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电离总剂量辐射效应及加固方法解析

目 录 一、辐射环境2 1.1 范艾伦辐射带2 1.1.1 内辐射带(Inner Belt )3 1.1.2 外辐射带(Outer Belt )3 1.2 宇宙线辐射环境3 1.2.1 银河宇宙线3 1.2.2 太阳宇宙线3 1.3 核爆辐射环境4 1.4 存在电离总剂量辐射的环境4 二、总剂量辐射损伤的产生机理4 三、电离总剂量辐射对器件的影响6 3.1 总剂量辐射对NMOS 晶体管关态漏电流的影响6 3.2 总剂量辐射对VDMOS 晶体管1/f 噪声的影响7 3.3 总剂量辐射对SRAM 静态功耗电流的影响8 3.4 总剂量辐射对SRAM 功能的影响9 四、针对辐射损伤所采取的辐射加固方法9 4.1 环形栅结构 10 4.2 H 形栅结构 13 + 4.3 P 保护环 15 4.4 厚场氧旁附加薄场氧层 16 电离总剂量辐射效应及加固方法解析 起草人:丛忠超 一、辐射环境 辐射环境主要包括空间自然辐射环境和人造辐射环境两种。其中,空间辐射 环境又可以分为范.艾伦辐射带和宇宙射线两种,而人造辐射环境主要是指核武 器爆炸和地面辐射模拟源两种。下面针对上述辐射环境进行详细介绍。 1.1 范艾伦辐射带 所谓地球辐射带就是指那些存在于地球周围的高能粒子集中的区域,一般存 在于近层宇宙空间中,即距离地球 100 公里到几百公里的空间。它是由美国科学 家詹姆斯·范艾伦于1958年根据美国第一颗卫星的空间粒子探测得出结果推测发 现的,因此被称为范·艾伦辐射带。范.艾伦辐射带是由地磁场俘获高达几兆电子 + 伏的电子以及高达几百兆电子伏的质子组成,其中只有很少百分比像 O 这样的 重粒子,其分布结构图如2.1 所示。由图可知,高能质子与高能电子主要分布在 两个对称的集中区域,在赤道附近呈环状绕着地球,并向极地弯曲,这两个区域 分别被称为内辐射带和外辐射带,简称内带与外带,其中距离地球较近的称为内 带,距离地球较远的称为外带,它们共同组成了范艾伦辐射带,下面将分别介绍 内带与外带。 图1 地球辐射带结构示意图 1.1.1 内辐射带(Inner Belt ) 内辐射带简称内带,高度在1~2 个地球半径之间,范围限于磁纬度±40°之间。 内带中含有大量的高能质子和电子,当无太阳质子事件且地磁扰动不大时,内辐 射带中高能质子和电子的空间分布和强度相当稳定,称之为稳定的内辐射带。它 并不是永远不变的,还受地磁场长期变化的影响,而使辐射带的空间分布和强度 的发生变化,空间分布的长期变化与南大西洋负磁异常区的变化趋势基本一致, 强度的变化则要进行大量的探测。内带中对卫星和宇航员的威胁主要来自高能的 质子。 1.1.2 外辐射带(Outer Belt ) 外带不同于内带,其带电粒子数具有较大的变化区间,其差别最大可以达到 100 倍。外带距离地球相对于内带远一些,高度大约在 3~4 个地球半径之间, 起始高度为13000~19000 公里,跨度约为6000 公里,范围可延伸到磁纬度50°~ 60°。外带相对比较稀薄,并且外带中的带电粒子的能量要比内带小,但是已经 远远超过外大气层中粒子的热运动能。然而,不同于内带,外带中对卫星和宇航 员的威胁主要来自高能的电子,而并非质子。 1.2 宇宙线辐射环境 宇宙线辐射环境是由银河宇宙线(GCR )和太阳宇宙线(SCR )所组成,他 们分别是来自太阳系以外银河深处的高能带电粒子和伴随太阳耀斑事件发射的 高能带电粒子流。 1.2.1 银河宇宙线 它的主要组成元素是氢和氦,动能在2.4×109 电子伏以上的粒子中,氢和氦 分别占94%和5.5%,其他元素只占0.5% 。然而,银河宇宙线的化学组成与太阳 的化学组成非常相似。但是,例外的是轻元素(Li 、 Be 、B)和化学元素周期表中 在Fe

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