Durcissement et test de dispositifs semi-conducteurs dans l'espace environnement de rayonnement
L'espace est un environnement difficile, notamment en raison du rayonnement intense rencontré dans presque tous les profils de mission. Pour comprendre les effets des rayonnements sur les systèmes et les composants électroniques, il est utile d'examiner d'abord la source du rayonnement.
Le rayonnement dans l'espace compose principalement d'électrons, des protons et des ions lourds énergétiques. Ces particules énergétiques modérées sont pour la plupart une partie du vent solaire et sont anisotropes. Superposée à ce flux de particules sont très galactiques de haute énergie et les ions extragalactiques lourds, qui sont isotropes.
Les pièges de champ magnétique de la Terre particules d'énergie modérée (électrons et protons) dans les courroies van Allen. En fonction de l'orbite du satellite, les ceintures provoqueront la plupart des dommages aux rayonnements ionisants. La magnétosphère affecte les protons à haute énergie et des ions lourds ainsi, mais ils sont beaucoup plus difficiles à piéger.
Alors, comment ces particules interagissent avec les matériaux utilisés dans les appareils électroniques? les électrons et les protons solaires sont très abondants et provoquent l'ionisation dans les matériaux. Dans un modèle simplifié, ces particules chargées de générer des paires trou-électron dans les oxydes thermiques utilisés dans les circuits intégrés.
La mobilité des électrons dans ces oxydes est très élevé, et le champ électrique appliqué balaie les électrons de l'oxyde dans picosecondes. La mobilité des trous est beaucoup moins, donc une proportion beaucoup plus élevée de trous est piégé. Le résultat net de cette dynamique de piégeage asymétrique est en charge de volume positif, avec des effets graves sur les caractéristiques des deux dispositifs bipolaires et MOS.
test électronique et le proton est pratique et très cher, cependant, de sorte que la communauté spatiale a toujours utilisé les rayons gamma pour les essais au sol. C'est une simulation, mais nous avons 50 ans de corrélation et une grande confiance en utilisant des photons de haute énergie pour prédire la réponse d'une partie des particules chargées. 60 Co est une source de rayons gamma peu coûteux et est largement utilisé pour les tests « dose totale », où le débit de dose a finalement été trouvé à jouer un rôle majeur.
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Un test à faible débit de dose de 100 krad (Si) prend 20 semaines, ce qui allonge les horaires et augmente les coûts de dépistage. dureté faible débit de dose est devenue une question importante assurance de dureté (HA), avec de nombreux utilisateurs en insistant sur les tests à taux faible dose sur une base de la caractérisation ou l'acceptation et l'essai à dose passer au second plan à haut débit.
Les effets des particules d'énergie plus faible abondance sont uniformes à travers le volume de la puce à semi-conducteur, tandis que les moins abondants ions lourds de haute énergie (connu quelque peu de façon incorrecte comme les rayons cosmiques) provoquent des effets d'événement unique, défini comme l'interaction d'un unique énergique ions avec un dispositif de silicium.
Ces particules de haute énergie perdent de l'énergie lors de leur passage à travers le réseau à semi-conducteur, générant une piste dense de paires trou-électron (Fig. 2). La charge résultante sera recueillie par des jonctions polarisées en inverse et sera converti en une impulsion de tension. Cette charge collectée peut modifier la tension sur les noeuds sensibles, ce qui peut affecter le fonctionnement du circuit.
2. Une vue en coupe transversale schématique d'un dispositif MOS montre l'interaction d'un ion lourd énergétique avec la structure du dispositif. Notez la piste de particules entrant, la région d'entonnoir, et la collecte de la charge générée par le drain de polarisation inverse à la jonction du corps. (Courtoisie du CERN)
effets d'événement unique (EES) peuvent être divisés en phénomènes destructeurs et non destructives. effets non destructifs incluent bit bascule, les interruptions fonctionnelles dans des applications numériques et des transitoires sur les sorties des fonctions analogiques. Les retournements de bits peuvent être corrigées par une réécriture ou un redémarrage, mais transitoires unique sont particulièrement difficiles à traiter dans les applications de gestion de l'alimentation.
effets destructeurs comprennent latchup, épuisement professionnel, et la rupture d'oxyde de grille MOS, qui peuvent tous entraîner des dommages permanents, pièces non fonctionnelles, et l'échec possible de la mission. L'unité la plus utilisée dans le travail de SEE est le transfert d'énergie linéaire (LET) de l'ion entrant, ce qui correspond à la perte d'énergie (dE / dx) par longueur de plage de l'unité pour une densité de matériau donné et est exprimé en MeVcm 2 / mg. Effets d'ions lourds sont généralement simulés en utilisant un cyclotron comme une source de faisceau d'ions.
Blindage, ensuite, est inefficace lorsque l'énergie des particules peut être dans la gamme giga-électron-volt (GeV). Il filtre la fin basse énergie du spectre seulement. Le flux d'ions à haute énergie est pas affectée, et l'atténuation doit donc être effectuée au niveau des composants et de systèmes.
Durcissement Semiconductor Devices
Durcissement des systèmes spatiaux à dose totale de rayonnements ionisants et nécessite une attention à EES tous leurs niveaux. La dose totale d'ionisation provoque une dégradation paramétrique dans des parties semi-conductrices, ce qui est particulièrement difficile pour les parties analogiques bipolaires dans l'environnement à taux faible dose.
transitoires d'événement unique (fixe) dans les chaînes de signaux analogiques en temps continu peuvent provoquer des perturbations de l'inexactitude et le système. Ces transitoires peuvent être filtrés à l'aide des fonctions de filtre passe-bas, mais la durée transitoire doit être faible pour que cette approche soit efficace.
A titre d'exemple d'un amplificateur opérationnel durci avec SET et des performances supérieures de la dose totale, l'amplificateur opérationnel quadruple ISL70444SEH est optimisé pour une gamme dynamique maximale d'entrée rail à rail et la plage de signal de sortie, et la réponse prévisible SET. Il est conçu pour fonctionner sur une plage d'alimentation unique de 3 V à 36 V ou une plage de tension d'alimentation de division de ± 1,5 V à ± 18 V. Il a démontré d'excellentes performances dans la dose totale et SEE environnements, y compris à faible et à haut tests de dose totale du débit de dose et d'essai de SEE destructrice et non destructive. 1
En règle générale, les formes d'ondes de réglage sont obtenus à une LET de 86,4 MeV.cm 2 / mg. Superposant un certain nombre de ces formes d'onde tracées sur un ensemble commun d'axes forme une « enveloppe » qui permet d'évaluer en bref (Fig. 3). Le ISL70444SEH est construit en utilisant le Intersil PR40 diélectriquement isolé (DI) Processus bipolaire complémentaire, qui a montré une excellente dose totale et la dureté VOIR. 2
La structure passive isolé élimine un seul événement latchup et prend en charge des transistors PNP verticaux à la place des dispositifs latéraux plus couramment utilisés. La sensibilité de la dose totale de dispositifs latéraux est bien connue. Le processus est PR40 Les fabricants qualifiés Liste (QML) et certifié dans le volume de la production commerciale. Le ISL70444SEH est disponible dans un flatpack céramique hermétique 14 de plomb et est spécifiée à partir de -55 ° C à 125 ° C.
Dans un deuxième exemple, considérons un composant de gestion de puissance qui offre des performances améliorées à la fois la dose totale de rayonnements ionisants et des environnements SEE. Le ISL75052SEH est un régulateur de rayonnement durci, à faible chute de sortie unique (LDO) destinée à basse tension, des applications à courant fort tels que la gestion de puissance FPGA. Il est spécifié pour un courant de sortie de 1,5 A sur une plage de tension d'entrée de 4,0 V à 13,2 V et une plage de tension de sortie de 0,6 V à 12,7 V.
L'utilisation d'un transistor de transfert de type MOSFET à canal P permet des tensions de décrochage aussi faibles que 75 mV typique (à 0,5 A). Lorsqu'il est activé, le ISL75052SEH fonctionne avec un faible courant de terre de 11 mA (typique), ce qui assure un fonctionnement à faible consommation d'énergie au repos. Le dispositif est stable avec des condensateurs de tantale aussi bas que 47 pF (KEMET série T525) et fournit une excellente régulation de tension de zéro à la pleine charge.
Le ISL75052SEH est conçu pour un fonctionnement prévisible dans l'environnement de voir, y compris grandeur de sortie réduite transitoire d'événement unique (SET). Des tests approfondis de SEE a été réalisée au Texas AM University. La partie 3 a également montré une excellente stabilité sur 60 Co irradiation à 150 krad (Si) à des doses faibles et élevées. 4 Il est construit dans le processus Intersil P6, un processus BiCMOS submicroniques optimisé pour les applications de gestion de l'alimentation.
Disponible dans une flatpack céramique hermétique 16 plomb et sous forme de puce, le ISL75052SEH offre des performances garanties sur toute -55 ° C à 125 ° C plage de température militaire.