低能質(zhì)子直接電離致SEE已不容忽視[5-16]。

2.1 質(zhì)子核反應(yīng)導(dǎo)致的SEE

為理解質(zhì)子核反應(yīng)致SEE的機(jī)理，利用Geant4對30，100，200 MeV的質(zhì)子與硅材料的核反應(yīng)過程開展了計(jì)算，研究了核反應(yīng)次級粒子的種類、LET值及射程情況。計(jì)算時(shí)，設(shè)置質(zhì)子從硅上方中心位置垂直入射，單能粒子源，運(yùn)行109個(gè)事件。圖1為30,100,200 MeV質(zhì)子與硅材料發(fā)生核反應(yīng)后，產(chǎn)生的次級粒子的歸一化LET值譜，既有所有次級粒子的總體LET值分布情況，也有各次級粒子的LET值分布情況。為便于觀察，未顯示LET值小于1 MeV·cm2·mg-1的部分(該部分概率較大)。由圖1可見，30 MeV質(zhì)子與硅材料發(fā)生核反應(yīng)后，除α粒子外，次級粒子的原子序數(shù)Z主要分布在12～14之間；100 MeV和200 MeV質(zhì)子與硅材料發(fā)生核反應(yīng)后，次級粒子的Z主要分布在6～14之間；對于30 MeV質(zhì)子，次級粒子的總體LET值主要分布在0～6 MeV·cm2·mg-1之間；對于100 MeV和200 MeV質(zhì)子，次級粒子的總體LET值在0～14 MeV·cm2·mg-1之間均有分布。

(a) 30 MeV proton

當(dāng)然，次級粒子的能量沉積不僅與LET值有關(guān)，與射程也有密切關(guān)系。圖2和圖3分別給出了100 MeV和200 MeV質(zhì)子核反應(yīng)產(chǎn)生的C離子、O離子的3維空間分布，該分布由科學(xué)計(jì)算軟件ROOT直接輸出，坐標(biāo)軸單位為mm。由圖2和圖3可見，隨著質(zhì)子能量的增大，C離子和O離子的數(shù)量增加，角度離散性更大，200 MeV質(zhì)子核反應(yīng)產(chǎn)生的C離子和O離子的射程最大可至幾個(gè)微米。

(a) 100 MeV proton

(a) 100 MeV proton

對納米器件而言，器件間距較小，臨界電荷較低，高能質(zhì)子與硅材料發(fā)生核反應(yīng)后產(chǎn)生次級粒子的LET值和射程足以引發(fā)SEE，加之納米器件頂層金屬布線中高K材料與高能質(zhì)子核反應(yīng)后，次級粒子的LET值進(jìn)一步增大，最高可至37 MeV·cm2·mg-1[17]，因此，質(zhì)子核反應(yīng)是納米器件質(zhì)子SEE的重要作用機(jī)制。

2.2 質(zhì)子直接電離導(dǎo)致的SEE

低能質(zhì)子直接電離導(dǎo)致SEE的相關(guān)報(bào)道始于1997年[14]，文獻(xiàn)報(bào)道了2款商用存儲器分別在能量為2.3 MeV和1 MeV的低能質(zhì)子輻照下出現(xiàn)SEU截面增大的現(xiàn)象，認(rèn)為該現(xiàn)象由低能質(zhì)子直接電離引起。但后來低能質(zhì)子直接電離的研究并未引起足夠重視，直到2007年，文獻(xiàn)[15]證明了能量小于2 MeV的質(zhì)子會導(dǎo)致65 nm工藝的SOI鎖存器和SRAM發(fā)生SEU之后，研究人員開始針對不同工藝節(jié)點(diǎn)的器件開展了低能質(zhì)子直接電離致SEU的實(shí)驗(yàn)研究[5-13],且研究熱度不斷上升。

為理解低能質(zhì)子直接電離致SEU的機(jī)理，基于TCAD和Geant4耦合仿真，從分析低能質(zhì)子在SRAM敏感區(qū)的能量沉積特點(diǎn)入手，對低能質(zhì)子直接電離致SEU給出了直觀數(shù)據(jù)。研究對象為65 nm SRAM單元，SRAM單元的晶體管布局如圖4所示。仿真中，首先，將低能質(zhì)子與SRAM單元幾何結(jié)構(gòu)模型作用產(chǎn)生的離子徑跡保存為數(shù)據(jù)文件；其次，調(diào)用SRAM單元3維TCAD模型和離子徑跡的數(shù)據(jù)文件開展SEE仿真計(jì)算；最后，分析計(jì)算結(jié)果，必要時(shí)調(diào)整仿真輸入條件，如SRAM工作電壓、低能質(zhì)子能量及低能質(zhì)子入射角度等。

圖4 SRAM單元的晶體管布局Fig.4 Layout of the SRAM cell

圖5為在SRAM偏置電壓為0.6 V，質(zhì)子以45°入射SRAM的N1晶體管漏極區(qū)域時(shí)，不同能量質(zhì)子導(dǎo)致的SRAM單粒子響應(yīng)。由圖5可見，0.09 MeV質(zhì)子入射時(shí)，N1_drain和N2_drain均發(fā)生邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，可引發(fā)SEU；0.05 MeV和0.15 MeV質(zhì)子入射時(shí)，N1_drain和N2_drain均未發(fā)生邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，未引發(fā)SEU。表1所列為SRIM2013計(jì)算得到的3種能量質(zhì)子的電離參數(shù)。0.05 MeV質(zhì)子的初始LET值接近質(zhì)子LET最大值0.55 MeV·cm2·mg-1。0.05 MeV質(zhì)子入射時(shí)，Bragg峰值位于硅表面，隨著入射深度的增加，LET值迅速下降，在SRAM敏感區(qū)域沉積的能量不足以引發(fā)SEU。0.09 MeV質(zhì)子入射時(shí)，硅表面LET值較大，為0.507 MeV·cm2·mg-1，但并未達(dá)到最大值，當(dāng)質(zhì)子穿過0.3 μm徑跡長度時(shí)，LET值達(dá)到峰值，正處于SRAM SEU敏感區(qū)域，且質(zhì)子在這段徑跡上的LET值均處于較高水平，使得敏感區(qū)域沉積的能量足以引發(fā)SEU。0.15 MeV質(zhì)子入射時(shí)，硅表面LET值為0.439 MeV·cm2·mg-1，并未達(dá)到最大值，當(dāng)質(zhì)子穿過0.85 μm徑跡長度時(shí)，LET值達(dá)到峰值，但距SRAM敏感區(qū)域較遠(yuǎn)，在敏感區(qū)域沉積的能量不足以引發(fā)SEU。因此，當(dāng)?shù)湍苜|(zhì)子直接電離的Bragg峰處在器件敏感區(qū)內(nèi)部時(shí)，更容易導(dǎo)致器件發(fā)生SEU。

圖5 偏置電壓為0.6 V且質(zhì)子以45°入射SRAM的N1晶體管漏極區(qū)域時(shí)，不同能量質(zhì)子導(dǎo)致的SRAM單粒子響應(yīng)Fig.5 The SRAM single event responses caused by protons ofdifferent energies when the bias voltage is 0.6 V and the protonstrikes at the drain region of N1 transistor of SRAM at 45 °

表1 3種能量質(zhì)子的電離參數(shù)Tab.1 Ionization parameters of protonswith three energies

3 質(zhì)子SEU錯誤率預(yù)估方法

質(zhì)子SEU錯誤率預(yù)估是根據(jù)電子元器件的質(zhì)子SEE地面模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合空間軌道上的質(zhì)子分布，預(yù)估軌道上器件的質(zhì)子SEU錯誤率，SEU錯誤率指器件每天每位發(fā)生SEU的概率，單位為bit-1·d-1。質(zhì)子地面模擬實(shí)驗(yàn)旨在通過質(zhì)子加速器輸出不同能量的質(zhì)子束流，讓這些束流分別輻照器件，測量器件在不同能量質(zhì)子輻照下的SEU數(shù)量，再計(jì)算得到不同能量質(zhì)子輻照下器件的SEU截面，單位為cm2·bit-1。空間輻射環(huán)境中的質(zhì)子能量范圍廣且能譜連續(xù)，而國內(nèi)用于SEE研究的質(zhì)子加速器能提供的質(zhì)子能量最大為230 MeV，如西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置，且加速器實(shí)驗(yàn)僅能獲取數(shù)個(gè)能量點(diǎn)所對應(yīng)的離散翻轉(zhuǎn)截面數(shù)據(jù)。因此，如何基于地面模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果來正確預(yù)估空間軌道上器件的質(zhì)子SEU錯誤率具有重要意義。

3.1 質(zhì)子核反應(yīng)致SEU錯誤率預(yù)估方法

質(zhì)子核反應(yīng)致SEU錯誤率的預(yù)估方法較為成熟，基本思路是：結(jié)合空間軌道參數(shù)和衛(wèi)星殼體的屏蔽參數(shù)計(jì)算衛(wèi)星殼體內(nèi)部的質(zhì)子微分能譜，根據(jù)質(zhì)子SEE地面模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出SEU截面曲線，將質(zhì)子微分能譜和SEU截面曲線進(jìn)行積分得到軌道上的SEU錯誤率。

3.1.1 軌道質(zhì)子微分能譜的計(jì)算

軌道質(zhì)子微分能譜計(jì)算流程如圖6所示。結(jié)合衛(wèi)星軌道和地磁場模型，可以得到地磁屏蔽模型和俘獲粒子模型，銀河宇宙射線、太陽高能粒子和異常宇宙射線經(jīng)過地磁屏蔽后的質(zhì)子能譜與俘獲粒子模型輸出的質(zhì)子能譜疊加后得到特定軌道上的質(zhì)子能譜。

圖6 軌道上質(zhì)子微分能譜的計(jì)算流程Fig.6 Calculation flow chart of protondifferential energy spectrum on orbit

具體來說，地磁場模型負(fù)責(zé)計(jì)算給定位置(經(jīng)緯度、高度)的地磁場信息，包括磁場矢量和B-L 磁層坐標(biāo)系參數(shù)。銀河宇宙射線模型、太陽高能粒子模型和異常宇宙射線模型(異常宇宙射線的能量分布介于太陽高能粒子與銀河宇宙射線之間)分別負(fù)責(zé)計(jì)算地球磁圈之外銀河宇宙射線、太陽宇宙射線和異常宇宙射線的通量。在宇宙空間中的帶電粒子接近地球時(shí)，軌跡會在地磁場的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使較低能量的粒子無法穿過地磁場到達(dá)低緯度區(qū)域，因此地磁場有效地屏蔽了低軌道和低傾角區(qū)域的輻射。地磁屏蔽模型依賴于地磁場模型，作用于銀河宇宙射線、太陽高能粒子和異常宇宙射線模型。俘獲粒子模型負(fù)責(zé)計(jì)算給定位置(經(jīng)緯度、高度)處所俘獲質(zhì)子的通量。最終，俘獲粒子模型和地磁屏蔽模型的計(jì)算結(jié)果疊加在一起輸出所在軌道的質(zhì)子能譜。

3.1.2 衛(wèi)星殼體內(nèi)部質(zhì)子微分能譜的計(jì)算

在衛(wèi)星殼體內(nèi)部質(zhì)子微分能譜的計(jì)算中，一般采用單一厚度的鋁來代替結(jié)構(gòu)復(fù)雜的殼體結(jié)構(gòu)以簡化計(jì)算，也可通過射線追蹤方法構(gòu)建衛(wèi)星殼體屏蔽厚度分布函數(shù)，基于該分布函數(shù)來計(jì)算衛(wèi)星殼體內(nèi)部的質(zhì)子微分能譜[18]。

3.1.3 質(zhì)子核反應(yīng)致SEU截面曲線的擬合

通過質(zhì)子SEE地面模擬實(shí)驗(yàn)，可獲取不同能量點(diǎn)的質(zhì)子SEU截面數(shù)據(jù)，對截面數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到截面曲線。擬合模型主要有Bendel單/雙參數(shù)模型和Weibull模型，表示為

σB=σp[1-exp(-0.18×Y0.5)]4

(1)

(2)

對小尺寸器件而言，Bendel雙參數(shù)模型比單參數(shù)模型的預(yù)估精度更高，但雙參數(shù)模型不能同時(shí)很好地?cái)M合閾值區(qū)域和飽和截面區(qū)，其適用于低能截面數(shù)據(jù)點(diǎn)少的情況。對于低能截面數(shù)據(jù)較充分的情況，Weibull模型是更好的選擇。

3.2 低能質(zhì)子直接電離致SEU錯誤率預(yù)估問題及方法探索

3.2.1 低能質(zhì)子直接電離致SEU錯誤率預(yù)估問題

目前，國際上對低能質(zhì)子直接電離致SEU的預(yù)估方法沒有統(tǒng)一認(rèn)識，面臨的問題為：

1) 能譜展寬

低能質(zhì)子直接電離致SEU模擬實(shí)驗(yàn)獲取的是一系列低能量點(diǎn)上的翻轉(zhuǎn)截面數(shù)據(jù)。若參照核反應(yīng)致SEU預(yù)估的思路，首先需要擬合出低能質(zhì)子段的截面曲線，然后將擬合出的截面曲線與質(zhì)子微分能譜進(jìn)行積分得到翻轉(zhuǎn)率。質(zhì)子核反應(yīng)致SEU截面曲線的擬合有較成熟的模型，模型是結(jié)合核理論推導(dǎo)和地面模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證得出的[19]，而對低能質(zhì)子直接電離致SEU的截面曲線的擬合，目前沒有公認(rèn)的較成熟模型。再者，當(dāng)單能質(zhì)子入射靶物質(zhì)時(shí)，存在能譜展寬效應(yīng)。圖7為5 MeV質(zhì)子穿過50,75,100 μm厚度的硅襯底后的能譜。由圖7可見，低能質(zhì)子穿過硅襯底后有一定程度的能譜展寬，而且低能質(zhì)子的能譜展寬隨硅襯底厚度的增加而增大。能譜展寬效應(yīng)不可避免地影響低能質(zhì)子直接電離致SEU的截面數(shù)據(jù)的能量分辨率，換句話說，測量得到的截面所對應(yīng)的能量值并非真正入射至器件敏感區(qū)的能量值，這給翻轉(zhuǎn)率預(yù)估帶來較大的不確定性。

圖7 5 MeV質(zhì)子穿過50,75,100 μm硅層后的能量展寬Fig.7 Energy straggle after 5 MeV proton passingthrough a silicon layer of 50 μm,75 μm, and 100 μm

文獻(xiàn)[6]提出了通過蒙特卡羅方法來計(jì)算低能質(zhì)子直接電離致SEU截面，可克服實(shí)驗(yàn)無法規(guī)避的低能質(zhì)子能譜展寬問題，但計(jì)算中涉及的加權(quán)敏感體積模型的校準(zhǔn)需借助大量重離子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和高能質(zhì)子實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，加權(quán)系數(shù)的確定需多次迭代，且校準(zhǔn)后的模型僅適用于相同工藝的器件，增加了翻轉(zhuǎn)率預(yù)估的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[16]通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，對于不同的軌道環(huán)境，經(jīng)過屏蔽材料后能量處在3 MeV以下的質(zhì)子的能譜具有相似特征形狀。由于通過直接電離誘發(fā)SEU的低能質(zhì)子到達(dá)器件敏感區(qū)時(shí)的能量一般都小于3 MeV，那么通過調(diào)整質(zhì)子束流的降能條件使質(zhì)子能譜符合特征形狀，再利用調(diào)整后的束流獲取低能質(zhì)子SEU峰值截面，即可用于低能質(zhì)子直接電離致SEU錯誤率預(yù)估，但合適的質(zhì)子束流難以實(shí)現(xiàn)。

2) RPP(Rectangular Parallel Piped)模型的適用性

低能質(zhì)子直接電離致SEU的作用機(jī)理是電離，因此很容易想到借鑒重離子SEE預(yù)估方法，采用RPP模型進(jìn)行預(yù)估。RPP模型依賴一種稱為弦的概念，每條弦對應(yīng)著穿過器件敏感區(qū)的離子徑跡，SEU錯誤率Er可以表示為

(3)

3.2.2 低能質(zhì)子直接電離致SEU錯誤率預(yù)估方法探索

如前所述，能譜展寬給低能質(zhì)子直接電離致SEU錯誤率預(yù)估帶來了較大的不確定性，建立一種有效的低能質(zhì)子直接電離致SEU截面獲取方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對現(xiàn)有低能質(zhì)子直接電離致SEU截面獲取方法校準(zhǔn)過程復(fù)雜和可借鑒性差的缺點(diǎn)，提出一種新的基于仿真的低能質(zhì)子直接電離致SEU截面獲取方法，具有敏感體積參數(shù)獲取效率高、可執(zhí)行性好的優(yōu)點(diǎn)。方法的基本思路是：執(zhí)行不同角度和不同LET值的重離子單粒子效應(yīng)器件物理仿真，利用仿真獲取的截面數(shù)據(jù)計(jì)算單粒子效應(yīng)敏感體積厚度這一關(guān)鍵參數(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建器件的幾何結(jié)構(gòu)模型，通過粒子輸運(yùn)模擬獲取低能質(zhì)子直接電離導(dǎo)致的SEU截面。方法的具體實(shí)現(xiàn)可以參見文獻(xiàn)[20]。該方法的特點(diǎn)是：基于仿真實(shí)現(xiàn)，規(guī)避了試驗(yàn)中金屬布線或襯底引起的質(zhì)子能譜展寬問題，可提高低能質(zhì)子直接電離致SEU截面曲線中質(zhì)子能量的分辨率；利用不同角度和不同LET值的重離子單粒子效應(yīng)器件物理仿真獲取的截面數(shù)據(jù)來計(jì)算單粒子效應(yīng)敏感體積厚度這一關(guān)鍵參數(shù)，與現(xiàn)有加權(quán)敏感體積模型構(gòu)建方法相比，規(guī)避了其復(fù)雜的校準(zhǔn)過程，提高了敏感體積參數(shù)的獲取效率，具有成本低、計(jì)算效率高及可執(zhí)行性好等優(yōu)點(diǎn)。

4 質(zhì)子核反應(yīng)導(dǎo)致的SEU錯誤率預(yù)估及分析

針對表2所列3種典型軌道，開展了質(zhì)子核反應(yīng)致納米SRAM SEU錯誤率的預(yù)估，研究了軌道環(huán)境、太陽活動和器件SEU敏感特性對SEU錯誤率的影響，對航天元器件的選用和航天器安全可靠運(yùn)行具有參考價(jià)值。

表2 軌道參數(shù)Tab.2 Orbit parameters

表3 3款納米SRAM的SEU截面曲線的擬合參數(shù)[2]Tab.3 Fitting parameters of SEU cross section curves of three nanometer SRAMs[2]

預(yù)估采用強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子單粒子效應(yīng)預(yù)估軟件，軟件的用戶界面如圖8所示。該軟件在 Linux 操作系統(tǒng)下運(yùn)行，基礎(chǔ)模塊和系統(tǒng)集成平臺采用 Python 作為主體程序設(shè)計(jì)語言開發(fā)，圖形化控制界面采用Qt開發(fā)。軟件主要由質(zhì)子能譜計(jì)算模塊、翻轉(zhuǎn)截面擬合模塊和空間翻轉(zhuǎn)率計(jì)算模塊3個(gè)模塊組成。與國外同類預(yù)估軟件Space Radiation相比，強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子單粒子效應(yīng)預(yù)估軟件具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)用戶界面簡潔直觀。軟件采用流程圖式界面，清晰表達(dá)了質(zhì)子單粒子效應(yīng)的預(yù)估流程，各計(jì)算模塊的邏輯關(guān)系直觀，模塊間的數(shù)據(jù)流向明確，與Space Radiation的菜單式界面相比，更有利于用戶快速理解軟件架構(gòu)組成和輕松掌握軟件操作步驟。2)功能實(shí)現(xiàn)更加完備。模型參數(shù)的配置支持外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入，結(jié)果可視化形式多樣，增加了全過程數(shù)據(jù)的報(bào)告生成功能。3)引入新的計(jì)算模型及模型修正因子。在銀河宇宙射線計(jì)算中引入CREME96模型，將銀河宇宙射線強(qiáng)度和太陽黑子數(shù)量聯(lián)系起來，描述了太陽活動周期內(nèi)銀河宇宙射線隨時(shí)間的變化；在地磁屏蔽計(jì)算中引入了Nymmik10 地磁屏蔽模型，考慮了地磁場擾動對截止剛度的影響，能夠較好地描述中高緯度地區(qū)、較低能量的粒子穿透地磁屏蔽的能力，同時(shí)，也考慮了地磁截止剛度每天的變化；在地磁俘獲粒子計(jì)算中引入了南大西洋異常區(qū)位置漂移修正因子；在衛(wèi)星屏蔽計(jì)算中引入了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星屏蔽模型。

圖8 質(zhì)子單粒子效應(yīng)預(yù)估軟件用戶界面Fig.8 Software interface for proton SEU prediction

在質(zhì)子核反應(yīng)致SEU錯誤率預(yù)估中，航天器屏蔽采用厚度為3 mm的鋁，3款納米SRAM的SEU截面曲線的擬合參數(shù)列于表3。表4為強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子單粒子效應(yīng)預(yù)估軟件和Space Radiation 5.0的預(yù)估結(jié)果，由表4可見，在軌道模型、屏蔽參數(shù)和翻轉(zhuǎn)截面擬合參數(shù)輸入一致的情況下，2款軟件預(yù)估結(jié)果的相對偏差不超過10%。預(yù)估發(fā)現(xiàn)：對于GEO和MEO軌道，太陽極大期質(zhì)子SEU錯誤率比太陽極小期高1～2個(gè)數(shù)量級；對于SSO軌道，受范艾倫輻射帶的影響，俘獲質(zhì)子對翻轉(zhuǎn)率的貢獻(xiàn)超過太陽高能粒子；質(zhì)子核反應(yīng)致SEU錯誤率很大程度上依賴于SRAM的飽和截面，飽和截面越大，錯誤率越高。

表4 質(zhì)子核反應(yīng)導(dǎo)致的單粒子翻轉(zhuǎn)率預(yù)估結(jié)果Tab.4 Prediction results of SEU error rates caused by proton nuclear reaction

5 結(jié)論

仿真分析了高能質(zhì)子核反應(yīng)和低能質(zhì)子直接電離2種質(zhì)子SEE作用機(jī)制，討論了低能質(zhì)子的能譜展寬和能量沉積特點(diǎn)對低能質(zhì)子直接電離導(dǎo)致的SEU錯誤率預(yù)估帶來的影響，針對不同種類的納米SRAM預(yù)估了典型軌道上的質(zhì)子核反應(yīng)導(dǎo)致的SEU錯誤率。結(jié)果表明：對運(yùn)行在高軌道的航天器，質(zhì)子核反應(yīng)導(dǎo)致的SEU錯誤率受太陽活動影響明顯，太陽極大期的質(zhì)子核反應(yīng)導(dǎo)致的SEU錯誤率更高；對運(yùn)行在低軌道的航天器，范艾倫輻射帶內(nèi)帶的質(zhì)子核反應(yīng)導(dǎo)致的SEU需引起足夠重視；質(zhì)子核反應(yīng)導(dǎo)致的SEU錯誤率很大程度上依賴于器件的飽和截面，飽和截面越大，翻轉(zhuǎn)率越高。