前言

航天技术、空间技术、核能工业、高能物理研究等技术的迅速发展，特别是这些技术及产品在国防、军事、武器装备系统的应用，迫使半导体器件需要在高能粒子辐射环境中工作。提高集成电路的抗辐射能力已成为航空、航天、核领域及武器装备应用研究的重点。

辐射环境能够使电子器件发生损伤效应，导致内部信号突变，从而使电子部组件发生功能故障甚至损坏。而且，长期辐射也会使器件属性发生改变，导致电子系统产生新的问题。一般地，长期辐射带来的问题都通过专用抗辐射制造工艺加固进行解决。采用专用抗辐射工艺能够为芯片开发者提供一种用于设计空间使用的电子元器件的不很复杂的技术。但采用这种技术的芯片一般市场需求很小，制造工艺要求高，周期很长，因而使设计和制造的原理样片代价非常昂贵。另外，专用抗辐射工艺在寿命上也有限制，开发一种新工艺的成本也非常高。抗辐射工艺的寿命限制阻碍了好芯片产品的长期使用，使基于专用工艺加固的芯片研制难度很大。为了解决这些问题，微电子界普遍倾向于采用商用CMOS工艺设计抗辐射芯片。采用多项目晶圆的商用CMOS工艺能加快设计周期，降低设计成本。尽管商用CMOS工艺没有对辐射效应进行处理，但通过抗辐射加固设计的方法可以减缓辐射效应。同时，利用商用制造商的低成本、可入性、长寿命和多样性等优势完全可以弥补传统抗辐射工艺线的限制。

目前，抗辐射集成电路设计成为国内外微电子学领域十分重视的课题之一。美国航空航天局、桑迪亚国家实验室、费米国家实验室、欧洲航天局、欧洲核子中心、法国原子能局、比利时鲁汶天主教大学、荷兰代尔夫特理工大学及德国亚琛工业大学等都先后开展了抗辐射集成电路加固设计技术方面的研究。国内航天772所、航天771所、中科院微电子所等单位也开始了抗辐射集成电路设计技术方面的研究，但由于国内在这方面起步比较晚，还没有形成气候，在教材和专著方面也相对比较落后。目前国内还没有系统地介绍抗辐射集成电路设计方面的教材或专著。本书收集了国内外关于辐射效应、损伤机理和辐射加固设计技术等方面的资料，对抗辐射集成电路设计概念、基础理论和相关技术等方面进行了全面总结和论述，可作为微电子和核科学等领域相关教师、学生和工程人员在学术研究和工程技术方面的参考书。

本书第1章介绍各类辐射环境。第2章介绍辐射相互作用的物理过程和建模。第3~5章分别介绍电离总剂量效应、位移损伤效应和单粒子效应。前5章是抗辐射集成电路的基础，主要从外部环境、内部机制和效应特征等方面进行详细论述。第6章介绍单粒子闩锁机制、加固策略和测试方法。第7章介绍辐射加固器件的SPICE模型，给出了环栅版图晶体管、梯形晶体管和栅包围源（漏）晶体管的SPICE模型和测试结果。第8章、第9章分别介绍抗辐射单元库设计和自动综合的抗辐射数字电路设计。第10章介绍了模拟和混合信号集成电路抗单粒子加固设计方法和电荷共享加固设计和节点分裂加固设计方法。第6章~第10章介绍抗辐射加固设计方法学，是本书最核心的内容。第11章介绍集成电路辐射效应仿真。第12章介绍单粒子效应的脉冲激光测试原理。第13章介绍辐射加固保障测试。后3章主要从抗辐射集成电路仿真验证和测试保障方面讨论一些常用的技术和方法。

在本书的编写过程中，参考了国内外有关单位和学者的研究论文，在此一并表示感谢。书中有些内容是编者团队的成果，向我的同事和学生们表示真诚的感谢。薛菲菲、李雄、薛浏蒙、李帅、姜东蛟、葛兴、段懿玮、吴梦施、李志军、姚英朋、唐尹、刘媛和苗兆伟等参与了文献翻译、资料核实和文字图片编辑工作，借此机会对他们的辛勤工作表示深深的谢意。感谢苏州柯晶达公司提供辐射效应仿真资料和数据。

本书的研究和编写工作得到了 2011 年国家重大科学仪器设备专项子任务 （2011YQ04008202）、 2013—2016 年国家高新技术发展计划（“863”计划）项目（2013XX08、 2014XX45、2014XX90、2015XX39）、2015 年国家自然科学基金面上项目（11475136、 11575144）、2015年国家安全重大基础研究项目（2015XX0103）、2017年陕西省重点研究计划青年科技新星项目（ 2017KJXX21）以及中央高校基本科研业务费资助项目 （3102018jgc007）等科研项目的资助。

由于编者水平所限，书中难免存在不足，敬请读者朋友批评指正。

编者

2018年6月于西安