2024 空间环境 宇航用半导体器件在轨单粒子翻转率预计方法

GB/T44181—2024

目次

前言

·····································································································

Ⅲ

1

范围

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1

2

规范性引用文件

······················································································

1

3

术语和定义

···························································································

1

4

缩略语

································································································

2

5

原理

··································································································

2

6

流程

··································································································

3

7

空间带电粒子LET谱和质子能谱计算

·······························································

5

7.1

概述

······························································································

5

7.2

空间轨道参数和屏蔽厚度确定

···································································

5

7.3

空间带电粒子能谱计算

··········································································

5

7.4

LET谱计算

······················································································

6

8

辐照试验数据处理分析

···············································································

6

8.1

概述

······························································································

6

8.2

输入数据的准备

·················································································

6

8.3

重离子单粒子事件敏感参数获得

································································

6

8.4

质子单粒子翻转敏感参数获得

···································································

7

9

单粒子翻转率预计

····················································································

7

9.1

直接电离单粒子翻转率预计

·····································································

7

9.2

质子核反应在轨单粒子翻转率预计

······························································

9

10

其他类型在轨单粒子事件率预计

····································································

9

11

报告

·································································································

9

Ⅰ

GB/T44181—2024

前言

本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规

定起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由中国科学院提出。

本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会（SAC/TC425）归口。

本文件起草单位：中国空间技术研究院、国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京微电子技术研究

所、中国科学院国家空间科学中心。

本文件主要起草人：孙毅、张洪伟、梅博、莫日根、于庆奎、魏志超、曹爽、唐民、朱恒静、

黄金英、梁斌、李昌宏、韩建伟、王天琦、马英起、郑宏超。

Ⅲ

GB/T44181—2024

空间环境

宇航用半导体器件在轨

单粒子翻转率预计方法

1范围

本文件描述了开展宇航用半导体器件（以下简称“器件”）在轨单粒子翻转率预计的方法，包括原

理、流程、空间带电粒子LET谱和质子能谱计算、辐照试验数据处理分析和单粒子翻转率预计等。

本文件适用于空间自然辐射环境中的质子和重离子引发器件单粒子翻转率的预计。单粒子功能中断

等其他类型单粒子事件率预计参考使用。本文件不适用于高能电子引发的单粒子翻转率的预计。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文

件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用

于本文件。

GB/T32452航天器空间环境术语

GB/T41206—2021空间环境（自然和人工）宇宙线和太阳能量粒子穿入磁层有效垂直地磁

截止刚度的确定方法

GB/T44001空间环境地磁场参考模型

3术语和定义

GB/T32452界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

线性能量传输LinearEnergyTransfer；LET

带电粒子沿径迹单位长度沉积的能量。

注：常用单位为兆电子伏平方厘米每毫克（MeV·cm2/mg）。

3.2

LET阈值thresholdLET

器件发生单粒子事件所需的最小LET值。

3.3

单粒子翻转截面SEUcrosssection

单位粒子注量辐照下发生单粒子翻转的数量。

注：σ＝单粒子翻转数/(注量×cosθ)，其中，σ为单粒子翻转截面，常用单位为平方厘米每器件（cm2/器件），或平

方厘米每位（cm2/bit）。θ为离子入射方向与待测器件表面法线的夹角。

3.4

饱和截面saturationcrosssection

增加入射粒子的LET值而截面不再增加的单粒子翻转截面。

3.5

1

GB/T44181—2024

单粒子翻转率singleeventupsetsrate

器件每单位时间发生单粒子翻转的频率。

注：常用单位为次每位天［次/（bit•d）］、次每器件天［次/(器件•d)］。

3.6

敏感体积sensitivevolume；SV

器件电荷收集区域。

3.7

临界电荷criticalcharge

单个带电粒子入射器件敏感节点导致发生单粒子翻转的最小电荷收集量。

3.8

通量flux

单位时间内单位面积上垂直入射的粒子数。

注：常用单位为粒子数每平方厘米秒[粒子数/(cm2•s)]。

3.9

能谱energyspectrum

粒子通量随其能量的分布曲线。

3.10

LET谱LETspectrum

粒子通量随其LET值的分布曲线。

4缩略语

下列缩略语适用于本文件。

CRÈME：微电子器件银河宇宙线效应计算程序（CosmicRayEffectsonMicro-Electronics）

IGRF：国际地磁参考场（InternationalGeomagneticReferenceField）

IRPP：积分平行六面体（IntegratedRectangularParallelepiped）

RPP：平行六面体（RectangularParallelepiped）

SEFI：单粒子功能中断（SingleEventFunctionalInterrupt）

SEL：单粒子锁定（SingleEventLatchup）

5原理

根据空间辐射环境和器件单粒子试验数据，计算在轨粒子入射器件通过直接电离和/或者质子核反

应在单位时间内引起的单粒子翻转数。

器件发生单粒子翻转的过程为器件存储单元存在电荷收集的敏感体积，如果入射粒子在器件位单元

的敏感体内通过电离或核反应过程，发生沉积并被收集的电荷超过器件的翻转临界电荷，该位发生翻转

现象。器件直接电离单粒子翻转率预计基本原理包括以下内容。

a）通过器件的地面加速器单粒子试验数据（通常表现为不同LET值辐射粒子下的单粒子翻转截面

数据），获得器件单粒子敏感体积和临界电荷等表征器件单粒子敏感特性的参数。

b）器件是否发生单粒子翻转，主要由入射粒子在器件敏感体积内沉积并被收集的电荷是否超过器

件的翻转临界电荷决定，器件敏感体积示意图如图1所示，而入射粒子在器件的电荷沉积主要由

粒子LET值和入射粒子在器件敏感体积内的沉积路径决定。由此，考虑在轨粒子全向入射性和

LET谱连续性，将空间带电粒子LET谱，与器件单粒子敏感体积的路径长度概率分布函数，在

入射粒子在敏感体内沉积电荷大于器件单元临界电荷的条件下进行积分，以获得器件在轨翻转

2

GB/T44181—2024

率预计结果。

标引序号说明：

1─金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）基本单元；

2─敏感体；

3─空间粒子；

4─敏感体厚度，单位为厘米（cm）；

5─敏感体横向长度，单位为厘米（cm）；

6─敏感体横向宽度，单位为厘米（cm）。

图1器件敏感体积示意图

6流程

进行宇航用半导体器件在轨单粒子翻转率预计流程的一般要求如下。

a）进行空间辐射环境计算、辐照试验数据分析处理和在轨单粒子翻转率预计，并编写预计报告。

b）进行在轨单粒子翻转率预计，应包括两种机制：重离子直接电离引起单粒子翻转、质子核反应

产生次级粒子引起单粒子翻转。

c）器件总的在轨单粒子翻转率为重离子直接电离引发单粒子翻转率与质子核反应引发单粒子翻转

率之和。

器件在轨单粒子翻转率预计流程见图2。

3

GB/T44181—2024

a)

器件重离子直接电离在轨单粒子翻转率预计流程

b)

器件质子核反应在轨单粒子翻转率预计流程

图2器件在轨单粒子翻转率预计流程

4

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7空间带电粒子LET谱和质子能谱计算

7.1概述

根据任务输入提供的轨道参数、空间天气条件及航天器屏蔽结构，计算带电粒子LET谱和质子能

谱。其中，空间带电粒子LET谱用于空间带电粒子直接电离引起的单粒子翻转率预计，空间质子能谱

用于质子核反应引起的单粒子翻转率预计。

7.2空间轨道参数和屏蔽厚度确定

7.2.1轨道参数确定

根据任务输入，确定待预计器件所在宇航飞行任务的轨道参数，至少包含任务轨道的高度（包括远

地点高度和近地点高度）、轨道倾角。

7.2.2确定航天器结构对器件的屏蔽厚度

航天器结构对器件的屏蔽厚度确定方法如下：

a）如无特别规定，确定航天器结构对器件的屏蔽厚度为等效3

mm铝；

b）需要时，可根据被预计器件在航天器中的位置，对机箱外壳、器件封装等结构的屏蔽厚度进行

评估，确定航天器等效屏蔽厚度，用于进行带电粒子能谱分析计算。

7.3空间带电粒子能谱计算

7.3.1银河宇宙线能谱计算

银河宇宙线能谱计算方法如下：

a）对确定任务时间的航天器，选CRÈME96模型，模型输入参数为被预计器件所在航天器飞行年

份；

b）对于尚未确认任务时间的航天器，选CRÈME8690％最恶劣情况模型；

c）用于空间带电粒子LET谱计算时，原子序数选择范围为1～92；

d）用于质子能谱计算时，原子序数选择为1。

7.3.2太阳宇宙线能谱计算

太阳宇宙线能谱计算方法如下。

a）如无其他规定，选用CRÈME96模型，原子序数选择范围为1～92。

b）一般选择“最恶劣5分钟”的模型参数进行保守计算。有要求时，可根据要求，选择其他恶劣情

况参数进行计算，包括“最恶劣1周”或者“最恶劣1天”。

c）空间带电粒子LET谱计算时，选择原子序数范围为1～92。

d）用于质子能谱计算时，原子序数选择为1。

7.3.3地球辐射带质子能谱计算

地球辐射带质子能谱计算方法如下。

a）如无特别规定，选用范艾伦捕获带质子环境模型计算程序（AP﹘8）进行地球辐射带质子能谱计

算，获得任务周期内质子平均通量能谱。条件具备时，选用最新的AP模型。

b）对于任务处于太阳活动高年的情况，选用AP﹘8MAX模型进行计算；对于任务处于太阳活动低年

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GB/T44181—2024

的情况，选用AP﹘8MIN模型进行计算。

c）对于任务阶段跨越太阳活动高年和低年，或尚未确认任务周期的情况，如无其他规定，选用

AP﹘8MIN模型进行保守计算。

7.3.4地磁屏蔽的影响

对银河宇宙线和太阳宇宙线的粒子能谱计算，需考虑地磁屏蔽的影响，若无特别规定，选用最新的

IGRF模型。地磁截止刚度的计算和地磁场模型的选取按照GB/T41206—2021、GB/T44001的规定。

7.4LET谱计算

计算空间带电粒子的LET谱，包括银河宇宙线粒子、太阳宇宙线粒子。将1号～92号元素的粒子

能谱分别转化为LET谱，再进行叠加，获得任务轨道的总LET谱。

8辐照试验数据处理分析

8.1概述

对重离子单粒子试验数据进行处理分析，获得器件单粒子翻转截面与试验带电粒子LET值的关系曲

线，或单粒子翻转LET阈值和饱和截面。对质子单粒子试验数据进行处理分析，获得器件质子单粒子

翻转截面与质子能量的关系曲线。

8.2输入数据的准备

8.2.1原则上需要至少5个不同LET值粒子或5种不同能量质子辐照下的单粒子翻转截面数据进行曲

线参数拟合。

8.2.2用于进行曲线参数拟合的单粒子翻转截面试验数据，其LET值或质子能量值，原则上覆盖器件

单粒子翻转的阈值区、曲线中段拐点区和饱和截面区。

8.2.3绘制器件单粒子翻转截面与LET值或质子能量的关系曲线，其中单粒子翻转截面单位的处理方

法如下：

a）对于未采用翻转加固设计的存储单元，绘制每存储位的单粒子翻转截面［单位一般为平方厘米

每位（cm2/bit）］与LET值或质子能量的关系曲线；

b）对于采用翻转加固设计的存储单元，绘制每器件的单粒子翻转截面［单位一般为平方厘米每器

件（cm2/器件）］与LET值或质子能量的关系曲线。

8.3重离子单粒子事件敏感参数获得

8.3.1拟合威布尔曲线获得敏感参数

采用威布尔(Weibull)分布函数，见公式（1），对器件地面重离子单粒子试验获得的不同LET值下

单粒子事件截面数据，进行曲线拟合，获得重离子单粒子事件截面与粒子LET值的关系曲线，见图3。

d

−[k(x−xth)]

σ(x)=σs(1−e)…………（1）

式中：

σ─单粒子翻转截面，平方厘米每位（cm2/bit）或平方厘米每器件（cm2/器件）；

σs

─代表单粒子翻转饱和截面，单位为平方厘米每位（cm2/bit）或平方厘米每器件（cm2/器件）；

k─曲线形状参数一；

x─入射离子LET值，单位为兆电子伏平方厘米每毫克（MeV·cm2/mg）；

xth─单粒子翻转LET阈值，单位为兆电子伏平方厘米每毫克（MeV·cm2/mg）；

6

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d─曲线形状参数二。

图3地面单粒子试验结果的Weibull曲线拟合示意图

8.3.2经验值方法获得敏感参数

如果试验数据少，无法采用Weibull分布函数拟合，可采用经验值方法获得单粒子翻转敏感参数。

a）单粒子试验中未检测到单粒子翻转的最大离子LET值，为LET阈值最劣值。

b）单粒子试验最大LET值下的单粒子翻转截面为单粒子翻转饱和截面，敏感体横向尺寸通过单粒

子翻转饱和截面近似得到，长度l和宽度w取相同值，见公式（2）：

√

l=w=σs…………（2）

式中：

l─敏感体横向长度，单位为厘米（cm）；

w─敏感体横向宽度，单位为厘米（cm）；

σs─单粒子翻转饱和截面，单位为平方厘米每位（cm2/bit）或平方厘米每器件（cm2/器件）。

8.3.3敏感体厚度

敏感体厚度(h)根据器件实际有源区厚度及对电荷沉积的收集区域确定。若无法确定准确数据，一

般可假设为1μm考虑。

8.4质子单粒子翻转敏感参数获得

若无其他规定，采用Weibull分布函数，对器件地面质子单粒子试验获得的不同质子能量下的单粒

子翻转截面数据进行曲线拟合，获得质子单粒子翻转截面与质子能量的关系曲线。Weibull分布函数见

公式（1），在用于质子单粒子翻转截面曲线拟合时，x代表质子能量[单位为兆电子伏（MeV）]，

xth代表质子单粒子翻转能量阈值[单位为兆电子伏（MeV）]。

9单粒子翻转率预计

9.1直接电离单粒子翻转率预计

9.1.1概述

根据空间粒子LET谱和单粒子翻转敏感参数预计重离子直接电离单粒子翻转率。

7

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9.1.2直接电离在轨单粒子翻转率预计模型的选择

根据重离子单粒子辐照数据的情况进行直接电离在轨单粒子翻转率预计模型的选择，方法如下。

a）根据重离子单粒子辐照数据，采用Weibull分布函数拟合获得单粒子事件敏感参数的器件，采用

IRPP预计模型进行在轨单粒子翻转率预计。IRPP预计模型见公式（3）：

ww

Ax,dσ(x)xMAXdΦ

=iMAX···…………（）

RIRPP(xi)h(x)pCL[D(x)]d(x)d(xi)3

4SxMINd(x)d(x)

DMAX

式中：

RIRPP─IRPP模型获得的直接电离单粒子翻转率，单位为次每位天［次/（bit·d）］或

次每器件天［次/（器件·d）］；

A─器件单粒子敏感体积SV的表面积［A＝2×（l×w＋l×h＋w×h）］,单位为平

方厘米（cm2）；

S─等于l×w,单位为平方厘米（cm2）；

Φ─空间带电粒子积分LET谱；

σ(x)─直接电离单粒子事件截面与LET的Weibull关系，单位为平方厘米每位

(cm2/bit)或平方厘米每器件(cm2/器件)；

h─敏感体厚度，单位为厘米（cm）；

D─带电粒子在敏感体中的路径长度，单位为厘米（cm）；

DMAX─带电粒子在敏感体中的最大路径长度，单位为厘米（cm）；

PCL［＞D(x)］─各向同性的入射粒子在敏感体积内的路径长度大于D的概率；

x─带电粒子LET值，单位为兆电子伏平方厘米每毫克（MeV·cm2/mg）；

i─定积分变量的下标；

xMIN─能够引起单粒子翻转的最小LET值,单位为兆电子伏平方厘米每毫克

（MeV·cm2/mg）；

xMAX─所有宇宙射线粒子可能有的最大LET值，单位为兆电子伏平方厘米每毫克

（MeV·cm2/mg）。

b）根据重离子单粒子辐照数据，采用经验方法获得单粒子事件敏感参数的器件，选用RPP预计模

型进行在轨单粒子翻转率预计，RPP预计模型见公式（4）：

w

AxMAXdΦ

RRPP=(x)PCL[D(x)]d(x)…………（4）

4xMINd(x)

式中：

RRPP─RPP模型获得的直接电离单粒子翻转率，单位为次每位天［次/（bit·d）］或次

每器件天［次/（器件·d）］；

A─器件单粒子敏感体积SV的表面积［A＝2×（l×w＋l×h＋w×h）］,单位为平

方厘米（cm2）；

x─带电粒子LET值，单位为兆电子伏平方厘米每毫克（MeV·cm2/mg）；

Φ─空间带电粒子积分LET谱；

PCL［＞D(x)］─各向同性的入射粒子在敏感体积内的路径长度大于D的概率；

D─带电粒子在敏感体中的路径长度，单位为厘米（cm）。

9.1.3预计模型输入参数的确定

8

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预计模型输入参数的确定方法如下：

a）空间带电粒子