Capítulo 3 Efectos de la radiación

Capítulo 3
Efectos de la radiación
“Todo lo que nace proviene necesariamente de una causa; pues sin
causa nada puede tener origen”
-
Platón, filósofo griego
Ya se han comentado en el capítulo anterior las principales fuentes de
radiación que pueden afectar a los circuitos electrónicos y causarles
malfuncionamientos. A continuación se mostrarán clasificadamente los distintos
efectos que pueden provocar estas partículas radiactivas sobre los dispositivos,
distinguiendo entre efectos transitorios y permanentes, destacando entre los
primeros los SEEs, ya que serán el objeto de estudio del proyecto.
1. Efectos permanentes
La exposición permanente a la radiación produce en el dispositivo
cambios a largo plazo en sus características que pueden desembocar en fallos
funcionales. La ráfaga ionizante impacta en primer lugar en las capas aislantes,
en la cual puede quedar atrapada carga o dejar marcas superficiales. La
pérdida de energía no ionizante provoca daños tanto en la región aislante como
en la semiconductora. En las tecnologías antiguas, estos efectos estaban bien
descritos mediante una representación espacialmente uniforme de la cantidad
de energía acumulada. La fiabilidad de esta descripción descansaba en que la
gran longitud de los dispositivos permitía promediar la energía depositada por
Departamento de Ingeniería Electrónica
Página 15
Efectos de la radiación
partículas individuales o fotones. Sin embargo, con los dispositivos menores de
130 nm esta aproximación no es posible.
La carga atrapada en el óxido ( N ot ), es debida a las cargas inducidas por
la radiación, típicamente positivas, que son relativamente estables. En óxidos
de puerta muy finos y de alta calidad, los efectos de la carga atrapada en el
óxido son mínimos debido al pequeño volumen en el cual la carga es generada
y la facilidad con la cual puede penetrar a través del óxido [Turow04].
La radiación ionizante también provoca la aparición de carga atrapada
( N it ) en los límites del semiconductor y el aislante que intercambia carga con el
semiconductor en períodos de tiempo relativamente cortos. En los MOSFET,
este fenómeno extiende la curva I-V característica y reduce la movilidad en la
capa de inversión. En los BJT, la ganancia en intensidad decrece en la misma
proporción en la que crece la superficie de recombinación de carga
mencionada [Schrim04].
La energía no ionizante depositada por la radiación de las partículas,
desplaza átomos y crea defectos eléctricamente activos. Estos defectos
reducen la vida y la movilidad de los portadores, cambia su densidad e
incrementa las transiciones no radiactivas en los dispositivos ópticos. Los
dispositivos con portadores minoritarios son especialmente susceptibles al
daño por desplazamiento.
2. Efectos transitorios
Mientras que los circuitos integrados se han vuelto más resistentes a los
efectos permanentes anteriormente nombrados a medida que han ido
evolucionando, principalmente debido a las reducciones en el grosor del óxido
de puerta y el incremento de las densidades de dopado, las reducidas
dimensiones de los dispositivos y los cambios tecnológicos que hacen esto
posible han hecho que sean mucho más sensibles a los efectos transitorios de
la radiación [Dodd03]. Los efectos transitorios pueden estar causados por
partículas ionizantes (SEE) o por una alta exposición a una radiación ionizante
(radiación γ ).
Los SEEs (Single Event Effects), ya se comentaron en el capítulo anterior
y serán motivo de discusión más adelante, ya que van a ser éstos los efectos a
estudiar a lo largo del proyecto. Su importancia radica en que son el mayor
problema de la electrónica que opera en el espacio y, debido a la disminución
Departamento de Ingeniería Electrónica
Página 16
Efectos de la radiación
de la tecnología de fabricación, su impacto ha de ser tenido en cuenta hoy día
en aviación e incluso en dispositivos que operen al nivel del mar. La carga
depositada por una sola partícula ionizante puede producir un amplio rango de
efectos, comentados en el capítulo anterior. En general, la sensibilidad de los
dispositivos frente a SEEs aumenta a medida que las dimensiones de los
mismos decrecen y la velocidad del circuito crece [Dodd04]. Estos efectos
pueden producirse debido a una ionización directa o a través de partículas
resultantes de reacciones nucleares o colisiones elásticas. Las tablas 2 y 3
recogen los distintos tipos de SEEs y una breve descripción de los mismos.
Tipo SEE
Efecto
Módulos afectados
SEU
Corrupción de la información almacenada
en un elemento de memoria
Memorias, latches en dispositivos
lógicos
MBU
Varios elementos de memoria
corrompidos por una solo partícula
Memorias, latches en dispositivos
lógicos
SEFI
Funcionamiento anormal
Dispositivos complejos con secciones
de control de estados
SED
Corrupción momentánea de la
información almacenada en un bit
Lógica combinacional, latches en
dispositivos lógicos
SHE
Elemento de memoria que permanece
inalterado
Lógica combinacional, latches en
dispositivos lógicos
SET
Respuesta impulsiva de cierta amplitud y
duración
Circuitos analógicos y de Señal Mixta,
dispositivos fotónicos
Tabla 3.1: SEEs no destructivos
Tipo SEE
Efecto
Dispositivos afectados
SEL
Conducen mucha corriente
CMOS, BiCMOS
SESB
Conducen mucha corriente
N-MOSFET, SOI
SEB
Destrucción del dispositivo
BJT, MOSFET de potencia de canal n
SEGR
Ruptura del dieléctrico de la puerta
MOSFETs de potencia
SEDR
Ruptura del dieléctrico
Estructuras nMOS, FPGAs
Tabla 3.2: SEEs destructivos
En un entorno altamente radiactivo, la energía es generada de manera
relativamente uniforme a lo largo del circuito. Las corrientes resultantes pueden
producir efectos tales como ruptura de las líneas de metal o cambios de estado
en celdas de memoria [Mass86]. En función de los requerimientos del sistema,
Departamento de Ingeniería Electrónica
Página 17
Efectos de la radiación
podría ser necesario operar sobre el flujo radiante o prevenirlo apagando de
forma temporal el sistema.
2.1.
SEEs (Single Event Effects)
Los SEEs, o efectos producidos por eventos singulares, se deben a
partículas energéticas aisladas que impactan sobre el circuito produciendo
errores. Como se ha comentado, son estos eventos singulares los que van a
ser objeto de estudio en este proyecto, debido a que los circuitos son cada vez
más sensibles a ellos. Existen una gran cantidad de ellos, pero a continuación
detallaremos los que ocurren con más probabilidad.
Para prevenir estos efectos, al contrario de lo que ocurre con los errores
permanentes, una protección material no es tan efectiva, y hay que recurrir a
técnicas de detección y corrección. Sin embargo, existen técnicas orientadas a
la protección frente a SEEs que se basan en intentar reducir la cantidad de
carga inducida mediante el uso de sustratos SOI (Silicon-On-Insulator) [Mus96]
[Colin97] [Davis85].
Single Event Upset (SEU)
Los SEUs son errores inducidos por la radiación en circuitos
microelectrónicas cuando partículas cargadas (normalmente procedentes de
anillos de radiación o rayos cósmicos) pierden energía por ionización del medio
a través del cual pasan, dejando en su rastro pares de electrón – hueco.
Pueden estar causados por protones altamente energéticos o por iones
pesados. Estos últimos provocan una ionización directa en el dispositivo,
mientras que los primeros contribuyen a aumentar la frecuencia con la que
ocurren. En el caso que tecnología de fabricación esté por debajo de 0.3 μm,
los protones pueden inducir SEUs por ionización directa. Esto no suele ser
normal (aunque con las nuevas tecnologías de fabricación cada vez lo es más),
sino que los protones suelen inducir este tipo de errores mediante complejas
reacciones nucleares en las proximidades del nodo sensible [Bend83].
Se trata de errores transitorios y no destructivos. Un reseteo o re-escritura
del dispositivo podría ser una solución satisfactoria del problema, y permitiría
que posteriormente el dispositivo funcionara normalmente. Puede afectar tanto
a componentes analógicos como a digitales u ópticos. Normalmente se
manifiestan como variaciones en las celdas de memoria o en los registros.
Departamento de Ingeniería Electrónica
Página 18
Efectos de la radiación
También puede darse el caso de que un SEU afecte de forma simultánea a
varios registros, alterando así el contenido de los mismos.
Single Event Latchup (SEL)
Latchup es un estado de baja resistividad que puede ocurrir debido a
distintas estructuras de semiconductores que se encuentran interconectadas
entre sí. En las figuras 3.1 y 3.2 podemos apreciar el modelo de esta fenómeno
y su curva tensión – intensidad.
Figura 3.1: Modelo de dos transistores de un latchup en una estructura CMOS
Figura 3.2: Característica tensión - intensidad
Podemos apreciar en la figura 3.2 que la curva discontinua representa una
zona de resistencia negativa, que viene dada como consecuencia de aplicar
Departamento de Ingeniería Electrónica
Página 19
Efectos de la radiación
una tensión muy grande a la estructura. Sin embargo, no sólo una alta tensión
puede provocar este estado; un ión pesado puede ser el causante [Johns96].
Los SELs son eventos que causan la pérdida de funcionalidad del
dispositivo. Son errores destructivos, que si no son detectados a tiempo
pueden causar un daño permanente en el dispositivo. Normalmente estos
errores se manifiestan por un alto consumo de corriente del aparato, por
encima de las especificaciones del mismo. Cuando esta condición se hace
evidente, la solución debe ser cortar la alimentación de forma inmediata, ya que
de lo contrario el dispositivo o la fuente de alimentación pueden quedar
seriamente dañados.
La distribución de cargas en este tipo de efectos es bastante distinta de la
que podemos encontrar en el caso de los SEUs, como se aprecia en la figura
3.3. En el caso de los SEU, la carga almacenada se encuentra en la superficie,
mientras que en el caso de los SELs, ésta se encuentra en la unión del pozo
con el sustrato, localizado de 3-6 μm por debajo de la superficie.
Figura 3.3: Distribución de cargas en SEUs y SELs en una estructura CMOS
En un principio, se consideraba que estos eventos sólo podían estar
causados por iones pesados, sin embargo, en dispositivos altamente sensibles
los protones pueden inducir este tipo de errores [Bend83]. Es un tipo de fallo
muy sensible a la temperatura, ya que el umbral para que ocurra decrece
mucho a altas temperaturas, a la vez que aumenta el rango que abarca.
Single Event Transient (SET)
Los SETs se manifiestan como pequeños picos (glitches) que se producen
en la salida de las puertas lógicas.
Son causados por partículas ionizadas que pasan a través de uniones p-n.
Aunque son temporales, pueden desembocar en fallos más permanentes, si su
Departamento de Ingeniería Electrónica
Página 20
Efectos de la radiación
error coincide con el instante de captura de una celda de memoria, por ejemplo,
o disparando acciones indeseadas, como resets.
La causa es la misma que en los SEUs, la diferencia es que en estos
últimos el efecto es más acusado puesto que modifican el valor de una celda
de memoria.
2.1.1. Inmunidad del dispositivo
La inmunidad de un dispositivo frente a SEEs depende de su LETth (linear
energy transfer threshold). Se define como el mínimo LET capaz de causar un
SEE en un flujo de partículas de 107 iones/cm2. El LETth es normalmente menor
a medida que el dispositivo acumula TID [Label94].
Como hemos comentado en numerosas ocasiones a lo largo del escrito, la
tendencia actual en fabricación de dispositivos microelectrónicos hace que los
dispositivos sean más inmunes a SEUs. Esto se demuestra fácilmente si uno
considera el dispositivo como un simple condensador con capacidad C en el
que una partícula deposita una carga Q capaz de inducir un cambio en la
tensión. Un SEU ocurre cuando LET > Qcrit . Considerando LETth como el LET
necesario para producir un incremento de tensión ( ΔV ) suficiente para un SEU,
tenemos que:
LETth ∝ ΔV = Q / C
Así pues, a medida que el tamaño de estos dispositivos decrece, también
lo hace su capacidad, y por tanto también lo hará la carga necesaria para
inducir un SEU. Así como el ancho y largo de los dispositivos ha disminuido, la
profundidad de los mismos normalmente ha permanecido invariante, por tanto
podemos afirmar que esta aproximación se acerca bastante a la realidad. De
esta forma, si consideramos un dispositivo cuadrado con unas dimensiones de
L × L , podemos decir que la carga crítica, Qcrit , es proporcional a la superficie
de este cuadrado.
Qcrit ∝ L2
Se define la carga crítica como la carga necesaria para cambiar de un “1”
a un “0” o viceversa, pero es menor que la carga total acumulada. Así pues,
Qcrit también se puede definir como la diferencia entre la carga almacenada en
el nodo y la carga mínima requerida para leer el dato correctamente.
Departamento de Ingeniería Electrónica
Página 21