单粒子效应分析与电路级模拟研究

逻辑电路单粒子效应加固关键技术研究近年来，随着技术的发展，电子设备的功能日益强大，为了更有效的发挥设备的性能，特别是在安全领域，针对电路的攻击变得异常重要，对于这种情况，对密码学加固以及加固电路逻辑电路等都变得极其重要。

在传统的加固方法中，通常只针对硬件逻辑，但是单粒子效应却能够有效地破坏半导体中的逻辑门，因此，本研究以逻辑电路单粒子效应加固关键技术为研究主题，旨在提出一些有效的加强技术，以期对电路提供更好的防护。

首先，本研究的背景是由于近年来电子设备的技术越来越发达，而单粒子效应在电路中的攻击可能性越来越大，因此，逻辑电路的安全防护问题变的尤为重要，特别是对电路结构的分析和加固方法提出了更高的要求。

这就引发了寻求有效的加固技术，以保护电路和系统免受单粒子效应攻击的挑战。

其次，本研究将深入讨论单粒子效应攻击的原理、特征及其对电路的影响。

接下来将介绍逻辑电路单粒子效应加固的基本原理，并分析其主要技术，包括噪声等效技术、网络重构、动态加密和单粒子效应静态加密等技术，以及加固电路逻辑电路中有针对性技术，包括VERO前瞻式技术、硬件加固技术等。

紧接着，本研究将介绍在实际工程中，逻辑电路单粒子效应加固实现的具体步骤、方法及其工具，以及实现单粒子效应静态加密技术的关键算法，包括对密钥的管理等。

此外，本研究还将给出一些可用来评估逻辑电路单粒子效应加固效果的方法，如系统可靠性、安全性评估等。

最后，本研究将概述结论，并分析逻辑电路单粒子效应加固技术的发展趋势。

从上文可以看出，本研究以单粒子效应加固关键技术的研究为核心，从实验背景、原理技术以及实验过程到评估方法和发展趋势，进行了全面的论述和分析，从而更好地阐述了逻辑电路单粒子效应加固关键技术的重要性，为对电路提供更好的防护提供了帮助。

单粒子瞬态效应引言单粒子瞬态效应是指当一个粒子通过介质时，产生的临时电子状态。

这种瞬态效应是在离子化过程中，由于空穴的移动和电子的再结合而产生的。

在本文中，我们将详细探讨单粒子瞬态效应以及其在材料科学和电子工程中的应用。

瞬态效应的原理单粒子瞬态效应是由粒子对介质中电子的能量传递引起的。

当一个粒子（如电子或光子）穿过介质时，它与介质中的原子或分子相互作用，导致电子从其原子轨道中激发出来或被剥离。

这些激发态或离子化态仅在瞬间存在，并迅速衰减。

在这个过程中，空穴被形成，它在周围介质中移动直到与其他电子重新结合。

这个重新结合过程的时间尺度短于电子与介质相互作用的时间尺度，因此可以认为所有电子在一个时间段内同时重新结合。

单粒子瞬态效应的应用单粒子瞬态效应在材料科学和电子工程中有着广泛的应用。

下面将分别讨论其在这两个领域的具体应用。

材料科学中的应用1.瞬态电导率的测量：单粒子瞬态效应可以被用来测量材料的瞬态电导率。

通过在材料中注入粒子并测量粒子通路的电导率变化，可以得到材料在瞬态状态下的电导率信息。

这对于研究材料的电子输运过程和载流子动力学特性具有重要意义。

2.材料性能的改善：单粒子瞬态效应可以帮助改善材料的性能。

例如，在半导体领域，通过控制粒子注入的能量和密度，可以调节材料的载流子浓度和迁移率，从而改善半导体器件的性能。

3.材料的捕获和释放：除了改善材料的性能，单粒子瞬态效应还可以用于材料的捕获和释放。

在某些应用中，需要在材料中捕获特定的粒子（如荧光染料或催化剂），通过控制粒子注入的能量和位置，可以实现在材料中的特定区域捕获粒子，并在需要时释放。

电子工程中的应用1.单粒子敏感器：单粒子瞬态效应可以用于开发高灵敏度的单粒子传感器。

通过将敏感介质与电子探测器结合，当粒子穿过介质并引起瞬态效应时，可以通过电子探测器捕捉到这个信号。

这种单粒子传感器可以用于环境监测、生命科学研究等领域。

2.电子器件的可靠性评估：单粒子瞬态效应可以被用于评估电子器件的可靠性。

单粒子试验方法
单粒子试验方法主要包括两种：飞行试验和地面模拟试验。

飞行试验是将用于单粒子效应研究的设备搭载到航天器上，让测试器件充分暴露在真实的空间辐射环境中，记录工作状态和异常情况，从而得到真实的试验数据。

然而，这种方法有成本高昂、实验周期长等缺点。

地面模拟试验是人为产生各种实验需要的高能粒子，对空间辐射环境进行模拟，然后再用产生的高能粒子去辐照被测设备，这时会发生各种单粒子效应，记录这些现象就可以研究其机理和检测被测设备的抗辐射能力。

地面模拟试验的优点在于试验条件可以人为可控，有丰富的离子种类、能量和注量率可供选择，有利于对单粒子效应产生规律和作用机制作全面细致的研究，且可进行多次、重复试验。

常用的辐射源有回旋加速器、串列静电加速器、锎源等，产生的辐射粒子有脉冲激光、质子、电子和重离子等。

单粒子效应书嘿，你有没有想过，在我们看不见的微观世界里，有一些超级神奇又超级麻烦的事情在不断发生呢？这就是我要跟你讲的单粒子效应。

我有个朋友，叫小李，他是搞航天工程的。

有一次我们聊天，他就满脸苦恼地跟我说：“你知道吗？那些小小的粒子，就像隐藏在黑暗中的小恶魔，能把我们精心设计的设备搞得乱七八糟。

”我当时就特别好奇，啥小粒子能有这么大能耐？单粒子效应啊，简单来说，就是单个高能粒子打到电子器件上，引发的一系列意想不到的状况。

这就好比你正在安静地搭积木，突然有个看不见的小捣蛋鬼冲过来，一下子把你快搭好的积木给弄歪了。

这些高能粒子就像那些捣蛋鬼，它们可能来自宇宙射线，也可能是辐射环境里的一些粒子。

对于那些在太空工作的设备，像卫星啊，探测器啊，单粒子效应就像是一场噩梦。

我曾经和一位卫星研发的工程师老王聊过。

他说：“哎呀，我们做卫星的时候，最头疼的就是这个单粒子效应了。

那些粒子打到卫星上的芯片里，就可能让芯片出错。

本来好好的数据传输，突然就乱套了。

就好像你在打电话，正说着重要的事儿呢，突然对方说的话全变成乱码了。

”我当时就感叹，这也太可怕了吧。

那这些单粒子效应到底会造成哪些具体的破坏呢？单粒子翻转就是个常见的问题。

就像一个本来很听话的小开关，粒子一打过来，它就从开变成关，或者从关变成开了。

这可不得了，在一个复杂的电路系统里，一个小开关的错误，可能就像推倒了多米诺骨牌的第一张，后面一连串的设备都会跟着出错。

还有单粒子锁定，这就更麻烦了。

想象一下，你的电脑突然死机了，怎么按都没反应，这就类似单粒子锁定的情况。

粒子让器件里的电流变得超级大，就像洪水冲破了堤坝，器件就被这股强大的电流给困住了，无法正常工作了。

那科学家们就这么干看着，任由这些单粒子效应捣乱吗？当然不是啦！这就像面对一群调皮的孩子，你得想办法管着他们。

科学家们想出了好多办法来应对。

比如说，加固电子器件，让它们变得更强大，更能抵抗这些粒子的攻击。

就像给士兵穿上更厚的盔甲，让他们在战场上不容易受伤。

一种抗单粒子效应的加固技术研究近年来，单粒子效应越来越成为半导体器件可靠性的重要问题。

单粒子效应主要是指电路器件受到单个粒子的影响而出现的瞬间失效或性能下降现象。

这种效应往往会导致芯片的不可靠性和寿命缩短，极大地影响芯片的应用效果。

因此，抗单粒子效应成为近年来半导体器件可靠性研究的热点问题。

目前，抗单粒子效应的加固技术主要包括提高芯片工艺、优化器件结构和增强电路设计等方面。

本文将分别就这几个方向展开探讨，并提出一些具体的解决方案。

一、提高芯片工艺芯片工艺是影响器件可靠性的重要因素，芯片工艺的精度和稳定性直接关系到器件的可靠性。

在抗单粒子效应的研究中，通过优化芯片工艺来降低器件对单粒子的敏感度被认为是一种有效的方式。

首先，提高成品芯片的掺杂剂浓度可以增加器件的电子束容忍量，以提高芯片的抗单粒子效应能力。

在通量密度高的环境下，掺杂芯片的核激发截面将会增加，从而提高器件的单粒子抗性能。

其次，对于SRAM 类器件，双极性静电保护器件的引入可有效减少器件的抗单粒子效应。

通过控制较小的电流和电压，可将芯片设定为两个不同的状态，从而实现器件的抗单粒子功能。

此外，采用栅极极薄化技术也是提高芯片抗单粒子能力的一种有效手段。

通过将栅极厚度减薄，可将器件对单粒子的敏感度降至最小，并且通过锁定栅电压，可以使SRAM 类器件增加抗剧烈电场和射线影响的能力。

二、优化器件结构优化器件结构是实现抗单粒子效应的另一种有效途径，通过处理硅晶体的晶体结构和引入高介电常数的氧化物等方法，可提高器件的抗单粒子能力。

首先，氧化层厚度必须得到控制以降低外部辐射所带来的影响。

优化氧化层可以增强MOSFET 结构的抗剧烈电场和射线能力。

此外，在硅片的表面形成均匀的氧层也是十分重要的，因为深学层之间的差异会导致器件的电荷堆积增加，引起器件的单粒子敏感性增加。

其次，采用具有极小反向电容的技术和氮化硅层技术也可以增加芯片的抗单粒子能力。

通过将金属引线间距等放大，可以使器件的单电子抗性增强，从而提高器件的抗单粒子能力。

FinFET器件单粒子闩锁及翻转效应的TCAD仿真探究摘要：单电子闩锁是一种基于电子运动的新型器件，具有极高的性能和潜在应用价值。

本文利用TCAD仿真软件，对FinFET器件中的单粒子闩锁及翻转效应进行了探究。

通过优化FinFET的结构参数和材料参数，实现了单粒子的电子轨迹控制和单粒子闩锁的形成。

同时，对单粒子闩锁中电荷输运和耦合效应进行了深度分析，并探讨了器件翻转效应的影响因素。

关键词：FinFET器件，单粒子闩锁，翻转效应，TCAD仿真引言随着微纳电子技术的不息进步，传统的MOSFET器件已经无法满足日益增长的制造要求和性能需求。

因此，探究者们开始关注新型的纳米器件，如FinFET器件。

FinFET器件由于其优异的特性和结构，吸引了广泛的关注。

然而，为了进一步提高其性能和功能，需要开展深度的探究。

本文基于TCAD仿真软件，通过对FinFET器件中的单粒子闩锁及翻转效应的探究，旨在为FinFET器件的优化设计和应用提供理论依据。

单粒子闩锁的探究1. FinFET器件的结构设计FinFET器件是一种三维立体结构的场效应晶体管。

通过接受纳米级的Fin结构，可以有效提高器件的性能。

本文接受TCAD软件对FinFET器件进行了优化设计，包括Fin的高度、宽度和长度等参数的调整。

2. 单粒子闩锁的形成通过给FinFET器件施加适当的偏置电压，可以实现单粒子在Fin结构中的自由运动和囚禁。

通过优化偏置电压和Fin结构参数，实现了单粒子的自由运动和囚禁。

进一步分析了单粒子在FinFET器件中的电子轨迹和能量波动的特性。

3. 单粒子闩锁的存储和读取通过调整FinFET器件的读取和写入电压，可以实现单粒子的存储和读取。

通过分析FinFET器件在不同电压条件下的电流特性，验证了单粒子闩锁的存储和读取过程。

翻转效应的探究1. 翻转效应的观点FinFET器件中的翻转效应是指器件的输出特性的反向变化。

本文分析了翻转效应的成因和机制，并对其进行了数值模拟。

单粒子效应let阈值1.引言1.1 概述概述部分的内容：单粒子效应是指在电子器件或电路中，当只有一粒子经过，其能量沉积或干扰效应对器件性能的影响。

随着电子器件尺寸的日益缩小和工作频率的不断提高，单粒子效应变得越来越严重，成为制约电子器件可靠性和性能的重要因素。

单粒子效应常见的表现形式包括瞬时电压降低、电流暂态变化、逻辑电平翻转、脉冲峰值增加等，这些效应可能导致电子器件产生错误操作或甚至失效。

LET阈值是指粒子的线能量传输（Linear Energy Transfer，LET）达到一定阈值时，会对器件产生明显的影响。

LET是指粒子穿过介质时单位长度内转移给介质的能量，通常用单位电离电荷数（ion pairs）表示。

通过精确测量和模拟，可以确定不同类型的器件对于特定LET阈值的敏感性。

单粒子效应和LET阈值的研究对于提高电子器件的抗辐射性能和可靠性具有重要意义。

本文将深入探讨单粒子效应的定义和特点，以及LET阈值的概念和影响因素，旨在为电子器件设计和抗辐射措施的制定提供实用的参考。

1.2 文章结构文章结构（Article Structure）本文将按照以下结构进行论述和分析：1. 引言：在引言部分，我们将对单粒子效应(let阈值)进行概述，介绍其概念和特点，并明确本文的目的。

2. 正文：正文部分将分为两个主要部分来探讨单粒子效应和LET阈值。

2.1 单粒子效应：这一部分我们将给出对单粒子效应的定义，并详细讨论其特点及其对系统的影响。

单粒子效应指的是在粒子输运过程中，基于单个粒子与系统交互的效应。

我们将探讨它在不同领域中的应用和重要性。

2.1.1 定义：在这一小节，我们将给出单粒子效应的具体定义，并解释其背后的物理机制。

我们会介绍其与系统中其他复杂效应的区别，并强调其独特性和重要性。

2.1.2 特点：本小节将详细讨论单粒子效应的特点，例如单粒子效应对系统的非线性影响、对系统可靠性的影响等。

我们将对其影响机制进行深入剖析，并给出实例进行说明。

Vol. 40, No. 2航 天 器 环 境 工 程第 40 卷第 2 期170SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING2023 年 4 月 E-mail: ***************Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544总剂量与单粒子协合效应对SRAM单粒子翻转敏感性影响的仿真研究刘 艳1，曹荣幸1*，李红霞1，赵 琳2，韩 丹1，刘 洋1，郑 澍1，曾祥华1，薛玉雄1*（1. 扬州大学 电气与能源动力工程学院，扬州 225127；2. 哈尔滨工业大学（深圳） 特殊环境物质科学研究院，深圳 518055）摘要：静态随机存储器（SRAM）在空间环境中可能会受到总电离剂量（TID）效应和单粒子效应（SEE）协合作用的影响，导致器件单粒子翻转（SEU）的敏感性发生改变。

文章针对90 nm的SRAM器件，通过器件级和电路级的综合仿真手段，利用计算机辅助设计（TCAD）和集成电路模拟程序（SPICE）软件研究TID和SEE的协合作用对SRAM器件SEU敏感性的影响机制。

发现：当TID和SEE作用在器件相反工作阶段（即存储相反数据）时，SEU敏感性随着总剂量的增加而增强；当TID和SEE作用在器件相同工作阶段（即存储相同数据）时，SEU敏感性随着总剂量的增加而减弱。

其原因主要是SRAM的一个下拉NMOS管受到总剂量辐照发生损伤后，引起电路恢复时间和反馈时间的改变，并且恢复过程和反馈过程对SEU敏感性的贡献程度不同。

以上模拟结果可为存储器件的抗辐射加固设计提供参考。

关键词：静态随机存储器；总电离剂量；单粒子效应；单粒子翻转；协合效应；仿真研究中图分类号：V416.5; TP391.9文献标志码：A文章编号：1673-1379(2023)02-0170-09 DOI: 10.12126/see.2022109Simulation study on the synergistic effect of TID and SEE onSEU sensitivity of SRAMLIU Yan1, CAO Rongxing1*, LI Hongxia1, ZHAO Lin2, HAN Dan1, LIU Yang1,ZHENG Shu1, ZENG Xianghua1, XUE Yuxiong1*(1. College of Electrical, Energy and Power Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China;2. Institute of Special Environments Physical Sciences, Harbin Institute of Technology (Shenzhen), Shenzhen 518055, China)Abstract: Static random access memory (SRAM) may be subjected to the synergistic effect of total ionizing dose (TID) effect and single event effect (SEE) in space, resulting in the sensitivity change of single event upset (SEU) in the device. In this paper, the influencing mechanism of synergistic effect of TID and SEE on sensitivity of SEU in 90 nm SRAM was studied through integrated simulation at device level and circuit level by using technology computer aided design (TCAD) and simulation program with integrated circuit emphasis (SPICE). It was found that the SEU sensitivity increased with the increase of total dose when TID and SEE acted on the device at opposite working status, i.e., when the opposite data was stored. Whereas, the SEU sensitivity decreased with the increase of total dose when TID and SEE acted on the device at the same working status, i.e., when the same data was stored. The main reason was that after the damage of one of the pull-down NMOSes in SRAM by total dose radiation, the circuit recovery time and feedback time changed, and the recovery process and feedback process had different contributions to SEU sensitivity. This work may provide some reference for the radiation resistance design of memory devices.Keywords: SRAM; TID; SEE; SEU; synergistic effect; simulation study收稿日期：2022-10-27；修回日期：2023-03-17基金项目：国家自然科学基金项目（编号：12004329）；强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室专项经费项目（编号：SKLIPR2115）；江苏省研究生实践创新计划项目（编号：SJCX22_1704）；扬州宽禁带半导体电子材料与器件实验室开放基金项目（编号：YZ202026301；YZ202026306）引用格式：刘艳, 曹荣幸, 李红霞, 等. 总剂量与单粒子协合效应对SRAM单粒子翻转敏感性影响的仿真研究[J]. 航天器环境工程, 2023, 40(2): 170-178LIU Y, CAO R X, LI H X, et al. Simulation study on the synergistic effect of TID and SEE on SEU sensitivity of SRAM[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2023, 40(2): 170-1780 引言静态随机存储器（Static Random Access Memory, SRAM）是集成电路中最主要的存储器之一[1]，具有速度快、功耗低、集成度高以及与CMOS工艺兼容性好的优点，在存储、通信、数字信息处理、控制系统等产品中有着广泛应用。

一种抗单粒子效应的加固技术研究作者：齐贺飞王磊王鑫王绍权张梦月来源：《现代信息科技》2022年第06期摘要：针对数字波控电路在星载控制电路应用中存在的单粒子翻转效应问题，提出了一种基于DICE单元的双稳态D触发器设计改进，设计了一种能够抵御众多类型单粒子翻转效应的D触发器，并基于该D触发器，结合电路级单粒子加固技术设计了一款串并转换芯片。

测试表明，采用改进D触发器结构的波控芯片能够抵御至少80 MeV的单粒子效应事件。

芯片峰值功耗不大于10 mA，写入速率不低于10 MHz，功耗为1 mW/MHz。

关键词：单粒子效应;抗辐照;三模冗余中图分类号：TN79 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）06-0041-05Research on a Strengthening Technique against Single Event EffectQI Hefei， WANG Lei， WANG Xin， WANG Shaoquan， ZHANG Mengyue（The 13th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shijiazhuang 050051， China）Abstract： In view of the problem of single particle flip effect， which exits in the digital wave control circuit in load control circuit application， this paper puts forward a bistable D trigger design improvement based on DICE unit， designs a D trigger which can resist many types of single particle flip effect. And based on the D trigger， combined with circuit level single particle reinforcementtechnology， it designs a string and conversion chip. Tests show that a wave-control chip with an improved D-trigger structure can resist the Single Event Effect events of 80 MeV at least. The peak power consumption of the chip is not more than 10 mA， the write rate is not less than 10 MHz， and the power consumption is 1 mW/MHz.Keywords： Single Event Effect （SEE）; Radiation resistance; Triple Modular Redundancy0 引言地球周围存在着大量的高能粒子射线，主要分为三大类高能粒子辐射源：银河宇宙射线、太阳宇宙射线以及地球辐射带。