航天器在侦察、探测、指挥、通信等方面起着至关重要的作用。但在太空中，航天器中的电子器件会受到空间辐射而产生辐射损伤，导致航天器部分功能失效乃至失控。长时间辐射剂量累积引起的半导体器件电离辐射总剂量效应，是辐射环境中工作系统的一种典型辐射效应现象。因此，电离辐射总剂量效应研究对于确保航天器在空间天然辐射环境中的高可靠性工作具有重要意义。

电离辐射总剂量效应研究关注的内容

电离辐射总剂量效应是空间辐射效应之一，它与微电子工艺中广泛使用的二氧化硅材料联系紧密，二氧化硅既作为半导体器件的栅极氧化物，也同时作为场氧化物，又称为隔离氧化物。当带电粒子（如电子、质子等）、γ 射线、χ 射线作用在器件的氧化层或其他绝缘层中产生过剩的电子-空穴对时，会在器件内部不同位置产生复合、输运、俘获等一系列影响电子器件电特性的物理过程。电离辐射总剂量效应研究一般需要关注以下内容。

（1）电离辐射总剂量效应物理机理研究是微电子器件辐射效应试验方法、抗辐射加固技术的理论基础。随着微电子器件的飞速发展，各种新工艺、新材料、新技术不断应用，器件辐射效应作用机理、效应规律也会发生改变，从而导致辐射效应试验及评估方法发生革命性变化。

（2）空间电离辐射总剂量效应地面模拟试验方法，又称为电离辐射总剂量效应加速试验方法。对于MOS 工艺器件，不同剂量率间的效应差异实际上是一种时间相关效应（time dependent effect，TDE），并以此为基础，建立了适用于 MOS 工艺器件的空间电离辐射总剂量效应模拟试验方法，如MIL-STD-883J 1019.7、GJB 548B—2005和GJB 5422—2005 等，但仍处于不断的认识和完善之中。对于双极器件，相同剂量、不同剂量率引发的辐射效应存在差异，出现低剂量率辐射损伤增强效应。低剂量率辐射损伤增强效应的形成是一个极为复杂的物理过程，目前国际上仍没有达成统一认识，所建立的地面模拟试验方法的适用性有限。因此，为了能够准确评价双极器件的抗辐射性能，提高器件在轨可靠性，需深入细致地研究双极器件低剂量率辐射损伤增强效应形成的物理机理，建立和完善相关的地面模拟试验方法。

（3）试验研究是电离辐射总剂量效应研究的重要手段，但仅仅依靠试验手段是远远不够的。由于实验室条件与真实环境存在较大差异，要达到准确评估器件在真实环境的辐射效应、提高国产器件抗辐射能力的目的，辐射效应的数值仿真是重要的技术手段。需在辐射效应机理认识的基础上，完善效应模型、验证模型，形成辐射效应仿真工具或软件，服务于辐射效应机理研究与试验技术研究，从而做到“知其然知其所以然”。

（4）微电子器件的抗辐射加固技术是辐射环境下电子系统或装置可靠工作的保障。多年来抗辐射加固技术研究大多集中在元器件方面，并形成了从元器件内部的元件结构、制作工艺、电路设计和屏蔽封装等一系列加固技术。但随着航天器的寿命增长，卫星上使用材料的抗辐射问题也越来越突出。有关材料的抗辐射问题，包括材料辐射效应机理、试验方法、使用规则、性能评价方法等需要得到重视。

MOS 晶体管电离辐射总剂量效应示意图

《半导体器件电离辐射总剂量效应》是作者在二十多年研究的基础上，系统总结半导体器件电离辐射总剂量效应的创新成果。

本书以空间电子元器件电离辐射总剂量效应为主线，在详细介绍空间辐射环境与效应的基础上，全面介绍不同工艺类型器件的电离辐射总剂量效应研究工作，对于体硅CMOS 工艺器件，介绍典型0.18工艺尺寸器件电离辐射总剂量效应规律、辐射效应数值仿真技术和地面考核试验方法；对于双极工艺器件，针对目前空间的热点关注问题——双极器件低剂量率辐照损伤增强效应，系统介绍其电离辐射效应规律、损伤机理和有限元数值仿真模型；对于国产SOI工艺器件，介绍电离辐射总剂量效应规律、物理机理和缺陷演化模型；同时，对于先进纳米器件空间应用过程中最关注的可靠性与电离辐射总剂量效应耦合问题，介绍最新研究进展；最后，针对电子系统电离辐射总剂量效应，从行为级仿真建模方法出发，介绍系统行为级仿真建模基本思路，回答空间电子系统电离辐射总剂量效应试验的必要性，提出模拟试验方法。本书相关内容可以为辐射效应和抗辐射加固技术研究人员提供参考。

本书共分8章。

第 1 章为空间辐射环境与效应。介绍空间辐射环境引起的电离辐射总剂量效应、单粒子效应、位移损伤效应以及电离辐射总剂量效应研究关注的内容。

第 2 章为体硅 CMOS 器件电离辐射总剂量效应。介绍微米级和超深亚微米级体硅 CMOS 器件不同源辐射损伤的等效性、辐射后退火效应、辐射损伤与剂量率的关系以及数值模拟方法等内容。

第 3 章为双极器件电离辐射总剂量效应。介绍电离辐射总剂量效应表征和机理、低剂量率辐射损伤增强效应、电离辐射感生产物分离方法和数值仿真等内容。

第 4 章为 SOI 器件电离辐射总剂量效应。介绍 SOI 器件电离辐射总剂量效应规律、物理机理和物理模型等内容。

第 5 章为电离辐射总剂量效应模拟试验方法。介绍试验最劣条件甄别技术和相关的理论验证方法、体硅CMOS 器件模拟试验方法、双极器件高温辐照和变剂量率辐照加速试验方法等。

第 6 章为 MOS 器件电离辐射总剂量效应预估。介绍阈值电压漂移模型、关态漏电流模型及 MOS 器件辐照过程和辐照后退火效应预估等。

第 7 章为纳米器件电离辐射总剂量效应与可靠性。介绍纳米器件的电离辐射总剂量效应、重离子和 γ 射线辐照对电应力效应的影响、电离辐射总剂量效应与沟道热载流子效应的相关性等。

第 8 章为系统级电离辐射总剂量效应。介绍模数转换器电离辐射总剂量效应及行为建模、电子系统电离辐射总剂量效应与功能模块之间的关系及行为建模、空间电子系统电离辐射总剂量效应试验方法等。

作者简介

陈伟，西北核技术研究所研究员、抗辐射加固技术专业组副组长、中国核学会辐射物理分会副理事长兼秘书长。长期从事辐射效应和抗辐射加固技术研究，主持国家专项、国家自然科学基金重大项目和重点项目等多个重大科研项目攻关，在辐射效应机理、试验评估技术与装置方面做出了系统性创新工作，获国家技术发明一等奖1项，省部级科技进步一等奖6项，授权国家发明专利47项，发表论文210余篇，出版著作5部，撰写科技报告120篇。

内容简介

辐射在半导体器件中电离产生电子-空穴对，长时间辐射剂量累积引起半导体器件电离辐射总剂量效应。电离辐射总剂量效应是辐射效应中最常见的一种，会导致器件性能退化、阈值电压漂移、迁移率下降、动态和静态电流增加，甚至功能失效，因此在辐射环境中工作的半导体器件和电子系统必须考虑电离辐射总剂量效应问题。本书主要介绍空间辐射环境与效应、体硅CMOS器件电离辐射总剂量效应、双极器件电离辐射总剂量效应、SOI器件电离辐射总剂量效应、电离辐射总剂量效应模拟试验方法、MOS器件电离辐射总剂量效应预估、纳米器件电离辐射总剂量效应与可靠性、系统级电离辐射总剂量效应等内容。

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（本期编辑：王芳）

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