SR AM型FPGA总剂量辐射效应及影响的研究

摘要

随着航天技术的不断发展和信息传输数据量的快速增长，人们对数据传输率的需求也由Mbps量级增长到Gbps量级，传统的微波通信由于载波频率的限制，很难将数据率提高到几Gbps甚至几十Gbps。采用激光作为信息载体的卫星光通信技术就是一种很好的解决方案，相比于传统的微波通信技术，卫星光通信技术具有通信数据率高（可达几百Gb/s）、抗干扰能力强、保密性好以及终端质量轻、体积小、功耗低等优势。
　　在卫星光通信中终端系统中，SRAM型FPGA由于其可编程、集成度高、功耗低、速度快等特点，在高速数据采集、系统控制等方面有着极其重要的地位。然而，由于目前我国FPGA芯片制造技术水平的落后及美国禁运政策的限制，导致国内军品级和宇航级FPGA芯片的获取困难，价格昂贵。而商用SRAM型FPGA器件的成本低、获取容易，在卫星光通信终端系统中具有很大的应用前景。
　　然而，卫星等航天器运行的空间中存在着非常复杂的辐射环境，当卫星光通信终端在轨工作时，其系统中的SRAM型FPGA芯片会受到辐射的影响，将会导致整个芯片的电学特性发生退化，主要表现为工作电流增大甚至功能失效，进而威胁光通信终端在轨工作的安全性和可靠性。因此，很有必要对SRAM型FPGA的空间辐射效应进行研究，评估其空间应用的可靠性。
　　本文对SRAM型FPGA在空间辐射环境中的总剂量辐射效应进行了理论和实验研究。首先，概述了SRAM型FPGA在航天领域的应用及研究现状；其次，结合空间辐射理论，分析了SRAM型FPGA总剂量辐射效应的作用机理；最后，本文采用60Co-γ辐射源对Xilinx公司Virtex-5系列的商用SRAM型FPGA进行了总剂量辐射效应地面模拟实验研究，结果表明，实验器件在辐照累积剂量达到一定值后，其功耗电流会随着累积剂量的增加而上升，但在实验所辐照的剂量内，FPGA未出现功能失效，实验最终得出所选SRAM型FPGA芯片的总剂量失效阈值超过70krad（Si），能够满足LEO卫星低轨工作3年的总剂量要求。此外，本文还对SRAM型FPGA芯片辐照后的退火效应进行了研究，结果表明，退火前期FPGA功耗电流的变化比较明显，退火约3天后趋于稳定，但退火250h后仍不能恢复到辐照前的水平，另外，实验器件在退火期间未出现功能失效。

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第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 空间辐射环境及其效应的研究

2.1 空间辐射环境介绍

2.2 空间轨道系统及辐射剂量

2.3 空间辐射对半导体器件的损伤与机理

2.4 本章小结

第3章 空间辐射对SRAM型FPGA性能影响的研究

3.1 SRAM型FPGA简介

3.2 MOSFET的工作原理

3.3 空间辐射对MOSFET参数的影响

3.4 辐照实验参数的选取

3.5 本章小结

第4章 SRAM型FPGA总剂量效应的实验研究

4.1 实验方案

4.2 辐射前测试

4.3 总剂量效应实验结果及分析

4.4 退火效应实验结果及分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

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