Войти
Радиационная стойкость - это процесс создания электронные компоненты и схемы, устойчивые к повреждению или неисправности, вызванным высокими уровнями ионизирующего излучения (излучение частиц и высокоэнергетическое электромагнитное излучение ), особенно для окружающей среды в космическом пространстве (особенно за пределами низкой околоземной орбиты ), вокруг ядерных реакторов и ускорителей частиц или во время ядерные аварии или ядерная война.
Большинство полупроводниковых электронных компонентов чувствительны к радиационным повреждениям, а радиационно-стойкие компоненты основаны на их незакаленных эквивалентах, с некоторыми конструктивными и производственными вариациями, снижающими восприимчивость к радиационным повреждениям. Из-за обширных разработок и испытаний, необходимых для создания радиационно-стойкой конструкции микроэлектронного чипа, радиационно-стойкие чипы имеют тенденцию отставать от самых последних разработок.
Радиационно-стойкие продукты обычно испытываются на один или несколько тестов на результирующие эффекты, включая общую ионизирующую дозу (TID), усиленные эффекты низкой мощности дозы (ELDRS), повреждение нейтронным и протонным смещением и единичное событие эффекты.
Окружающая среда с высоким уровнем ионизирующего излучения создает особые проблемы при проектировании. Одна заряженная частица может выбить тысячи электронов, вызывая электронный шум и всплески сигнала. В случае цифровых схем это может привести к неточным или непонятным результатам. Это особенно серьезная проблема при проектировании спутников, космических кораблей, будущих квантовых компьютеров, военных самолетов, атомных электростанций и т. Д. ядерное оружие. Чтобы обеспечить надлежащую работу таких систем, производители интегральных схем и датчиков, предназначенных для военного или аэрокосмического рынков, используют различные методы радиационного упрочнения. Получающиеся в результате системы называются радиационно-усиленными, рад-жесткими или (в контексте) усиленными .
Типичными источниками воздействия ионизирующего излучения на электронику являются радиационные пояса Ван Аллена для спутников, ядерные реакторы на электростанциях для датчиков и цепей управления, ускорители частиц для управляющей электроники, в частности детектор частиц устройства, остаточное излучение от изотопов в упаковочных материалах для чипов, космическое излучение для космических аппаратов и высотных самолетов и ядерных взрывов для потенциально вся военная и гражданская электроника.
Имеются два основных механизма разрушения:
Смещение решетки вызывается нейтронами, протонами, альфа-частицами, тяжелыми ионами и очень высокой энергией гамма-фотоны. Они изменяют расположение атомов в кристаллической решетке, создавая длительные разрушения и увеличивая количество центров рекомбинации, истощая неосновных носителей и ухудшая аналог свойства поврежденных полупроводниковых переходов. Как это ни парадоксально, более высокие дозы за короткое время вызывают частичный отжиг («заживление») поврежденной решетки, что приводит к меньшей степени повреждения, чем при тех же дозах, доставляемых с низкой интенсивностью в течение длительного времени (LDR или Low Мощность дозы). Этот тип проблемы особенно важен в биполярных транзисторах, которые зависят от неосновных носителей в их основных областях; повышенные потери, вызванные рекомбинацией, вызывают потерю транзистора усиление (см. нейтронные эффекты). Компоненты, сертифицированные как не содержащие ELDRS (улучшенная чувствительность к низкой мощности дозы), не имеют повреждений при потоках ниже 0,01 рад (Si) / с = 36 рад (Si) / ч.
Эффекты ионизации вызываются заряженными частицами, в том числе теми, энергия которых слишком мала, чтобы вызывать эффекты решетки. Эффекты ионизации обычно временные, вызывая сбои и программные ошибки, но могут привести к разрушению устройства, если они запускают другие механизмы повреждения (например, защелкивание ). Фототок, вызванный ультрафиолетовым и рентгеновским излучением, также может принадлежать к этой категории. Постепенное накопление дырок в оксидном слое в MOSFET транзисторах приводит к ухудшению их характеристик, вплоть до выхода устройства из строя при достаточно высокой дозе (см. общие эффекты ионизирующей дозы).
Эффекты могут сильно различаться в зависимости от всех параметров - типа излучения, общей дозы и потока излучения, комбинации типов излучения и даже типа нагрузки устройства (рабочая частота, рабочее напряжение, фактическое состояние транзистора в тот момент, когда в него попадает частица), что затрудняет тщательное тестирование, отнимает много времени и требует большого количества тестовых образцов.
Эффекты "конечного пользователя" можно охарактеризовать в нескольких группах:
Нейтрон, взаимодействуя с решеткой полупроводника, будет перемещать его атомы. Это приводит к увеличению количества центров рекомбинации и дефектов глубокого уровня, сокращая время жизни неосновных носителей, что влияет на биполярные устройства больше, чем на CMOS.. Биполярные устройства на кремнии имеют тенденцию показывать изменения электрических параметров на уровне от 10 до 10 нейтронов / см², устройства CMOS не подвержены влиянию до 10 нейтронов / см². Чувствительность устройств может увеличиваться вместе с увеличением степени интеграции и уменьшением размеров отдельных структур. Также существует риск индуцированной радиоактивности, вызванной активацией нейтронов, которая является основным источником шума в приборах для астрофизики высоких энергий. Индуцированное излучение вместе с остаточным излучением от примесей в использованных материалах может вызывать всевозможные однократные проблемы в течение срока службы устройства. GaAs Светодиоды, распространенные в оптронах, очень чувствительны к нейтронам. Повреждение решетки влияет на частоту кварцевых генераторов . Сюда же относятся эффекты кинетической энергии (а именно смещение решетки) заряженных частиц.
Суммарное повреждение решетки полупроводника (повреждение решетки), вызванное ионизирующим излучением за время экспозиции. Он измеряется в рад и вызывает медленное постепенное снижение производительности устройства. Общая доза более 5000 рад, доставленная на кремниевые устройства за секунды или минуты, вызовет долговременную деградацию. В КМОП-устройствах излучение создает электронно-дырочные пары в изоляционных слоях затвора, которые вызывают фототоки во время их рекомбинации, а дырки, захваченные дефектами решетки в изоляторе, создают постоянное смещение затвора и влияют на пороговое напряжение транзисторов , что упрощает включение MOSFET-транзисторов N-типа и затрудняет включение P-типа. Накопленный заряд может быть достаточно высоким, чтобы транзисторы оставались постоянно открытыми (или закрытыми), что приводило к отказу устройства. Некоторое самовосстановление происходит со временем, но этот эффект не слишком значительный. Этот эффект аналогичен деградации горячих носителей в высокоскоростной электронике с высокой степенью интеграции. Кристаллические генераторы несколько чувствительны к дозам излучения, которые изменяют их частоту. Чувствительность можно значительно снизить, используя кварцевый генератор. Особенно чувствительны кристаллы природного кварца. Кривые радиационных характеристик для испытаний УИВ могут быть построены для всех процедур испытаний на результирующие эффекты. Эти кривые показывают тенденции производительности на протяжении всего процесса испытания TID и включены в отчет о радиационных испытаниях.
Кратковременный импульс высокой интенсивности излучения, обычно возникающий во время ядерного взрыва. Высокий поток излучения создает фототоки во всем корпусе полупроводника, заставляя транзисторы случайным образом открываться, изменяя логические состояния триггеров и ячеек памяти. Необратимое повреждение может произойти, если длительность импульса слишком велика, или если импульс вызывает повреждение перехода или защелкивание. Заклинивание обычно вызвано рентгеновским излучением и вспышкой гамма-излучения ядерного взрыва. Кварцевые генераторы могут перестать колебаться на время вспышки из-за быстрой фотопроводимости, индуцированной в кварце.
SGEMP вызваны вспышкой излучения, проходящей через оборудование и вызывающей локальную ионизацию и электрические токи в материале микросхем, печатных плат, электрических кабелей и корпусов.
Эффекты единичного события (SEE) широко изучаются с 1970-х годов. Когда частица высокой энергии проходит через полупроводник, она оставляет за собой ионизированный след . Эта ионизация может вызвать сильно локализованный эффект, аналогичный эффекту кратковременной дозы - доброкачественный сбой на выходе, менее благоприятное переключение битов в памяти или в регистре или, особенно в транзисторах большой мощности <242.>, деструктивная схватка и выгорание. Эффекты единичного события имеют большое значение для электроники в спутниках, самолетах и других гражданских и военных аэрокосмических приложениях. Иногда в схемах, не использующих защелки, полезно вводить схемы RC постоянной времени, которые замедляют время реакции схемы сверх продолжительности SEE.
SET происходит, когда заряд, собранный в результате ионизации, разряжается в виде паразитного сигнала, проходящего через цепь. Де-факто это эффект электростатического разряда. Мягкая ошибка, обратимая.
Одноразовое нарушение (SEU) или переходные радиационные эффекты в электронике - это изменения состояния битов памяти или регистра, вызванные взаимодействием одного иона с чип. Они не вызывают длительного повреждения устройства, но могут вызвать длительные проблемы в системе, которая не может восстановиться после такой ошибки. Мягкая ошибка, обратимая. В очень чувствительных устройствах один ион может вызвать (MBU) в нескольких соседних ячейках памяти. SEU могут стать функциональными прерываниями с одним событием (SEFI ), когда они нарушают схемы управления, такие как конечные автоматы, переводя устройство в неопределенное состояние, a, или остановка, для восстановления которой потребуется сброс или цикл питания.
SEL может происходить в любой микросхеме с паразитной структурой PNPN. Тяжелый ион или протон с высокой энергией, проходя через один из двух переходов внутреннего транзистора, могут включить тиристор -подобную структуру, которая затем остается «закороченной » (известный эффект как фиксация), пока устройство не будет выключено и снова выключено. Поскольку эффект может возникать между источником питания и подложкой, может возникнуть разрушительно высокий ток, и деталь может выйти из строя. Серьезная ошибка, необратимая. Наиболее восприимчивы к этому массовые устройства CMOS.
Возврат по одному событию аналогичен SEL, но не требует структуры PNPN, может быть индуцирован в N-канальных МОП-транзисторах, переключающих большие токи, когда ион попадает около дренажный переход и вызывает лавинное размножение носителей заряда. Затем транзистор открывается и остается открытым. Серьезная ошибка, необратимая.
SEB может произойти в силовых полевых МОП-транзисторах, когда подложка прямо под областью истока смещена в прямом направлении, а напряжение сток-исток выше, чем напряжение пробоя паразитного конструкции. Возникающий в результате высокий ток и локальный перегрев могут привести к выходу устройства из строя. Серьезная ошибка, необратимая.
SEGR наблюдался в силовых полевых МОП-транзисторах, когда тяжелый ион ударяет в область затвора, когда на затвор подается высокое напряжение. Затем происходит локальный пробой в изолирующем слое диоксида кремния, вызывая локальный перегрев и разрушение (похожее на микроскопический взрыв ) области затвора. Это может происходить даже в ячейках EEPROM во время записи или стирания, когда ячейки подвергаются воздействию сравнительно высокого напряжения. Серьезная ошибка, необратимая.
В то время как пучки протонов широко используются для тестирования SEE из-за доступности, при более низких энергиях облучение протонами часто может недооценивать восприимчивость к SEE. Кроме того, пучки протонов подвергают устройства риску выхода из строя общей ионизирующей дозы (TID), что может омрачить результаты тестирования протонов или привести к преждевременному отказу устройства. Пучки белых нейтронов - якобы наиболее представительный метод испытаний ИРИ - обычно получают из источников на твердой мишени, что приводит к неравномерности потока и малым площадям пучка. Пучки белых нейтронов также имеют некоторую неопределенность в своем энергетическом спектре, часто с высоким содержанием тепловых нейтронов.
Недостатков источников как протонных, так и отщепляющих нейтронов можно избежать, используя моноэнергетические нейтроны с энергией 14 МэВ для испытаний SEE. Потенциальная проблема заключается в том, что индуцированные моноэнергетическими нейтронами эффекты единичного события не будут точно отражать реальные эффекты атмосферных нейтронов широкого спектра. Однако недавние исследования показали, что, наоборот, моноэнергетические нейтроны - особенно нейтроны с энергией 14 МэВ - могут быть использованы для довольно точного понимания сечений ИРИ в современной микроэлектронике.
Особое интересное исследование, проведенное в 2010 году Нормандом и Домиником, убедительно демонстрирует эффективность нейтронов с энергией 14 МэВ.
Радиационно-упрочненный штамп микроконтроллера 1886VE10 до металлизации травления 
Радиационная стойкость кристалл микроконтроллера 1886VE10 после использования процесса металлизации травления Закаленные чипы часто изготавливаются на изолирующих подложках вместо обычных полупроводников пластин. Обычно используются кремний на изоляторе (SOI ) и кремний на сапфире (SOS ). В то время как обычные промышленные микросхемы могут выдерживать от 50 до 100 серого (от 5 до 10 крад), чипы SOI и SOS космического класса могут выдерживать дозы, на много порядков большие. В свое время многие чипы 4000 серии были доступны в радиационно-стойких версиях (RadHard). Хотя SOI исключает события защелкивания, повышение жесткости TID и SEE не гарантируется.
Биполярные интегральные схемы обычно имеют более высокую радиационную стойкость, чем схемы CMOS. Маломощные устройства Schottky (LS) серии 5400 могут выдерживать 1000 крад, а многие устройства ECL могут выдерживать 10000 крад.
Магниторезистивное RAM, или MRAM, считается вероятным кандидатом на обеспечение радиационно-стойкой, перезаписываемой энергонезависимой памяти проводника. Физические принципы и первые тесты показывают, что MRAM не подвержен потере данных, вызванной ионизацией.
Экранирование упаковки от радиоактивности для уменьшения воздействия на неизолированное устройство.
Конденсатор на основе DRAM часто заменяется более прочным (но большим и дорогим) SRAM.
Выбор подложки с широкой запрещенной зоной , что делает его более устойчивым к дефектам глубокого уровня; например карбид кремния или нитрид галлия.
Защита самих стружек с помощью обедненного бора (состоящего только из изотопа бор-11) в борофосфосиликатном стекле пассивирующий слой, защищающий микросхемы, поскольку преобладающий в природе бор-10 легко захватывает нейтроны и подвергается альфа-распаду (см. мягкая ошибка ).
Использование более крупного технологического узла , чем обычно, для повышения радиационной стойкости.
Память с коррекцией ошибок (память ECC) использует дополнительные биты четности для проверки и возможного исправления поврежденных данных. Поскольку воздействие излучения повреждает содержимое памяти, даже когда система не обращается к ОЗУ, схема «скруббер » должна постоянно проверять ОЗУ; считывание данных, проверка четности на наличие ошибок данных, а затем обратная запись любых исправлений в ОЗУ.
Избыточные элементы могут использоваться на системном уровне. Три отдельные платы микропроцессора могут независимо вычислять ответ на вычисление и сравнивать свои ответы. Любая система, которая дает меньший результат, будет пересчитана. Можно добавить такую логику, что если в одной и той же системе происходят повторяющиеся ошибки, эта плата отключается.
Резервные элементы могут использоваться на уровне схемы. Один бит может быть заменен тремя битами и отдельной «логикой голосования » для каждого бита, чтобы непрерывно определять его результат (тройная модульная избыточность ). Это увеличивает площадь конструкции микросхемы в 5 раз, поэтому ее следует зарезервировать для небольших конструкций. Но у него есть вторичное преимущество, заключающееся в том, что он "отказоустойчив" в реальном времени. В случае отказа одного бита (который может быть не связан с излучением) логика голосования будет продолжать давать правильный результат, не прибегая к сторожевому таймеру . Голосование на системном уровне между тремя отдельными процессорами обычно требует использования некоторой логики голосования на уровне схемы для проведения голосования между тремя процессорами.
Могут использоваться усиленные защелки.
Сторожевой таймер выполнит полный сброс системы, если не будет выполнена некоторая последовательность, которая обычно указывает на то, что система работает, например, операция записи с бортового устройства процессор. Во время нормальной работы программное обеспечение планирует запись в сторожевой таймер через равные промежутки времени, чтобы предотвратить истечение таймера. Если радиация приводит к неправильной работе процессора, маловероятно, что программное обеспечение будет работать достаточно правильно, чтобы сбросить сторожевой таймер. В конечном итоге сторожевой таймер завершает работу и выполняет полную перезагрузку системы. Это считается крайней мерой по сравнению с другими методами радиационной защиты.
Радиационно-стойкие и радиационно стойкие компоненты часто используются в военных и аэрокосмических приложениях, в том числе в точках нагрузки (POL), источниках питания спутниковых систем, ступенчатых импульсные регуляторы вниз , микропроцессоры, FPGA, FPGA источники питания, а также высокоэффективные низковольтные источники питания подсистем.
Однако не все компоненты военного назначения защищены от радиации. Например, в стандарте US MIL-STD-883 имеется множество тестов, связанных с излучением, но нет спецификации для частоты фиксации одного события. Фобос-Грунт, возможно, вышел из строя из-за аналогичного предположения.
В телекоммуникациях термин ядерная стойкость имеет следующие значения: 1) выражение степени, в которой ожидается ухудшение характеристик системы, установки или устройства в данной ядерной среде, 2) физических атрибутов системы или электронный компонент, который позволит выжить в среде, содержащей ядерное излучение и электромагнитные импульсы (ЭМИ).
.
Портал электроники 