前言

宇宙充滿了形式多樣的輻射射線和粒子，它們可能來自于恒星體釋放出的高能射線，也可能來自星體之間的碰撞過程釋放出的射線。早在1903年盧瑟福和虎克就探測到非人造電離環境的存在，萊特和沃爾夫最早提出了這種電離放射源來自于宇宙。在虛無的宇宙中，暴露于這種輻射環境下的任何生物都無法生存。

地球為什么成為幸運兒

地球作為幸運兒成為了適宜生物存在和生長的環境是由于地磁場和大氣環境對這些高能射線的屏蔽。在太陽系中，宇宙射線主要來自于太陽釋放的高能射線，包括質子、電子、以及太陽系外的高能離子。這些離子都有共同特點，自帶電荷，而地球鐵心旋轉下產生的地磁場，能夠俘獲這些“噴射”而來的帶電離子，將其束縛并甩出，從而保護了地面萬物。但也在地球周邊形成了一道道屏障，這個屏障就是由地磁場俘獲的帶電粒子，并以最早發現它的科學家范艾倫命名，稱為為范艾倫輻射帶(Van Allen radiation belt）。

對人類探索活動的影響

范艾倫帶保護了地球，但也形成了從幾百千米到60000千米的高能粒子墻。而這個區域恰恰是人類探索空間，應用空間的主要活動區域，對于人類空間探索活動，我們的天然保護傘變得“不那么友好”。在人類沒有發明半導體元器件之前，這些輻射離子僅僅可能造成航天人員身體上的“不適”。但是隨著半導體技術不斷發展，尤其是超大規模集成電路在空間飛行器廣泛應用后，問題隨之而來。電子元器件工作基于半導體內部載流子的定向移動，而無論是帶電的質子，電子，重離子還是不帶電的中子和光子，都會誘發半導體產生額外的電離，這使得電子元器件的載流子活動發生“失控”。一般稱這種射線輻射造成器件“失控”的現象為輻射效應（Radiation Effects）。

根據產生影響機理和效果不同，輻射效應分成如下幾類：

1總劑量效應（Dose Effects）

總劑量效應體現在“總”字面上，意味著這種現象是一種與輻射量相關的累積過程。高能射線入射到半導體器件內部就會與半導體材料發生“交互作用”，這種作用主要是入射射線將自身的能力釋放出來，通過產生熱量或者誘發半導體材料發生電離，即使中性區電離，產生電子-空穴對。在這個過程中熱效應可以忽略，而明顯影響半導體器件工作的是電離效應。能量的釋放多少決定了效應大或小，工程上人們通常以離子入射軌跡上沉積電離能量來描述這種能量釋放過程，即線性能量沉積值（LET-Linear Energy Transfer，MeV cm2/mg），工程標定普遍采用以Si為沉積介質來比較不同離子電離效應的大小，而科學上可以基于Monte-Carlo方法獲得不同介質內LET值的大小。我們可以想象，粒子射線的LET越大，射線產生的電子-空穴對越多。而在半導體器件中尤其是結區，或者中性層中均存在較高的反偏電場，電場能夠造成新產生的電子-空穴對的分離，宏觀上表現出電流波動。可想而知，如果粒子LET過大，將產生較大的瞬態電流，這種瞬態電流會產生其他的電路功能異常。而在低LET值下，瞬態電流很小，不會直接誘發器件功能異常，但是載流子再輸運過程中會與器件中Si和鈍化層界面上發生交互作用，被Si/SiO2界面缺陷俘獲，或由于氧化層絕緣性質，電子和空穴遷移速度不同，導致正電荷俘獲累積。這些都會引起器件功能異常，而且這些被俘獲的電荷會隨著射線累積量的增加而增加，從而引發電路參數的不斷漂移，這就是總劑量效應的累積效應的根本原因。器件參數隨著總劑量累積的變化與器件功能實現結構有關，篇幅原因不詳細論述。

2單粒子效應（Single Event Effects）

接著前面說到的，當入射粒子LET值較大時，產生瞬態電流過高時，引發另一種瞬態效應，幸運的是，大LET粒子在宇宙空間中的分布非常稀薄，稀薄到沒有兩個粒子能夠同時入射到器件上，因此這種瞬態效應，宏觀表現的是較低占空比的脈沖形式，如果一個個獨立事件發生一樣，因此稱之為單粒子事件，這種單事件瞬態效應主要產生的影響如下：

1）電荷收集，造成器件某些電位的狀態發生改變，常見于邏輯電路，存儲器，這些器件共同特性依賴于電位高低傳遞表征信息，而高能粒子射線產生的瞬態電流會帶來“節點”電荷收集，而超過臨界量，節點電位就會發生改變，這個過程成為單粒子翻轉（Single Event Upset）。

2）瞬態電流激活器件內部寄生的“可控硅”結構，從而使得電流流動進入正向回饋循環，造成器件工作電流“階梯”上升，這個效應稱為單粒子鎖定（Single Event Latch up）。

3）對于復雜邏輯器件，如MCU、FPGA、DSP、CPU、GPU等處理器，單瞬態電流脈沖會造成某個或某段時序邏輯發生錯誤，從而造成程序“跑飛”，功能喪失，這個效應稱為單粒子功能中斷（Single Event Function interrupt）。

4）對于功率類器件，其本身工作過程要承載較大的功率，瞬態電流可能造成器件內的寄生BJT導通，從而使得寄生結構進入正反饋狀態，最終造成器件的燒毀，這個效應稱為單粒子燒毀（Single Event Burnup）；或入射粒子穿透柵極，在器件內形成界面電荷累積，使柵電場瞬態增大，進而引發柵介質擊穿，這個效應稱為單粒子柵穿（Single Event Gate Rupture）。

3 位移損傷效應（Displacement Damage Effects）

半導體材料是由Si、SiC、GaAs、GaN等材料以晶體和局域摻雜所呈現出獨特的導電物理特性。高能粒子尤其是具有質量的粒子，如質子，其除了能夠引起電離效應從而耗散自身能量外，還可以像“子彈”一樣與半導體晶體上的晶格原子發生“碰撞”，擾亂正常的晶格排布，改變了“中性”的晶格環境，這種擾亂是永久性的，如同子彈貫穿物體，留下永久的彈坑一樣。被擾亂的晶格會表現出對載流子的吸附效果，從而使得載流子在半導體運動過程中被這些擊穿的“孔洞”所俘獲，進而造成載流子傳輸效率下降。