mercoledì 10 marzo 2021

SGS va nello spazio 2/4

 

Tecnologie e sviluppi Rad-Hard in ST – 
 rev 10/3/2021

Introduzione

Il potenziamento dei dispositivi per resistere alla TID (Total Ionization Dose), è una delle sfide tecnologiche più interessanti, perché fornisce un quadro chiaro sui problemi che i progettisti devono affrontare durante lo sviluppo dei loro schemi circuitali e layout per applicazioni rad-hard.

Data l'ampia varietà di tipologie di radiazioni ed effetti dei dispositivi, il processo di irrobustimento deve essere fatto separatamente e dettagliato caso per caso, considerando attentamente anche le condizioni di lavoro del circuito e ovviamente i costi di realizzazione.

Tuttavia, ci sono regole generali che il progettista deve seguire e che si devono considerare bene in quasi tutte le circostanze.

La radiazione influenza il comportamento dei dispositivi a semiconduttore per mezzo di due fenomeni principali:
1. Displacement;
2. Ionizzazione.
Il displacement (spostamento) modifica la disposizione degli atomi nel reticolo, influenzando, in questo modo, la struttura del semiconduttore. Crea centri di ricombinazione che riducono la vita dei portatori di minoranza; per questo motivo, i dispositivi bipolari sono più colpiti di quelli CMOS da questo tipo di danno, poiché i BJT dipendono dalla concentrazione di portatori minoritari nella regione di base per il loro guadagno di corrente, subendo quindi una riduzione di questo parametro.

I danni da ionizzazione possono essere dovuti agli effetti di una singola particella che impatta sul materiale (Single Event Effects o SEE), oppure agli effetti cumulati, nel tempo, della radiazione (Total Ionizing Dose o TID).

Il SEE può essere suddiviso in SEU (Single Event Upset), che è la modifica temporanea dello stato di una porta logica o di un elemento di memoria, e SEL (Single Event Latch-up). A seconda della tecnologia utilizzata, l'eliminazione della struttura SCR parassita può essere ottenuta con strutture di layout dedicate o utilizzando un substrato SOI. 

Gli effetti di un singolo evento sono dovuti all'energia depositata da una singola particella nel dispositivo elettronico. Pertanto, possono verificarsi in qualsiasi momento e la loro probabilità è espressa in termini di sezione trasversale (cross-section). Un dispositivo sensibile alla SEE può presentare guasti in qualsiasi momento dall'inizio del suo funzionamento in un ambiente con radiazioni. La SEE può essere suddivisa in due categorie principali: effetti distruttivi e non distruttivi.

I seguenti effetti possono essere classificati come "effetti non distruttivi": Single Event Upset (SEU), Single Event Failure Interrupt (SEFI) e Single Event Transient (SET).

I seguenti effetti possono essere classificati come "effetti distruttivi": Single Event Latch-Up (SEL), Single Event Burn-Out (SEBO), Single Event Gate Rupture (SEGR), Single Event Snapback (SES), Single Event Dielectric Rupture (SEDR), Errore hardware a evento singolo (SEHE).

Questi eventi distruttivi sono spesso innescati da ioni pesanti, poiché l'energia che deve essere depositata per avviare l'evento è in generale più alta che per SEU. Tuttavia, la soglia di alcuni dispositivi per uno di questi effetti distruttivi può essere sufficientemente bassa da mettere in pericolo la sua sopravvivenza in un ambiente di radiazioni "più benigno" dove sono assenti gli ioni pesanti.

Il TID, creando coppie elettrone-lacuna negli ossidi, porta alla variazione della tensione di soglia a correnti di dispersione nei componenti MOS e alla riduzione del guadagno di corrente nei BJT.

Gli effetti della dose ionizzante totale (TID) sono un tipico caso di effetti cumulativi. La dose di ionizzazione viene depositata dalle particelle che attraversano i materiali costituenti i dispositivi elettronici. Ciò accade durante tutto il tempo in cui il dispositivo è esposto alle radiazioni.

La TID è la misura della dose, ovvero l'energia, depositata nel materiale di interesse dalla radiazione sotto forma di energia di ionizzazione.


L’azione principale degli effetti TID è la deposizione di energia nel biossido di silicio, perché le coppie elettrone-lacuna create in questo materiale non si ricombinano completamente in un tempo molto breve. In presenza di un campo elettrico nell'ossido, una grande quantità delle coppie non si ricombina e sia gli elettroni che le lacune iniziano a spostarsi nel campo elettrico. Gli elettroni, che hanno una mobilità molto più elevata, possono facilmente lasciare l'ossido. Invece le lacune possono essere intrappolate nei difetti dell'ossido. Inoltre, questo processo può creare (o meglio attivare) difetti all'interfaccia di ossido di silicio. L'accumulo di carica e l'attivazione di difetti sono i due motivi del degrado del dispositivo indotto da TID.

Nei componenti MOS queste degradazioni consistono principalmente in uno spostamento della soglia Vth e in una corrente di dispersione (leakage). I due tipi di effetti, la cattura delle lacune e la creazione di stati di interfaccia, hanno una dinamica molto diversa. Le lacune vengono intrappolate molto rapidamente e possono essere “liberate” dall'energia termica (questo è il fenomeno dell’annealing). Pertanto, aumentare la temperatura è un buon metodo per liberare la carica intrappolata. Gli stati dell'interfaccia mostrano invece una formazione lenta e non c’è annealing a temperature inferiori a circa 400 °C.

Gli effetti TID nei dispositivi bipolari sono anche dovuti all'intrappolamento di carica nell'ossido e alla creazione di stati di interfaccia. Gli effetti possono essere ricompresi in due categorie:

1) inversione del silicio sotto un ossido spesso, aprendo un canale conduttivo,

2) effetti che diminuiscono il guadagno del transistor.

Il TID agisce sul guadagno aumentando la componente superficiale della corrente di base, è principalmente dovuto ad un aumento degli stati di interfaccia alla superficie della base e ad un accumulo di carica positiva vicino alla giunzione emettitore-base (entrambi aumentando il tasso di ricombinazione del drogante minoritario). La corrente di base in eccesso è in generale l'effetto dominante, a corrente di collettore costante.

La sensibilità è maggiore a livelli di iniezione inferiori, poiché in questo caso c'è una maggiore sensibilità ai fenomeni superficiali. In questo caso, è possibile definire l'effetto ELDR (Enhanced Low Dose Rate Sensitivity).

Questo effetto sembra verificarsi per un campo elettrico vicino allo zero nell'ossido durante l'irradiazione e la densità netta delle lacune intrappolate è più alta a bassa velocità.

 


·       Un esempio di sviluppi per il CERN

3A POSITIVE LOW DROP VOLTAGE REGULATOR WITH INHIBIT FUNCTION

Una delle maggiori sfide scientifiche è fare ipotesi appropriate sull'origine dell’universo.

Ciò può essere ottenuto con studi teorici e soprattutto con la sperimentazione scientifica che coinvolge l'infinitamente piccolo, cioè la struttura della materia.

Si possono seguire due percorsi: l'esame della struttura in laboratori speciali (fisica delle alte energie), e l’esplorazione dello spazio. Entrambi gli studi dovrebbero fornire informazioni sull'origine dei fenomeni dopo il Big Bang.

L’approccio sperimentale richiede un'elettronica robusta e si descrivono due regolatori che, con opportune validazioni, possono funzionare in entrambe le applicazioni.

Sono stati sviluppati i regolatori di tensione rad-hard in collaborazione tra la ST e il CERN, il

il più grande laboratorio del mondo per la fisica delle particelle vicino Ginevra, per le applicazioni della fisica.

Ora vengono utilizzati in tutti gli esperimenti Large Hadron Collider (LHC) e le schede di controllo dell’esperimento LHC. Il Team responsabile dello sviluppo è stato composto dalla R&D e Divisioni di prodotto di STMicroelectronics, dall’Università di Montpellier, l’INFN di Milano e il CERN. I ricercatori del Team si sono incontrati più volte per condividere l’avanzamento del progetto.

Gli acceleratori principali a disposizione del CERN sono, in ordine dall'anello principale di collisione fino alla sorgente iniziale delle particelle a bassa energia:

Il Large Hadron Collider (LHC), entrato in funzione il 10 settembre 2008 si estende su una circonferenza di 27 chilometri ed è stato inizialmente progettato per accelerare fino a un massimo di 7 TeV-protone equivalenti di energia; permettendo di studiare le particelle elementari in condizioni sperimentali paragonabili a quelle dei primi momenti di vita dell'Universo, subito dopo il Big Bang.

Lo scopo principale dei regolatori è quello di fornire energia drop alle schede elettroniche in Large Hadron Collider o per applicazioni satellitari. Si garantiscono tensioni di alimentazione basse, precise e con una buona stabilità.


Figure 1:LHC Tunnel (Source of image:CERN

Ai due chip, denominati LHC4913 e LHC7913, sono i primi regolatore rad-hard di tensione positivo e negativo con funzione di inibizione ed erogano 3A e hanno una bassa caduta di tensione.

Vengono utilizzati in condizioni estreme e soddisfano alcuni requisiti importanti:

1)     Alta tolleranza alle radiazioni:

2)     Bassa caduta di tensione nell'elemento di potenza e basso consumo di energia.

3)     Possibilità di monitoraggio e controllo a distanza di condizioni di sovraccarico statiche e dinamiche.


 

 


Fonti:
[1]
G. Bonna(1), A. Imbruglia (1), H. Duperray (3), P. Jarron (2), F. Faccio (2), A. Bigga (2), M. Glaser (2), B. Roberts (2)
(1) STMicroelectronics, Catane, Italy, (2) CERN Geneva, Switzerland, (3) STMicroelectronics, Rennes, France

A RADIATION-HARDENED LOW-DROPOUT VOLTAGE REGULATOR FOR LHC AND SPACE APPLICATIONS.

5th workshop on electronic LHC experiments for Snowmass (Colorado) 20-25 September 1999: A radiation-hardened low-dropout voltage regulator for LHC and space applications.

[2] Patrick BRIAND (1), Marielle BELASIC (2), Jean-François VADROT (1)

(1) STMicroelectronics, (2) CNES

EVALUATION OF STMICROELECTRONICS RH-L4913 POSITIVE HARDENED LOW DROP VOLTAGE REGULATOR

ESCCON 2002 Toulouse (France) Sep. 2002

Nessun commento:

Posta un commento