隨著空間技術、核科學和微電子技術的快速發展，越來越多的電子元器件被應用到各類航空、航天以及戰略武器的電子系統中，它們將經受空間輻射環境或核輻射環境的考驗。

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空間、核輻射環境對元器件的影響

空間輻射環境下電子器件主要產生電離輻射總劑量效應和單粒子效應。核輻射環境，尤其是核爆炸環境，主要是瞬時電離輻射總劑量效應、中子輻射效應和電磁脈沖損傷效應。不同的輻射環境對電子元器件的影響各不相同，不同類型的電子元器件對同一輻射環境也會有不同的反應。

空間輻射環境主要來自宇宙射線、太陽耀斑輻射及圍繞地球的內、外范·艾倫輻射帶、太陽風、極光輻射、太陽X射線及頻譜范圍較寬的電磁輻射，它主要由高能質子、高能電子、X射線、中子、γ射線等組成。根據目前國外研究成果，影響航天器的高能帶電粒子主要有三種來源：

(a)銀河宇宙線。它包含元素周期表中幾乎所有元素的原子核輻射，即低通量、高能量（達TeV）的各種重離子。其中豐度最大的是氫核（即質子），占85%-87%，其能譜的分布在幾十MeV到1000多MeV。

(b)太陽宇宙線。太陽耀斑爆發期間，太陽日面上發出的高能粒子其成分主要是質子和α粒子，故稱太陽質子事件，其能量分布在零點幾MeV到幾百MeV之間。它也包含元素周期表幾乎所有元素的各種重離子。

(c)地球捕獲輻射帶。由于地球磁場捕獲的高能帶電粒子。輻射帶中主要是質子、α粒子、電子及少量其它元素，如C、N、O核素。

雖然空間環境的電離輻射劑量率很低，不同軌道的劑量率范圍一般在0.0001rad(Si)/s～0.01rad(Si)/s之間，但由于它是一個累積效應，當總劑量累積到一定值時，將導致電子元器件的性能發生變化，嚴重時元器件將完全失效，使電子設備不能正常工作。1971年至1986年，國外發射的39顆同步衛星，因各種原因造成的故障共1589次，其中與空間輻射有關的故障有1129次，占故障總數的71%。我國目前運行的衛星，在其有效壽命里，取決于軌道參數，衛星內部將會受到總劑量為102Gy(Si)～104Gy(Si)的輻射。航天器及核反應堆中的某些電子部件可能會受到總劑量超過105Gy(Si)的輻射。

單粒子效應是空間電子系統必須面對和需要解決的另一個問題。自1975年發現單個高能粒子能引起CMOS器件發生閉鎖。1986年又發現單個高能粒子還能引起功率MOS器件發生單粒子燒毀，之后又發現單粒子柵穿現象等。進一步的模擬實驗和在軌衛星的測試證實，幾乎所有的集成電路都會發生單粒子效應。我國發射的衛星也發生過類似的故障，隨后的故障分析結果表明也是由單粒子效應造成的。隨著器件集成度的不斷提高，以及工作電壓的下降，器件對單粒子效應的敏感度也大幅提高，成為影響衛星在軌生存能力的重要因素。

核輻射環境包括核反應堆、加速器和核武器爆炸等人為輻射環境，它主要有α、β、中子、γ射線及核電磁脈沖組成。高空核爆炸產生的瞬時輻射環境一般不會超過10s～15s。瞬態劑量率輻射效應，中子輻射位移損傷效應以及瞬態輻射的次級效應，即在大氣層中產生的高空核電磁脈沖(HEMP)對于戰略武器和衛星的電子系統都是必須重視的瞬時毀傷因素。

元器件典型空間環境舉例

研究空間、核輻射環境中各種粒子的種類、分布情況、能量及強度等因數,對給定任務下選用元器件進行加固，使其具有抗輻射性能，對設備硬件和軟件的抗輻射加固設計、系統的地面仿真試驗及在軌應用驗證等一系列的輻射加固技術，是航天及戰略武器電子系統研制的關鍵。

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輻射對元器件的作用機理

（1）電離輻射總劑量效應

當帶電離子、電子或射線通過MOS結構的硅和二氧化硅絕緣層時，引起原子電離而產生電子—空穴對，在外加電場條件下，電子在1ps(1×10-12s)時間內被電場掃出氧化物，留下正陷阱電荷；同時在硅與二氧化硅界面產生新的界面陷阱電荷，也稱界面態，它可以是正的、負的或中性的。隨著陷阱電荷的積累，使表面電位和界面態發生變化，引起半導體器件功能異常。

電離輻射總劑量效應的特點是瞬時劑量率很低，作用時間長(幾年至十幾年)，效應具有累積性，引起的效應是半永久性或永久性的。適當退火(加電場或熱)，可部分恢復，完全恢復比較困難。

電離輻射總劑量效應對MOS器件的影響比較大，可使MOSFET的閾值電壓向負向漂移、表面遷移率和跨導降低、表面復合速度和源漏間的漏電流增大、源漏擊穿電壓下降以及噪聲增加；可使CMOS電路輸出電平邏輯擺幅和最大輸出電流減小、傳輸延遲時間增加和靜態功耗電流增大，嚴重時將導致器件失效。

電離輻射效應對雙極型電路的影響相對較小。但隨著航天和軍事系統對高性能線性電路與混合信號電路需求的不斷增加，其在低劑量率輻射下的電流增益減小，比高劑量率輻射時還嚴重，這一低劑量率損傷增強現象引起了越來越多的關注。

電離輻射總劑量單位：Gy(Si)或rad(Si)，1Gy(Si)=100rad(Si)。

（2）瞬時電離輻射(劑量率)效應

瞬時電離輻射效應也稱劑量率效應，主要來自核爆環境產生的脈沖電離輻射，是持續時間較短的強射線脈沖(γ射線和X射線)。脈寬很窄，約為10ns～1μs，強度很高，劑量率達1010Gy(Si)/s或更高。這種強脈沖瞬時劑量率輻射同半導體器件相互作用，能在反偏PN結產生瞬時光電流，光電流大小同輻射劑量率成正比，初始光電流也可能引起被放大的二次光電流。

瞬時電離輻射效應的特點是瞬時劑量率大，作用時間短，在半導體中引起大的瞬時輻射電流。它能引起電子系統的瞬時擾動或永久性的損傷。瞬時電離輻射效應引起的光電流較小時，影響CMOS電路的輸出電平(高電平降低，低電平升高)，能造成CMOS器件的邏輯功能失效；由于體硅CMOS器件固有的PNPN四層結構，當光電流較大，達到產生閉鎖的基本條件(即兩種寄生雙極晶體管的βPNP×βNPN≥1)時器件可能產生閉鎖，嚴重時能導致電路燒毀。

瞬時電離輻射對雙極型電路最危險的光電流是基極—發射極PN結產生的光電流，它可被放大hFE倍(hFE為雙極型晶體管的電流放大倍數)。從輻照時的光電響應曲線上可以清楚地看到，器件在輻照瞬間有2μs～15μs不等的瞬態閉鎖。輻照劑量率越高，閉鎖響應時間越長，恢復正常供電的時間也越長，在這個瞬間器件沒有電壓輸出。在PN結隔離的實際模擬集成電路中，由于大面積的瞬態光電流，影響更為嚴重。模擬集成電路通常工作在不飽和狀態，以保證高的開環增益，瞬態輻射導致雙極器件飽和，增益明顯減小，同時因為晶體管飽和時會使其正、負電源間的阻值減小，所產生的浪涌電流將使PN結失效或金屬化層燒毀。另外，一些對電流比較敏感的器件如光隔離器、CCD等器件，瞬時電離輻射對其影響較大，即使在較低的劑量率下，器件的性能也會發生很大變化。

瞬時電離輻射劑量率單位：Gy(Si)/s。

（3）位移損傷(中子輻射)效應

高能粒子輻照硅晶體時，與晶體中的原子碰撞，晶體原子得到能量，其中一部分原子會離開原來的平衡位置進入間隙，在晶體中產生空格與填隙原子。如果這些原子能量足夠大，還可以產生連鎖反應，通過與晶格中的其他原子的碰撞，再產生新的空位和填隙原子，使硅晶體產生各種類型的物理缺陷，引起材料電學性能變化，影響少子壽命及數量、摻雜濃度和載流子遷移率，從而導致器件電路參數特性退化，這種退化稱為位移損傷效應。目前的模擬試驗都用中子源，一般也稱為中子輻射效應。位移效應的特點是射線粒子引起的位移損傷是永久性的。

由于MOS器件，如CMOS電路主要由多子性質決定，因而中子輻射對CMOS電路影響相對較小。一般良好的CMOS電路抗中子輻射能力可達1×1014/cm2以上中子注量。對于雙極型器件，中子輻射造成較大影響，主要影響是增益降低。雙極型模擬電路受中子輻射影響大于雙極型數字電路，因為雙極型模擬電路對晶體管電流增益和飽和壓降變化比較敏感。電路隨晶體管增益下降，放大級有源負載增加，運放工作失配，導致失調電壓增大，易使電路失效。

中子輻射效應單位：n/cm2。

（4）單粒子效應

單粒子效應(SEE)是半導體器件受到空間輻射環境的高能射線粒子(如質子、中子、α粒子)或其他重離子照射，由單個粒子與器件的敏感區相互作用而引起的輻射損傷效應。單粒子效應的特點：它是一種隨機效應，與入射粒子的路徑是否經過器件的靈敏區有很大關系。與劑量率輻射效應類似，它也是瞬發的。

對于低軌道、太陽同步軌道和大橢圓軌道，主要是質子導致的單粒子效應；對于高軌道和地球同步軌道，主要是重離子導致的單粒子效應。

單粒子效應的表現形式有多種，按其特性可分為非破壞性，即軟錯誤，如單粒子翻轉(SEU)、單粒子擾動(SED)等；另一類為破壞性的硬錯誤，如單粒子柵穿(SEGR)、單粒子燒毀(SEB)等；而單粒子閉鎖(SEL)可以是破壞性的，也可以是非破壞性的，與電路的設計有關。任何一種不管是非破壞性或破壞性的單粒子效應都能使空間電子系統不能正常工作。

評估器件抗單粒子效應能力有以下幾種指標：

(a)單粒子翻轉率：a×10-b/(天·位)(結合軌道參數計算出，a、b分別代表某一數字)。單粒子翻轉率越小，表示器件的抗單粒子能力越好。如果不考慮集成度，也有用a×10-b/(天·器件)來表示的。

(b)單粒子擾動截面σ：翻轉次數/入射粒子總數，a×10-bcm2/位或a×10-bcm2。越小表示抗單粒子能力越好。

(c)有效LET閾值：通過單粒子試驗作出器件的擾動截面與LET關系曲線。在擾動截面與LET關系曲線中，10%飽和擾動截面所對應的LET值稱為有效LET閾值。較高的有效LET值，表明器件有較好的抗單粒子擾動能力。其單位為MeV/(mg·cm-2)。

審核編輯：黃飛