基于geant4的单粒子效应计算机模拟研究,基于GEANT4的单粒子效应预测研究

摘要：

电子器件的发展一直在多个领域促进国家军事和社会生活的进步,航天器件更是一个重要的基础组成.然而,空间辐射环境中分布有大量的粒子(中子,质子等)和宇宙射线,元器件的运行会受到它们的影响.这些粒子入射器件材料时,会以一定概率与其进行核反应,发生单粒子效应.在地球临近空间,辐射粒子主要分为三类:中子,质子,电子.其中中子的占比接近50%,辐射影响比例较大;近几年研究工作又证实在2MeV以下能量段的质子单粒子翻转截面远高于其他能量段,然而对这一能量段的多比特翻转(Multiple Bits Upset,MBU)研究不多.同时,随着工艺技术进入了纳米级时代,器件对单粒子效应(Single Event Effect,SEE)更为敏感,其中多比特翻转更是变得易于发生,而在计算机仿真中可用于先进工艺的多比特翻转预测模型尚少.本文主要对单粒子效应中的多比特翻转进行研究.基于GEANT4软件,建立了新的多敏感体预测模型,该模型能检测多比特翻转.在40nm工艺下进行仿真验证,模拟预测了辐射粒子(中子和2MeV以下能量段的质子)的单粒子翻转(Single Event Upset,SEU),重点计算了各种入射情况下的MBU翻转截面,主要工作如下:1)在GEANT4平台上搭建复合敏感体模型,并进行中子和重离子的辐射模拟.其中对重离子辐射结果进行拟合得到的饱和翻转截面与实测结果相差3.5%,LET阈值与TCAD仿真结果相差3%;中子在各能量段的翻转截面也大致和文献数据吻合.模拟结果表明该模型是可行的,可作为多敏感体预测模型的基础.2)基于复合敏感体模型,搭建了检测多比特翻转的多敏感体预测模型,对中子的单粒子效应进行预测.预测了 20MeV能量以下中子辐射的单比特翻转(Single Bits Upset,SBU),MBU占比情况,其结果与文献数据大致是相符的.模拟重离子辐射,从Weibull拟合结果中给出了 2-bit翻转,3-bit翻转,4-bit翻转的饱和截面及线性传输能量(Linear Energy Tranfer,LET)阈值的预测.改变入射条件,分析在此模型中不同入射角度,不同截断值,不同阈值电荷,不同金属互联层材料情况下的中子单粒子效应.3)利用多敏感体预测模型模拟质子能量在2MeV以下的单粒子效应.预测在不同入射情况对质子MBU截面的影响,峰值所处能量点以及饱和翻转截面与文献实测结果在数量级上是一致的,进一步证明该模型的准确性.

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