航天电子技术分析

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航天电子技术分析范文第1篇

“商业化”的起爆点：

一切从球开始

在世界范围内，有许多私营航天科技公司成功的先例：2014年，Facebook与 Titan Aerospace 进行了一笔达 6000 万美元的交易。Facebook 购买了多架该公司生产的近地面太空无人机，用于自己旗下的太空网络信号转播项目，届时，全球都会被免费的无线网络覆盖。而在民营航天成功先例中，最著名的恐怕就是 SpaceX 公司。

和美国不同，中国航天事业主要由国家掌控和运作，但这并不意味着私营航天在中国无从谈起。

去年5月，“中国制造2025”规划，在新常态的语境下，国家把目光再次聚焦到工业实体。有分析认为，仅卫星应用这一领域的产值就将在2020年达到5000亿元，“十三五”末我国航天工业的整体产值将能达到8000亿元至10000亿元的水平。

据行业人士测算，商业航天领域每投入1美元，可获得7至14美元的回报。经过多年发展，商业航天已成为世界航天产业发展的主要动力。

“坐火箭20万美元游太空”“推出太空专车、太空顺风车、太空班车等发射服务计划”……事实上，曾经颇显神秘的中国航天业，已悄然开启商业化的大幕。虽然让公众兴奋的太空游还略显遥远，但作为交通工具的火箭其实已开始“专车”服务（指发射卫星等）。

位于一间普通写字楼的中国火箭有限公司（以下简称中国火箭公司）没有过多国企做派和军工的神秘，也还没有互联网企业足够的简明高效，但这家企业已经站上中国航天商业化的时代“风口”。

作为商业航天发展的基础运输平台，火箭正通过创新运营模式、打造专属列车、提供定制服务等创新举措，努力在商业航天市场的激烈竞争中抢得先机。布局并不止于目前披露的商业发射服务、亚轨道飞行体验、空间资源利用三大业务板块，“对标SpaceX只是近期目标。”

百度CEO李彦宏曾在2014年的全国政协委员会上递交提案，建议国家相关主管部门鼓励民营企业开展火箭、卫星等的研制、生产和发射业务，促进航天技术在其他领域的应用，带动其他相关产业的发展。

航天领域的民间机会

2015年12月22日上午九点，美国太空探索公司SpaceX成功将其自主研制的Falcon 9 FT火箭发射升空，成为首个成功进入太空的民间企业。这被视为私人航天时代即将到来的标志。

在中国，航天领域长期为国有力量主导。即便是国有机构，要制造完整的火箭也非一家所能。火箭的不同结构，在传统的航天系统中有着严格的分工。

但在民营航天爱好者的眼中，只要技术操作与基本工艺到位，使用民用级别的原材料进行航天器制造，并非不可能。

2013年，大三学生胡振宇与科创广州项目组成员一起，到内蒙古发射了一枚火箭。

胡振宇曾在中科院空间所实习了1个多月，而这家机构是航天四院的主要客户之一。他听到的最大抱怨是“太贵了”，“贵到以至于中科院自己都想做探空火箭，忍无可忍了”。几年后，他创办了翎客航天，计划把价格拉低至200万元，同时提供更好的性能。其中的关键是缩短供应商链条，减少分包成本，避免层层倒手、加价，以确保毛利润率。

按照胡振宇的规划，他创建的翎客航天将是国内首家提供探空火箭发射服务的私人企业。与公众更加熟悉的“”等运载火箭相比，他的探空火箭体型更小，通常长度不超过10米，箭体直径不超过300毫米，有效载荷数十公斤。它的作用是将搭载的仪器送到几十至几百公里的高空，进行几分钟的科学观测，相对简单的结构和功能，让民间科研力量有望参与其中，甚至成为市场的主要玩家。

2015年7月，中国民间航天组织中规模最大的 “科创航天局”主席罗澍等人做的卫星研制方案得到了投资人的认可。投资人认为，没有民间及商业化的航天就没有人类航天的飞跃。现在人类处于技术空前平民化的阶段，所以会出现几个年轻人在短短几年间通过互联网改变数亿人的生活，“沿着平民化路线看看有没有突破口。”

民间的商业航天行为，最终落点还是“商业”，在国家大力推动军民融合、“航天+互联网”的信息产业变革，以及全球新一轮的工业革命的大背景下，越来越多的企业将通过航天的“商业化”道路，寻求新的投资机会。

中国航天的山东元素

在神舟十一号任务中与天宫二号空间实验室成功实现自动交会对接后，513所承担了多项保障工作。

513所即山东航天电子技术研究所，隶属于中国航天科技集团公司第五研究院，始建于1966年。1986年由山西太谷搬迁至山东烟台。是目前山东省唯一一家从事航天高科技研究的科研事业单位。513所先后参与了我国从神舟一号到神舟十一号、天宫一号、天宫二号等所有载人航天工程型号的研制，均圆满完成任务。

10月19日3时31分，神舟十一号载人飞船与天宫二号空间实验室成功实现自动交会对接。6时32分，航天员景海鹏、陈冬先后进入天宫二号空间实验室。据了解，2名航天员将按照飞行手册、操作指南和地面指令进行工作和生活，按计划开展有关科学实验。完成组合体飞行后，神舟十一号撤离天宫二号，并于1天内返回至着陆场，天宫二号转入独立运行模式。

据报道，在航天员空间实验的过程中，513所研制的多项产品将发挥至关重要的作用。其中，513所研发的氧分压调理电路、二氧化碳分压传感器、舱内气体采样装置将净化空气，确保太空没有“雾霾”；液路断接器和封气装置是载人飞船的安全卫士；失重生理效应实验装置、骨丢失对抗仪、无创心功能监测仪为航天员提供了完善的健康保障体系；无线语音系统将实现航天员与地面的天地通话。

作为航天电子重要研制单位，在发展中，513所逐渐形成了信息系统与综合电子、测控与通信、电力电子、计算机应用以及部组件五个专业领域，建成了完整的适应宇航和武器产业要求的电子产品科研、生产、实验体系，形成了从前沿技术跟踪、论证，到原理样机研制、产品工程化实现，以及技术成果转化的完整链条。研制的产品广泛应用于卫星、飞船、火箭和防务装备领域。

航天电子技术分析范文第2篇

关键词　专业定位　课程体系　人才培养　职业能力

新加坡南洋理工学院是一所世界公认的、一流的职业技术综合性学院。新加坡经发局领导下的跨国合作技术培训中心、跨国合作科技学院及跨国科技伙伴，在1992年经过整合成立了南洋理工学院。这种特有的历史背景影响并造就了这所学校，使其在办学策略和人才培养方面具有鲜明的特色。下面以电子、通讯和计算机专业为例，分析其课程体系的特点以及给我们的启示。电子、通讯和计算机专业的定位

该专业定位于日新月异的电子技术领域宽泛的职业。学生在校期间学习工业上所需关键技术的重要知识和技能，有机会学到航空航天电子、嵌入式系统、IC设计、无线宽带、HDTV技术、纳米技术、生物医学和生命科学等重要技术。学校提供机会进行技能训练，包括产品创造、系统集成和创造性思维、组织管理能力以及外语表达能力等训练。

毕业生通过系统学习和训练，提高了自身的素质，能胜任如航空航天、电子、国防、远程信息服务和媒体等工业部门技术人员、工程师、管理者的工作。这个专业也获得了一些国内外高等学府的承认。这些国内外大学还提供机会，吸收这些毕业生进入本学校，并使其以最短的时间获得学士、硕士甚至博士学位。

宽而厚的基础，体现了“高起点”打造人才

从电子、通讯和计算机专业课程体系的设置来看，明显注重夯实基础。第一、二学年的基础课涵盖了工程数学及电子、通讯和计算机领域的基础课。这些课程是相对固定的经典模块，包括强电和弱电、模电和数电、数据与网络、基本的工具(工程制图、电子绘图、电子设计自动化、编程技术)以及若干课程项目。这些基础课的学习为学生在电子、通讯和计算机领域的发展打下了坚实的基础(参见右表)。

第一学年的课程及学时安排，共15门必修课，累计840个学时，其中有两门课为人文素质教育课程：交流技巧(45学时)、创造与创新(30学时)。此外，要从外语、商业和科技创业中选修两门课。第二学年课程分布及学时安排与第一学年大体相近。

多专业方向，体现了“用未来的科技培养今天的人才”

专业在第三年分为多个方向，这些方向是根据相应专业领域的发展来决定的，有些方向甚至是高精尖端的科学技术。学生通过两年的基础学习和训练，可以结合学习成绩并根据自己的兴趣和发展方向，选择相应的专业方向进行学习。在电子、通讯和计算机专业中，具有航空航天电子、无线通讯、嵌入式系统设计、远程信息服务、晶片制造技术、自动化设计等六个专业方向。这些专业方向是该领域的先进技术及其应用。各专业方向的行业背景、服务面向各有侧重，具体如下：

航空航天电子服务面向大气中心、MRO、设计、制造和飞行服务；无线通讯针对产品设计员、生产和测试员等岗位；嵌入式系统设计面向手机、便携式播放机、医疗设备以及自动化系统，由于对嵌入式系统持续增长的应用创造了对软件和硬件专家的大量需求，因此主要岗位是智能产品和系统的研究开发；远程信息服务专业的岗位是远程教育、航天、安全、保健、智能传输系统、精密制造自动化、安防、决策与供应链管理及许多其他方面；晶片制造技术为从事晶片制造部门的职业做准备，包括半导体晶片制造、集成电路及分离电子元件；自动化设计专业培养有关自动化系统、机器和设备的电子和计算机技术人员，覆盖了机器人、智能控制、计算机成像和视频自动化的关键技术。

特色课程设置，一切为了学生的成长和发展

除了体现时展和前沿技术的专业课程，南洋理工学院还设置了一些有特色的课程，重在培养学生的社会能力。

交流技巧：主要针对学生在学术上和社会上所必需的口头表达技巧和写作技巧，帮助学生建立正面的自我意识和专业形象，掌握沟通策略以及做决策和解决问题的能力，培养学生的冲突管理和协商技巧。

创造与创新：帮学生建立对创造和创新的理解，培养学生的创造性和创新性思考的能力。把思想融入商业理念中，以示范意义突出的创新实例去激励学生进行创造性思维，从而具备商业性创新及科技创业的意识。

团队协作及沟通技巧：帮助学生理解并获得在工作中所需的沟通技巧。学生得到相应的求职技巧，包括撰写简历、求职信和面试技巧等；培养学生的商业写作技巧，包括会议记录、备忘录和商业洽谈预约。学生将获得对不同组织、合作文化、商业聚会等的认识，从而更容易融入未来的工作环境中。

科技创业项目：这个项目以团队的形式，给学生提供在技术和商业领域应用所需的知识和技能，以及实现创新的机会。重点在于产品原型开发、创新思想的评测、方法和方案、技术评估和商业计划书。

企业实习：构成课程实践的一个整体，通过与企业接触，在真实的工作环境中使学生获得实际的工作感受。培养学生积极的工作态度、团队协作及沟通技巧。

全日制项目：使学生把课堂上学到的知识和技能应用到实践中，形成真实的创新性方案。定制特别的项目，既符合工业需求，又适合学生实践。学生被组织成项目组，当他们面临一系列的目标时要发挥团队精神。在项目开发的资深员工的组织和领导下，学生要一起工作。除了获得项目开发的途径、硬件和软件的技巧，还给学生树立终身学习的理念，为承受足够的工作压力做准备。

南洋理工学院课程设置的启示

市场导向的专业定位是课程体系设置的前提。职业技术学院人才培养的定位要依据国家的发展，又要高于经济发展的现状，因为人才的培养需要一个过程，既要动态地适应社会经济的发展，又要适度引领社会经济的发展。这就要合理地设置专业、动态地调整或新增专业。社会需要什么科技、未来需要什么科技，就设置什么专业。

基础理论以“够用为度”。南洋理工学院的课程体系设置体现了最大限度地挖掘学生的潜能，使学生既能个性化发展和又能可持续发展。对一个专业领域的全面了解是必需的，专业基础的理论和技能是进一步学习的基点，最大限度地加强专业基础课的学习，建立牢固的基础是专业人才提升自我、与时俱进的必要条件。从一定程度上讲，基础的厚度和广度决定着未来的高度。

航天电子技术分析范文第3篇

关键词：电子工程 EDA技术

1、EDA技术概念及现状介绍

EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。是计算机信息技术、微电子技术、电路理论、信息分析与信号处理的结晶。

现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、通信、电子、航空航天、矿产、化工、医学、生物、军事等各个领域，都有EDA的应用。EDA在教学、科研、产品设计与制造等各方面发挥着重要的作用。在教学方面，现在几乎所有理工科类的高校都有开设了EDA课程。主要是让学生了解EDA的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验验证并从事简单系统的设计。一般学习电路仿真工具（如multiSIM、PSPICE）和PLD开发工具（如Altera/Xilinx的器件结构及开发系统）。科研方面主要利用电路仿真工具（multiSIM或PSPICE）进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品测试；将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中；从事PCB设计和ASIC设计等。在产品设计与制造方面，包括计算机仿真，产品开发中的EDA工具应用、系统级模拟及测试环境的仿真，生产流水线的EDA技术应用、产品测试等各个环节。EDA软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新用途。如AutoCAD软件可用于机械及建筑设计，也扩展到建筑装璜及各类效果图、汽车和飞机的模型、电影特技等领域。

2、EDA技术的特点

EDA技术之所成为今天电子信息工程中的重要技术，具有“自顶向下(Top―Down)”的设计程序，这就确保设计方案整体的合理化；由于EDA采用高级语言描述，有语言公开可利用、描述范围广、可以系统编程和现场编程等特点；自动化程度高所以可以进行各级的仿真、纠错和调试工作。这些特点促使EDA技术得到广泛的应用。

3、EDA技术的作用

EDA技术中的温度分析和统计分析功能可以分析各种温度条件下的电路特性，便于确定最佳元件参数、最佳电路结构以及适当的系统稳定裕度，真正做到电路特性的优化设计。

由于受到测试手段和仪器精度限制，测试的时候会出现很多问题,DEA技术方便得全功能测试解决了数据测试和特性分析的问题。

4、EDA常用软件

EDA软件发展很快，目前被我国广泛应用的有：multiSIM7（原EWB的最新版本）、PSPICE、OrCAD、PCAD、Protel、Viewlogic、Mentor、Graphics、Synopsys、LSIIogic、Cadence、MicroSim等等。下面简单介绍一下PCB设计软件、IC设计软件、PLD设计工具及其它EDA软件。

4.1 PCB设计软件

PCB（Printed-Circuit Board）设计软件更是种类繁多，如Protel、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB、Cadence PSD、MentorGraphices的Expedition PCB、Zuken CadStart、Winboard/Windraft/Ivex-SPICE、PCB Studio、TANGO、PCBWizard（与LiveWire配套的PCB制作软件包）、ultiBOARD7（与multiSIM2001配套的PCB制作软件包）等等。

4.2 IC设计软件

IC设计工具也很多，ASIC设计领域有名的软件供应商主要有Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。中国华大公司也提供ASIC设计软件（熊猫2000）。

4.3 PLD设计工具

航天电子技术分析范文第4篇

关键词：双余度 无刷直流电机 控制系统 DSP

中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0029-03

1、引言

无刷直流电机是电力电子技术、传感器技术和永磁材料技术结合的产物，高性能永磁体的采用简化了电机结构，提高了电机的功率密度，电子换向线路取代机械换向线路提高了电机的可靠性和易维护程度，同时电机的转速升高不再受机械换向的影响[1]。是国内外公认的新一代航空、航天电机的重要发展方向，其驱动和控制技术的研究被广泛研究[2]。

余度技术是提高系统可靠性和安全性的一种手段，在故障出现时仍能完成系统任务[3]。这在航空航天、井下矿用等工作环境中，不能或者很难维修的情况下，双余度无刷直流电机对于提高工作的可靠性就起到很大的作用[4]。

本文依据双余度无刷直流电机的特点，设计了一种双余度无刷直流电机的控制系统。该系统有效的解决了两套余度同时工作的问题，测试结果表明，该系统具有良好的控制性能和动态性能。

2、控制系统结构

控制器的核心为DSP芯片，它完成霍尔信号边沿跳变的捕获，换向逻辑的计算，功率管脉宽调制信号的输出，电压电流传感器输出模拟信号的AD转换。上位机与主控芯片DSP之间通过RS232总线进行通信，实现系统的监测和控制指令的传输。系统结构框图如图1所示。

3、系统硬件设计

3.1　主控芯片

本控制系统的核心部件是DSP　TMS320F28335，具有高性能外设的32位浮点型微处理器。它集成了浮点单元简化了开发过程并将控制应用的速度平均提高50%。28335是目前广泛使用的2812的换代产品[5]。

3.2　系统电源设计

系统要求一路270V直流供电，需要对控制系统各部分进行电源转换。除3.3V转1.9V的电源芯片外，其它芯片都为DC/DC模块。270V转24V电路原理图如图2所示。

3.3　DSP电源和时钟

图3为DSP电源电路原理图。

电源包括内核电源、IO引脚电源和FLASH电源。采用TPS76801Q将3.3V转换成1.9V。外部晶振产生30M的时钟，接入外部时钟输入引脚XCLKIN。引脚X1接地。

3.4　I/O电路

输入信号包括按钮开关、霍尔信号，输出信号为PWM和故障指示信号。IO电路如图4所示。

S1、S2、S3为开关信号，分别控制A余度启停、B余度启停和正反转信号。为复位信号。输出PWM1～PWM6控制电机A余度，PWM7～PWM12控制电机B余度。ECAP1～ECAP3为A余度霍尔位置信号，ECAP4～ECAP6为B余度霍尔位置信号。D1～D7为系统指示灯，可用于指示系统的运行情况。

3.5　驱动电路

驱动电路采用三相桥专用的集成驱动芯片IR2130。门极驱动供电压为10～20V。A余度的驱动电路的原理图如图5所示。

3.6　电流检测电路

为了能够使用电流分析法进行电机故障识别，需要设计高精度的电流检测电路电流检测电路如图6所示，分别为相电流检测和线电流检测电路。

3.7A/D转换电路

DSP的AD模块为12位，可以对模拟信号快速进行多路AD转换。进行AD转换的信号有模拟的转速给定信号，母线电压信号和线电流、相电流信号。AD转换的原理图如图7所示。

4、系统软件设计

主程序声明和初始化系统变量，声明中断服务程序和需要调用的子函数。主程序程序流程图如图8所示。

声明变量和函数，并将中断服务程序与中断向量表联系，使能中断，初始化外设模块。系统初始化完成后，主程序查询标志位的改变，执行相应的操作。标志位的改变通过按键输入、SCI接收数据以及程序自身的运行实现。

5、实验结果

对由TMS320F28335　DSP芯片构成的双余度无刷直流电动机控制系统进行了试验，试验对象为一台双余度无刷直流电动机，额定转速2000　r/min，额定电压270V，4对极。

其空载双余度开环电流如图9所示。

在带0.4N/m的负载时，其电流波形如图10所示。

两个余度的空载和负载电流波形显示，两余度的电流形状和幅值一致性好。

6、结论

采用TMS320F28335　DSP芯片设计了双余度永磁无刷直流电动机控制系统，该系统控制电路结构简单，易于调试和工程实现。实验证明该系统实时性好，响应快，具有良好的控制性能及动态特性。同时该系统还具有体积小、重量轻，可靠性高等优点，非常适合于防爆、防腐、航空、航天等可靠性要求高的特殊场合。

参考文献

[1]Lawler　J　S，　Bailey　J　M，　McKeever　J　W，　et　al.　Extending　the　constant　power　speed　range　of　the　brushless　DC　motor　through　dual-mode　inverter　control[J].　Power　Electronics，　IEEE　Transactions　on，　2004，19（3）：783-793.

[2] 夏长亮.无刷直流电机控制系统[M].北京市：科学出版社，2009.

[3] 董慧芬，周元钧，沈颂华.双通道无刷直流电动机容错动态性能分析[J].中国电机工程学报，2007（21）：89-94.

航天电子技术分析范文第5篇

关键词:总剂量效应;电子空穴对;氧化物陷阱电荷;界面态

中图分类号:TN43文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)02-171-04

Total Dose Effects in Modern Integrated Circuit and Hardening Technologies

CHU Zhongqiang,XU Xi

(Institute of Electronic Engineering,Chinese Academy of Engineering Physics,Mianyang,621900,China)

Abstract:Along with the development of nuclear technology and space technology,more and more electronic equipments are used in all kinds of radiation environments.Two important radiation environments,the mechanism of total dose effects for integrated circuit,including the generation of electron_hole pairs,oxide trapped charge and interface traps are introduced.The advantages and application foreground of advanced technology are discussed,as dielectric material,HfO2 has a wide foreground,and in future the smart_cut material would become the SOI mainstream material.

Keywords:total dose effects;electron_hole pairs;oxide trapped charge;interface traps

0 引 言

随着核技术和空间技术的发展,越来越多的电子设备不可避免地要用于各种辐射环境中。目前,对MOS器件影响最大的辐射环境包括空间辐射环境和核辐射环境两类。这两类辐射将会对各种元器件及电子系统构成威胁。辐射对MOS器件的影响主要体现在电离辐射对栅介质的破坏上,因此在分析电离总剂量效应产生机理的基础上,指出选择栅介质材料和改进工艺是MOS器件辐射加固的重点。采用被称为“21世纪微电子技术”的SOI材料来制作CMOS和双极电路,可实现全介质隔离。这与PN结隔离的体硅相比,在抗单粒子特性、抗瞬态辐照和抗中子辐照等方面有着体硅电路不可比拟的优势。

1 辐射环境

1.1 空间辐射环境

随着空间和航天技术的发展,人们在外层空间的活动日益增多,处在外层空间的电子系统则必须要考虑宇宙空间辐射环境的影响。外层空间辐射主要来自宇宙射线(主要成分是高能粒子),围绕地球的内、外范•艾伦辐射带(主要成分是高能质子和高能电子),以及太阳耀斑辐射(主要成分是高能质子)等。此外,还有太阳风,极光辐射等。

从辐射观点看,电离总剂量是一个非常严重的问题,一个地球卫星的电子系统每年所接受的累计辐射剂量可达100 Gy以上,对于暴露在外表面的元器件则更高,这将大大降低卫星的寿命。

1.2 核辐射环境

除天然辐射环境外,核武器爆炸会造成最恶劣的核辐射环境,对各种元器件及电子系统构成严重威胁。它可以使处于破坏半径以内的地球卫星、战略轰炸机、舰艇、雷达和通信系统以及一切军事设施的电子系统受到核辐射和电磁脉冲的影响而遭破坏。核辐射环境中的高能粒子主要有快中子流、高能电子流、γ射线、X射线、α射线和β射线等。其中,α射线和β射线易被大气吸收,射程很短;对电子设备及其元器件威胁最大的是快中子(指能量大于0.5 MeV的中子)流和γ射线(能量在1 MeV左右)。

一个带有能量的光子或粒子(离子)与靶物质相互作用,以不同的方式损失能量,沉积的能量不仅取决于光子或粒子的质量和能量,也取决于靶材料的原子序数及质量。每1 g物质沉积的能量称为剂量(D),单位为:拉德(rad)或戈瑞(Gy)表示,且有:

1 rad=100 erg/g=6.24×1013eV/g(1)

1 Gy=1 J/kg=100 rad(2)

一般对于硅及其氧化物分别用rad(Si)和rad(SiO2)表示,且1 rad(Si)=0.58 rad(SiO2)。

2 电离总剂量效应产生机理

MOSFET及以其为主体的CMOS集成电路,由于其功耗低,集成度比双极电路的高,抗中子辐射能力最强等特点,已经成为数字集成电路的主流技术。电离辐射会在半导体材料内产生电子空穴对,对于MOS器件,最关心的是氧化层中产生的电子空穴对。在电场作用下,电子很快迁移出SiO2,而空穴则一部分被SiO2中的深空穴陷阱俘获成为固定正电荷,一部分在Si/SiO2界面形成界面态。电离辐照产生正空间电荷和界面态,是CMOS器件电离辐射效应的主要机理[1]。形成的正电荷和界面态会使器件性能下降,从而导致集成电路功能退化。

2.1 电子空穴对的产生

高能电子(包括次级电子)和光子能使原子电离,产生电子空穴对。只要产生的电子和空穴的能量比生成一个电子空穴对所需的能量高,它们就可以产生额外的非热平衡电子空穴对。如此,一个高能入射光子,电子或质子可以产生大量的电子空穴对。表1给出Si,SiO2和GaAs三种材料中产生一个电子空穴对所需的最小能量Ep,以及各材料中每沉积1 rad的能量时所产生的初始电荷对密度g0。

表1 Si,SiO2和GaAs中产生一个电子空穴对所需的

最小能量Ep及初始电荷对密度g0

材料Ep /eV密度/(g•cm-3)g0/(pairs•cm-3)

GaAs～4.85.32~7×1013

Si3.62.3284×1013

SiO2172.28.1×1012

2.2 氧化层正电荷

射线在MOS器件氧化物中的电离辐射损伤的物理过程可以归纳为以下四个过程:电子空穴对的产生;部分电子空穴的瞬时复合;电子空穴在氧化物中的传输;空穴被SiO2中的深陷阱俘获形成固定电荷,空穴在Si/SiO2界面形成界面态。

氧化层俘获正电荷是由氧空位和E′中心俘获空穴而形成的[2,3]。最近的研究已经确定了三种最主要的E′缺陷类型:Eδ′,Eγ4′,Eγ5′。在电子俘获或发射过程中,由于中心原子硅原子的弛豫特性,这些缺陷的微结构看起来似乎在自由度方面有差异[3]。缺陷结构是通过二维傅里叶变换(DFT)计算得到的,如图1所示。而对这些结构的辨识是通过对大量的氧空位加入一个α石英超晶胞和四个不同类型的无定形SiO2超晶胞进行DFT计算获得。

Eδ′中心是一个“调解”空位,在氧化物中对空穴会形成浅陷阱,大部分Eδ′中心的能量位于SiO2能带隙,其能量位于价带以上0.5～1.0 eV。由于Eδ′的浅陷阱能级,使它成为最佳的缺陷类型,这也是造成电离辐射后空穴在SiO2传输的时间相关性的原因。Eδ′中心因此成为电离损伤动态传输过程中的一个突出因素。第二类缺陷Eγ4′可以很容易地进行电荷交换,这类缺陷的能级大于4 eV,它的这种亚稳结构可以使其很容易俘获和发射电荷。第三类空穴俘获缺陷Eγ5′比其他两种俘获中心要稳定得多,如同所有的Eγ′中心,这类缺陷的能级大于3.5 eV,但是这种稳定结构使它与Si之间的电荷交换变得不是那么容易。与Eδ′和Eγ4′不同的是,Eγ5′更容易俘获氧化物中的固定电荷。这些固定电荷对MOS器件最重要的影响是引起阈电压的负漂移,对N沟道MOSFET,这种漂移可以是过零电压,使CMOS器件一直处于通导,引起CMOS器件的漏电流增加;而对P沟道MOSFET,阈值电压向负电压方向漂移,到一定程度就会引起CMOS器件截止。

图1 缺陷结构示意图

2.3 界面俘获

辐射引起的界面俘获Nit受Si/SiO2界面的硅悬挂键缺陷中心Pb支配,最重要的这类俘获中心被称为Pb0中心,次要的被称为Pb1[4]中心。图2是Pb0和Pb1界面陷阱缺陷在硅(111),(110)和(100)方向的示意图。

导致产生氧化物俘获电荷的三类初始过程与Nit形成的初始过程很相似,但是最终形成悬挂键却依赖于其他的几个反应。最主要的反应是传输的空穴被含氢的缺陷俘获释放出H+,虽然说空穴与缺陷的直接反应可以产生界面俘获,但是实验上已经验证了在接近和超过室温温度时大部分的界面俘获是由质子产生的。此外通过密度函数的计算也可以证实由空穴直接作用形成的界面俘获在很多情况下不是主要的。因此Pb中心的产生主要是依赖界面附近存在的H+。

质子的扩散或在电场作用下向电介质的漂移会使靠近界面Si一侧的氢钝化悬挂键(D)中的氢原子移出形成H2,其反应方程式如下[5]:

SiH+H+D++H2(3)

辐射引入的界面态会改变沟道载流子的散射,从而会使沟道载流子迁移率下降,MOSFET的跨导降低,还会增大截至电流和亚阈值电流,增大噪声。

图2 硅(111),(110)和(100)方向Pb0

和Pb1界面陷阱缺陷示意图

3 先进半导体材料与器件

辐射对MOS器件的影响主要体现在电离辐射对栅介质的破坏作用。因此栅介质材料和工艺改进是MOS器件辐射加固的重点。随着CMOS工艺不断地按比例缩小,SiO2栅介质层受到了越来越多的挑战,新兴的先进半导体材料与器件也随之大量涌现。

3.1 深亚微米MOS器件

现有研究结果表明,较薄的栅氧化层使器件抗总剂量性能变得更加良好。这是因为到深亚微米阶段,已经很薄的栅氧化层中产生的界面陷阱和氧化层陷阱很少,这就使大尺寸器件中影响辐射总剂量效应的主要因素变得不再重要[6]。同时深亚微米CMOS工艺中由辐射引起的阈电压漂移和跨导下降也减小了,主要是氧化层厚度减薄了,使得俘获空穴与来自栅/Si界面的电子的复合加快。

然而随着器件的按比例缩小,会产生一些辐射引入的新现象和新约束。比如:为了保持沟道电流有可接受的控制能力,必须考虑一些短沟效应,如漏感应势垒降低(DIBL),栅感应漏电流(GIDL)[7]。这时与隔离有关的场氧化层变成了主要因素,场氧化层中的陷阱电荷,特别是浅能级陷阱电荷Eδ′中心就成为了深亚微米器件辐射效应的主要来源。此外,深亚微米工艺采用了一些使栅介质遭受辐照并产生电学损伤的加工步骤,如等离子刻蚀、电子束、离子束及X射线曝光等。它们在氧化物中可能产生直接或潜在的损伤,这些损伤是引入陷阱的原因。

3.2 高k栅介质

如今高k栅电介质已经成为了一种很重要的先进的材料技术,由于增加介电常数可以增加等效氧化物的厚度Teq。因此选用高k栅电介质,可以降低由SiO2超薄栅材料直接隧穿引入的栅源漏电流,提高可靠性。目前研究中的高k栅电介质材料很多,其中有些材料很有希望,如Al2O3,ZrO2,HfO2,Ta2O5,它们的介电常数分别为8～11.5,22.2～28,26～30,25～45。

Al2O3具有非常好的稳定性和机械强度。而且作为栅介质层,它又有很多优点,如它有很大的禁带宽度,在高温下的热稳定性相当好等。但是Al2O3的介电常数只有8～11.5。而对VIB族的化合物研究最多的,也最有应用前景的是HfO2,由于在热处理过程中,氧很容易通过HfO2扩散到HfO2和硅的界面与硅反应,所以HfO2栅极介质层和硅衬底之间往往有一层二氧化硅[6]。研究表明,界面层的厚度达到0.5 nm,而二氧化硅的存在会大大降低栅介质层的等效氧化层厚度Teq。同时,由于氧化层很薄,很容易产生大的漏电流,从而破坏高介电常数层。氮被普遍认为可以有效地减少界面态,抑制杂质扩散。研究结果表明,用等离子方法引入氮能够得到更小的Teq、漏电流、更高的载流子迁移率,同时又能保证好的热稳定性和对硼扩散的抑制能力[7]。界面态密度和固定电荷密度随着介质层介电常数的升高而减小,亦随着Teq的增大而减小。

虽然已经广泛地研究了大量的高k栅材料,然而目前尚无能够最终取代SiO2的电介质材料。因为从制造的角度看,每隔两代或三代更换一种新的栅介质是不实际的,关键的问题是要找到一种能像这样有近50年历史的栅介质。

3.3 SOI工艺的辐射加固

SOI(Silicon On Insulator)技术是为了满足航天电子学、导弹武器系统控制和卫星系统研制需要而发展起来的一种新型硅材料,由于其独特优势,能突破体硅材料和器件按比例缩小时出现的限制,SOI被公认为“21世纪的微电子技术”。采用这种材料制作的CMOS和双极电路,实现了全介质隔离,它与PN结隔离的体硅相比,具有无闭锁、高速、低功耗、高封装密度等优点,在抗单粒子特性、抗瞬态辐照和抗中子辐照等方面也有着体硅电路不可比拟的优势。

SOI材料的制备方法主要有注氧隔离技术(SIMOX)、智能剥离技术(Smart_Cut)、硅片键合与背面腐蚀技术(BESOI)、外延层转移技术(ELTRAN)、区溶再结晶技术、多孔氧化硅全隔离技术等,而其中SIMOX与Smart_cut是主流技术。目前比较广泛使用且比较有发展前途的SOI的材料主要有SIMOX材料、BESOI材料和Smart_Cut SOI材料[8]。在这三种材料中,SIMOX适合于制作薄膜全耗尽超大规模集成电路,BESOI材料适合于制作部分耗尽集成电路,而Smart_Cut材料则是非常有发展前景的SOI材料,它很有可能成为今后SOI材料的主流。

与体硅材料的主要区别在于SOI材料的顶层硅下面存在一层绝缘埋层。因此,当SOI器件受到电离辐射时,除了在前栅氧化层中产生空穴陷阱电荷以及在氧化层与硅界面上产生界面态电荷以外,在埋层(即背栅氧化层)中也会产生空穴陷阱电荷,并在埋层与硅界面上产生界面态电荷[9]。这些辐射感生电荷不仅会使SOI MOSFET的背栅阈值电压产生漂移,而且可能导致器件泄漏电流增加,使器件难以关断。

关于SIMOX FDSOI(全耗尽SOI)工艺最新研究表明,在最差的配置条件下,当总剂量达到100 krad时前栅阈值电压漂移大约为360 mV[10]。这种工艺的埋层氧化物厚度为330 nm,栅氧化层的厚度为15 nm。图3所示为不同栅长SOI器件,当辐照总剂量达到100 krad和300 krad时测量得到的I_V曲线。NMOS/SOI总剂量的效应会导致单个晶体管产生永久的闭锁效应。

图3 不同栅长SIMOX FDSOI工艺,辐照总剂量为100 krad和300 krad时的I_V曲线

4 结 语

从已有的数据分析可以得出,未来电子设备的总剂量效应仍然是存在的。对采用新工艺、新材料制备的电子器件,系统的测试和分析还是必要的,尤其是按比例缩小,对栅氧化层的加固,SOI,深亚微米CMOS器件能否通过辐射测试对未来电子学发展至关重要。

参考文献

[1]Andrea Cester,Simone Gerardin,Alessandro Paccagnella,et al.Drain Current Decrease in MOSFETs After Heavy Ion Irradiation[J].IEEE Trans.on Nucl.Sci.,2004,50(6):3 150-3 157.

[2]罗尹虹,龚建成,张凤祁,等.不同辐射环境下CMOS器件总剂量效应测试技术与损伤差异研究[J].高能物理与核物理,2006,30(1):79-83.

[3]陆妩,任迪远,郭旗,等.栅氧层厚度与CMOS 运算放大器电离辐射效应的关系[J].核技术,2005,28(3):227-230.

[4]Steven C,Ronald C,Jon V,et al.Dose_Rate Sensitivity of Modern nMOSFETs [J].IEEE Trans.on Nucl.Sci.,2005,52(6):2 602-2 608.

[5]Rashkeev S N,Fleetword D M.Effects of Hydrogen Motion on Interface Trap Formation and Annealing[J].IEEE Trans.on Nucl.Sci.,2004,51(6):3 158-3 165.

[6]宋朝瑞,程新红,张恩霞,等.氮元素对高k铪基介电薄膜总剂量抗辐射性能的影响研究[J].核技术,2007,30(8):675-678.

[7]郑中山,刘忠立,张国强,等.SIMOX埋氧层的总剂量辐射硬度对埋氧层中注氮剂量的敏感性[J].半导体学报,2005,26(5):862-866.

[8]Qian Cong,Zhang Enxia,Zhang Zhengxuan,et al.Research on Total Dose Irradiation Effect of Hardened Partially Depleted NMOSFET/SIMOX[J].Nuclear Technology,2005(5):862-866.