抗辐射电子学是一门交叉性、综合性的学科, 其研究的辐射效应规律、损伤作用机制、加固设计方法、试验测试方法、建模仿真方法等对极端恶劣环境中的电子系统的可靠工作至关重要。对核爆炸中子、γ和 X射线, 空间和大气高能粒子产生的各种损伤效应(如瞬时剂量率效应、总剂量效应、单粒子效应、位移效应等)的研究现状进行了系统梳理。对辐射之间、辐射和环境应力之间的协同损伤效应(如长期原子迁移对瞬时剂量率感生光电流的影响, 中子和 γ射线同时辐照与序贯辐照、单因素辐照的损伤差异, 质子和 X射线、中子辐照的损伤差异, γ射线辐照与环境氢气的协同损伤效应等)的研究进展进行了详细介绍。阐述了国内外在核爆、空间和大气辐射加固研究方面的最新技术进展。总结了国内外在地面实验室对空间、大气或核爆辐射各种效应进行试验模拟和建模仿真的相关能力。最后对 21世纪 20年代以后抗辐射电子学研究领域潜在的挑战和关键技术进行了展望。

文章首先重点介绍了国内外开展GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的电子、质子及其他辐射粒子或射线辐照实验的研究进展，然后从辐照损伤效应的仿真模拟研究、抗辐射加固技术、损伤预估方法等方面综述了GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应及加固技术的研究进展，最后梳理了当前GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应研究中亟待解决的关键技术问题，为深入开展GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池辐照损伤效应实验方法标准制定、损伤机理分析、在轨寿命预估及抗辐射加固技术研究提供了理论指导和实验技术支持。

本文对国内外核环境作业机器人的发展历史和研究现状进行归纳、分析，总结和梳理了核环境作业机器人的共性结构和主要功能分类。基于核环境作业机器人的应用需求，重点介绍了当前核环境作业机器人急需突破的关键技术有：抗辐射加固、通信方法、光电探测、智能控制技术等。随着我国核工业规模逐渐扩大以及安全保障需求的提升，对核环境作业机器人的应用场景进行凝练，并进一步预测核环境作业机器人的未来发展趋势。

太空环境中的电离辐射会导致CMOS图像传感器性能退化, 甚至造成永久性损毁。文章对CMOS图像传感器抗电离辐射加固技术进行了研究, 从版图设计、电路设计等方面提出相应的抗辐射策略, 并进行了总剂量和单粒子试验。试验结果表明, 采用抗辐射加固技术设计制作的CMOS图像传感器具备抗总剂量和单粒子辐射能力, 当总剂量达到100krad(Si)、单粒子辐射总注量达到1×107p/cm2时, 器件的关键指标变化符合预期要求。

设计了一款320×256元抗辐射日盲紫外焦平面阵列探测器, 重点针对探测器的读出电路版图、积分开关偏置点、探测器芯片外延结构及器件工艺开展了抗辐射加固设计。对加固样品开展了γ总剂量和中子辐照试验和测试, 试验结果表明样品的抗电离辐照总剂量达到150krad(Si), 抗中子辐照注量达到1×1013n/cm2(等效1MeV中子), 验证了抗辐射加固措施的有效性。

分析了MOS器件的辐照特性及辐照失效机理。基于Global Foundries 0.35μm CMOS工艺, 设计了一款320×256抗辐照加固紫外焦平面读出电路。该电路数字部分MOS管采用环形栅和双环保护进行加固, 并在读出电路表面交替生长了SiO2-Si3N4复合钝化层。对加固后的读出电路进行了γ辐照试验, 并使用示波器实时监测读出电路的输出状态。对比加固前后的读出电路实时辐照状态表明, 加固后的读出电路抗辐照性能得到了明显提高, 其抗电离辐照总剂量由35krad(Si)提升至50krad(Si)。

基于标准工艺线的设计加固是大规模集成电路抗辐射加固的发展趋势, 对微纳米单元器件进行辐射效应参数提取是实现设计加固的前提。为了摒除参数提取过程中封装引入的影响, 实现在线参数测试, 本文设计了一套晶圆级器件辐照与辐射效应参数提取试验装置, 兼备晶圆级器件电离总剂量辐照、器件参数在线测试分析功能, 并且具有通用性强、测量范围宽、结构一体化、操作自动化等特点。对设备在50 kV管压下产生的X射线能谱、剂量率、束斑的测量以及对晶圆级MOS器件进行I-V、C-V、低频噪声特性的测试分析结果表明, 该设备符合ASTM F1467测试标准, 且能满足晶圆级器件辐射效应参数提取要求, 可为大规模集成电路抗辐射设计加固提供良好的试验条件。

对集成电路总剂量加固技术的研究进展进行了分析。集成电路技术在材料、器件结构、版图设计及系统结构方面的革新，促进了总剂量加固技术的发展。新的总剂量加固技术提高了集成电路的抗总剂量能力，延长了电子系统在辐射环境下的使用寿命。文中总结了近年来提出的新型的总剂量抗辐射加固技术，如采用Ag-Ge-S、单壁碳纳米管材料(SWCNT)、绝缘体上漏/源(DSOI)器件结构、八边形的门(OCTO)版图、备用偏置三模块冗余(ABTMR)系统等加固方法，显著提高了器件或电子系统的总剂量抗辐射能力。研究结果有助于建立完整的总剂量加固体系，提升抗辐射指标，对促进总剂量加固技术的快速发展具有一定的参考价值。

剂量率效应是电子元器件和系统的抗辐射鉴定考核中不可缺失的项目。脉冲激光束是一种较好的模拟剂量率效应的手段。相比传统脉冲X 射线装置，利用激光束模拟剂量率效应，脉冲输出稳定，寄生电场效应低，可进行器件微区辐照，而且激光束模拟剂量率装置易实现，剂量率试验的时间和成本均远低于高能X 射线辐射试验。虽然激光束模拟剂量率装置具有上述优势，但由于激光束本身的特性，这种方法具有一定的局限性，其中高功率激光的非线性吸收、器件金属线的遮挡效应会严重影响激光束模拟剂量率效应的适用性。因此必须通过适当的试验设计和理论修正才能获得相对准确的剂量率试验结果。本文从激光束模拟剂量率效应原理出发，详细阐述影响激光束剂量率模拟试验适用性的因素，并分析克服这些影响因素的途径，以指导激光束模拟剂量率效应装置的开发和应用。