本书完整地涵盖了先进半导体的电离辐射效应，深入探讨了抗辐射加固技术。首先介绍辐射效应的重要背景知识、物理机制、仿真辐射输运的蒙特卡罗技术和电子器件的辐射效应。重点阐述以下内容：商用数字集成电路的辐射效应，包括微处理器、易失性存储器（SRAM和DRAM）和快闪存储器；数字电路、现场可编程门阵列（FPGA）和混合模拟电路中的软错误效应、总剂量效应、位移损伤效应和设计加固解决方案；纤维光学和成像器件（包括CMOS图像传感器和电荷耦合器件CCD）的辐射效应。
Marta Bagatin 毕业于意大利帕多瓦大学，2006年获得电子工程专业学士学位，2010年获得信息科学与技术专业博士学位。她目前作为博士后，就职于意大利帕多瓦大学信息工程系。她的研究兴趣主要是电子器件的辐射效应和可靠性，特别关注非易失半导体存储器。在辐射效应和可靠性领域，Marta以第一作者或共同作者身份在国际期刊上发表论文约40篇，在国际会议上发表论文约50篇，撰写过两部专著的部分章节。她还经常作为核与空间辐射效应会议（NSREC）以及器件与系统的辐射效应会议（RADECS）等国际会议的委员，也是诸多学术期刊的审稿人。 Simone Gerardin 毕业于意大利帕多瓦大学，2003年获得电子工程专业学士学位，2007年获得电子和电信工程专业博士学位。他目前是意大利帕多瓦大学的助理教授。他的研究聚焦于先进CMOS工艺中电离辐射引起的软错误和硬错误，以及它们与器件老化和ESD的相互作用。Simone在国际期刊上以第一作者或共同作者身份发表论文超过60篇，发表会议论文60余篇，撰写过三部专著的部分章节，在辐射效应国际会议上做过两次专题讲座（Tutorial）。他目前是IEEE Transactions on Nuclear Science期刊副主编，作为诸多学术期刊的审稿人，还担任辐射效应领导小组的代表委员。
毕津顺，博士生导师，贵州师范大学教授，中国科学院微电子研究所特聘研究员，中国科学院大学岗位教授。主要从事半导体器件和集成电路辐射效应、抗辐射加固技术及应用研究。主持国防创新项目、预研项目、自然基金重点项目和面上项目10余项，参与国家重大科技专项、国家自然基金创新研究群体项目、自然科学基金委–中国科学院大科学装置科学研究联合基金项目和中科院国际合作项目等20余项。已出版译著两部，发表各类学术论文180余篇，申请专利共计80余项。
目 录
第1章 电子器件辐射效应介绍 1
1.1 引言 1
1.2 辐射效应 1
1.2.1 空间 1
1.2.2 地球环境 3
1.2.3 人造辐射 4
1.3 电离总剂量效应 4
1.3.1 金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET) 6
1.3.2 双极器件 8
1.4 位移损伤 10
1.5 单粒子效应 12
SRAM中的单粒子翻转 14
1.6 小结 16
参考文献 16
第2章 辐射效应的蒙特卡罗仿真 18
2.1 引言 18
2.2 蒙特卡罗方法简史 18
2.3 蒙特卡罗方法的定义 20
2.4 蒙特卡罗方法模拟半导体器件辐射效应的研究 20
2.4.1 单粒子效应 21
2.4.2 总剂量效应 22
2.4.3 位移损伤剂量效应 23
2.5 辐射输运的蒙特卡罗仿真 24
2.5.1 蒙特卡罗方法辐射输运和相互作用的定义 24
2.5.2 需要考虑的粒子和相互作用 24
2.5.3 电子输运：简史和截止能量 25
2.5.4 方差减小技术 27
2.5.5 辐射输运蒙特卡罗仿真应用总结 28
2.6 蒙特卡罗工具示例 28
2.6.1 蒙特卡罗N粒子输运码 28
2.6.2 Geant4 29
2.6.3 FLUKA 29
2.6.4 粒子和重离子输运码系统(PHITS) 29
2.7 小结 29
参考文献 30
第3章 10 nm级CMOS工艺制程SRAM多翻转的完整指南 35
3.1 引言 35
3.2 实验装置 36
3.2.1 计数多翻转的测试算法的重要性 36
3.2.2 测试设施 37
3.2.3 测试器件 38
3.3 实验结果 39
3.3.1 MCU与辐射源的关系 40
3.3.2 MCU和阱工艺的关系：三阱的采用 40
3.3.3 MCU与重离子实验中入射角的关系 42
3.3.4 MCU与工艺特征尺寸的关系 42
3.3.5 MCU与设计的关系：阱接触密度 43
3.3.6 MCU与电源电压的关系 43
3.3.7 MCU与温度的关系 44
3.3.8 MCU与位单元架构的关系 44
3.3.9 MCU与测试位置(LANSCE和TRIUMF)的关系 46
3.3.10 MCU与衬底的关系：体硅和绝缘体上硅 47
3.3.11 MCU与测试数据的关系 47
3.4 MCU发生的3D TCAD建模 47
3.4.1 有三阱工艺中的双极效应 49
3.4.2 针对先进工艺优化敏感区域 51
3.5 一般性结论：影响MCU敏感度因素的排序 54
3.5.1 SEE敏感区域版图 55
附录3A 55
参考文献 56
第4章 动态随机存取存储器中的辐射效应 60
4.1 引言 60
4.2 动态随机存储器基础 61
4.2.1 工作原理 61
4.2.2 动态随机存储器的类型 63
4.3 辐照效应 63
4.3.1 单粒子效应(SEE) 63
4.3.2 总剂量效应 70
4.4 小结 72
参考文献 72
第5章 闪存中的辐射效应 76
5.1 引言 76
5.2 浮栅技术 76
5.3 浮栅单元的辐照效应 78
5.3.1 总剂量辐照引起的位错误 79
5.3.2 单粒子效应引起的位错误 80
5.4 外围电路中的辐照效应 83
5.4.1 电离总剂量效应 84
5.4.2 单粒子效应 84
5.5 小结 85
参考文献 86
第6章 微处理器的辐射效应 91
6.1 引言 91
6.1.1 软错误机制与作用电路 91
6.1.2 章节概述与结构 92
6.2 微处理器结构 94
6.2.1 流水线、随机状态和结构状态 94
6.2.2 时钟分布和I/O 97
6.2.3 SoC电路 98
6.3 微处理器常见辐射效应 98
6.4 微处理器中的单粒子效应 99
6.4.1 缓存中的单粒子效应 99
6.4.2 寄存器中的单粒子效应 104
6.4.3 流水线和执行单元中的单粒子效应 105
6.4.4 频率相关性 107
6.4.5 温度效应 109
6.5 专题讨论 110
6.5.1 SEE测试中的激励源设计 110
6.5.2 利用最敏感组件探测SEE 110
6.5.3 片上网络和通信 111
6.5.4 微处理器中的多位翻转(MBU)和角度效应 112
6.5.5 加固微处理器的辐射响应行为 113
6.5.6 复杂系统的测试 114
6.5.7 评估系统响应 114
6.6 小结 115
参考文献 115
第7章 锁存器和触发器的软错误加固设计 119
7.1 引言 119
7.1.1 未加固的锁存器和触发器 119
7.1.2 单粒子翻转的机制 121
7.1.3 工艺加固 123
7.2 锁存器和触发器的软错误电路加固设计技术 124
7.2.1 电路冗余技术 124
7.2.2 时间冗余技术 126
7.2.3 综合加固策略 127
7.2.4 延迟单元电路 133
7.2.5 分类和比较 135
7.3 电路级加固分析技术 136
7.3.1 电路仿真建模 136
7.3.2 多节点电荷收集(MNCC)的加固技术 138
7.4 小结 148
参考文献 149
第8章 利用三模冗余电路保证SRAM型FPGA加固效果 152
8.1 引言 152
8.2 FPGA中单粒子翻转(SEU)和多单元翻转(MCU)数据概述 153
8.3 受TMR保护的FPGA电路 157
8.3.1 电路设计问题 157
8.3.2 条件约束问题 158
8.3.3 电路结构问题 158
8.4 跨域错误(DCE) 159
8.4.1 测试方法和设置 159
8.4.2 错误注入和加速器测试结果 161
8.4.3 结果与讨论 162
8.4.4 DCE的概率 165
8.5 SBU与MCU的探测及设计难题 166
8.5.1 相关工作 167
8.5.2 STARC概述 168
8.5.3 案例研究：面积约束下优化可靠性 170
8.6 小结 171
参考文献 171
第9章 模拟与混合信号集成电路的单粒子加固技术 175
9.1 引言 175
9.2 电荷收集减少 176
9.2.1 衬底工程 176
9.2.2 版图加固技术 177
9.3 临界电荷减少 182
9.3.1 冗余技术 182
9.3.2 平均技术(模拟冗余技术) 183
9.3.3 电阻去耦技术 183
9.3.4 电阻电容(RC)滤波技术 185
9.3.5 带宽、增益、工作速度和电流驱动能力的优化技术 186
9.3.6 差错贡献窗口减小 188
9.3.7 高阻抗节点减少 190
9.3.8 电荷共享加固技术 190
9.3.9 节点分离加固技术 192
9.4 小结 195
参考文献 196
第10章 混合工艺像素、时间不变前端电路CMOS 单片传感器：电离总剂量效应和
体损伤研究 202
10.1 引言 202
10.2 带电粒子追踪用CMOS单片传感器 203
10.3 130 nm三阱CMOS工艺N型深阱单片有源像素传感器 203
10.3.1 被试器件和辐照过程描述 204
10.3.2 电离总剂量效应 205
10.4 180 nm CMOS工艺四阱单片有源像素传感器 211
10.4.1 被试器件和辐照过程描述 211
10.4.2 电离总剂量效应 212
10.5 混合工艺像素单片有源传感器的位移损伤 216
10.6 小结 220
致谢 220
参考文献 220
第11章 CMOS图像传感器辐射效应 223
11.1 引言 223
11.1.1 背景 223
11.1.2 APS、CIS和单片有源像素传感器(MAPS) 223
11.1.3 辐射效应基本知识 224
11.2 CMOS图像传感器(CIS)介绍 224
11.2.1 CMOS图像传感器(CIS)技术综述 224
11.2.2 与辐射效应相关的重要CIS概念 228
11.3 单粒子效应 233
11.4 外围电路的累积辐射效应 234
11.5 像素的累积辐射效应 235
11.5.1 电离总剂量效应 235
11.5.2 位移损伤效应 241
11.6 小结 245
参考文献 245
第12章 CCD器件的自然辐射效应 256
12.1 引言 256
12.2 CCD器件的单粒子效应 256
12.2.1 CCD器件的辐射效应 256
12.2.2 CCD辐射探测仪 257
12.3 CCD自然辐射效应：案例分析 259
12.3.1 实验装置 260
12.3.2 实验结果 260
12.3.3 模拟和仿真 264
12.3.4 航空高度的仿真验证 266
12.4 小结 269
致谢 269
参考文献 269
第13章 光纤和光纤传感器的辐射效应 273
13.1 引言 273
13.2 光纤主要辐射效应 273
13.2.1 辐射诱生点缺陷和结构变化 274
13.2.2 辐射诱生衰减(RIA) 275
13.2.3 辐射诱生发射(RIE) 275
13.2.4 压缩和辐射诱发折射率变化 276
13.3 影响光纤辐射响应的内部与外部参数 276
13.3.1 光纤有关的参数 276
13.3.2 外部参数 278
13.4 主要应用和挑战 279
13.4.1 对于光纤 279
13.4.2 对于光纤传感器 280
13.5 从零到系统级的多尺度仿真：最新进展 282
13.6 小结 284
参考文献 284
缩略语 293
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