抗辐照硅基低噪声放大器的研究与设计文献综述

文献综述（或调研报告）：

低噪声放大器电路结构可以分成四个模块[1]：输入匹配网络、放大器、负载网络和输出驱动。设计时可以针对每一个模块分别进行优化。输入匹配网络的设计目标是在不引入额外热噪声的前提下使得输入端口反射最小化，在宽带内得到输入阻抗的匹配[2]。放大器的优化目标是确定晶体管的尺寸和电路架构，保证增益大、噪声系数低和功耗小的同时提供一个有利于实现宽带匹配的输入阻抗。负载网络的设计目标是在宽带内得到较高较平坦的增益[3]。输出驱动在驱动电阻性负载(如镜像抑制滤波器)时是必需的，其作用在于提供和后级匹配的输出阻抗，优化目标是保证输出阻抗为50Omega;，以便于测试。

集成电路可能应用到的辐射环境可以分为空间环境、核爆炸辐射环境、核动力辐射环境以及做实验用的模拟源环境。[4]

电子系统的应用环境不同，所遇到的辐射因素也不同，产生的效应和影响也各不相同，不同的辐射类型，辐射强度，辐射能量都会产生不同的效果，所以系统设计者必须采取不同的措施进行加固。辐射效应大致可以分为两种：累积效应(Cumulative Effects)和单粒子效应(SEE, Single Event Effect)，具体的分类如图1 所示[5]：

图1 辐射效应的分类

当辐射环境中的质子，电子，中子、alpha;粒子和其他重离子等轰击集成电路时，往往会带来永久性的损伤（硬错误）或者临时的伤害（软错误）[6]。累积效应是一种长期的效应，它改变了器件的参数，主要分为总剂量效应（TID, Total Ionizing Dose）和位移损伤（DD, Displacement Damage）两种情况，总剂量效应源于由gamma;射线、质子和中子的长时间照射晶体管，在二氧化硅层中产生电子空穴对，形成氧化物陷阱电荷和界面态陷阱电荷。当高能粒子替换了硅或氧化层中的原子产生电活性缺陷时会带来位移损伤。MOS器件主要的辐射损伤是总剂量效应，而位移损伤是双极型器件失效的主要原因。

单粒子效应是辐射环境中的高能粒子进入集成电路以后即时的一些效应，下面有六个小类：单粒子翻转（Single-Event Upsets）引起电位状态的跳变，如果发生在存储器中的多个存储节点，可以称为MBUamp;MCU(Multiple-Bit Upset and Multiple-Cell Upset)；如果SEU妨碍了FPGA等处理器的功能，又可以划分为单粒子功能中断（Single Event Functional Interrupt）的范畴。单粒子瞬态（Single Event Transient）是组合逻辑电路中特有的一种效应[7]。单粒子闩锁（Single Event Latch-up）由晶闸管引起，主要出现在CMOS电路中。单粒子烧毁（Single Event Burnout）是功率MOS管中源漏电流超过寄生结构的击穿电压的后果。当辐射的粒子损伤了栅氧化层时会引起单粒子栅穿（Single Event Gate Rupture）。

总剂量效应中辐射触发的正电荷以及界面态都跟辐射后的时间、温度、栅极所加的偏压有关，所以阈值电压的偏移（减小）与上述因素也是相关的。因为阈值电压的偏移与氧化层厚度的平方成正比，可以猜测，当器件按照Moore定律发展到一定尺寸时，遵循等比例缩小原则，其栅SiO2的厚度越来越薄，辐射触发的阈值电压偏移将消失。根据文献中的数据可知，一旦栅氧的厚度小于10nm，栅氧的总剂量效应将消失。

此外，总剂量效应会增加器件的噪声，特别是1/f噪声；减小载流子的迁移率（进而减小gm）；影响器件的亚阈值情况；还会导致衬底漏电流增加，增加了器件的静态功耗，严重时可能导致器件失效，射频电路对漏电流的变化尤其敏感[8]。

因为要发生单粒子翻转效应必须需要一个反馈回路，所以单粒子翻转效应一定发生在时序器件(比如：锁存器、触发器)和存储器件中。倒装晶格(flip—flop)的封装方法和多层金属布线会加剧单粒子效应。