Tecnologie
e sviluppi Rad-Hard in ST
Sviluppi per il CERN
A.I. –
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
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