Circuit integrat rezistent la radiații - un circuit integrat , care are cerințe crescute de rezistență la defecțiuni cauzate de expunerea la radiații . Principalele domenii de aplicare ale unor astfel de circuite sunt nave spațiale , echipamente militare și electronice medicale.
Particulele de înaltă energie, atunci când decelerează în materialul corpului unui dispozitiv electronic, generează radiații gamma , raze X și ioni grei . Aceste particule ionizează structurile tranzistoarelor CMOS , în special poarta și oxidul de poartă. Ca urmare, parametrii tranzistoarelor se modifică, cum ar fi: curenții de scurgere , timpii de creștere și coborâre ai fronturilor. Gradul de distrugere a circuitului integrat crește atât odată cu creșterea dozei totale de radiații primite, cât și odată cu creșterea intensității iradierii externe.
O doză mare instantanee de radiație poate provoca un impuls de tensiune pe șinele de alimentare, ceea ce duce la: defecțiuni aleatorii de comutare ( de exemplu , Single Event Transient, SET ) , la blocarea tranzistoarelor ( de exemplu latch -up ), precum și pentru deteriorarea conductoarelor de putere.
O creștere a curentului de scurgere crește puterea disipată în starea oprită a tranzistorului, ceea ce poate duce la supraîncălzire și distrugerea termică a tranzistorului.
Cele mai frecvente probleme sunt cauzate de așa-numitele efecte aleatorii ( Single Event Effects, SEE ), care apar atunci când circuitul integrat este iradiat cu particule grele ( raze cosmice , protoni , electroni , particule alfa , neutroni termici etc.). Trecând prin cea mai mare parte a semiconductorului , ei lasă în urmă o pistă (drum) de purtători de încărcare gratuită . Acest lucru duce la generarea de perechi electron-gaură în oxidul de poartă al circuitelor CMOS convenționale.
Cel mai adesea, impactul aleatoriu duce la eșecuri individuale ( Single-event Upset, SEU ) . De obicei, astfel de evenimente apar în celulele de memorie sau în declanșatoarele statice atunci când ionii le lovesc. Pulsul de curent rezultat transferă celula sau declanșatorul în starea opusă (aceasta este echivalentă cu comanda software „nu”, adică inversarea pe biți). După detectarea unui astfel de eveniment, consecințele acestuia pot fi ușor eliminate prin suprascrierea stării incorecte. Cu cât tranzistorul este mai mic, cu atât este mai mică cantitatea de sarcină necesară pentru a comuta starea circuitului și cu atât este mai mare probabilitatea unei singure defecțiuni. Ca rezultat, există un factor care limitează dimensiunea minimă a tranzistoarelor potrivite pentru funcționarea în condiții de radiație.
O altă consecință a expunerii aleatorii este ruperea tranzistorilor. Motivul pentru care tranzistoarele se blochează constă în prezența structurilor parazite construite folosind tehnologia CMOS în circuite integrate din perechi de tranzistori pnp și npn, care formează împreună un circuit apropiat de un tiristor . Potențialul ridicat cauzat de ion formează un impuls de curent care deschide un astfel de „tiristor”, iar acest lucru duce deja la apariția unui curent mare prin structurile tranzistorului, iar acest curent nu scade nici după îndepărtarea potențialului ridicat cauzat. de către ion. Ca urmare, dispozitivul se supraîncălzi și poate eșua complet.
Pentru a îmbunătăți rezistența la radiații a circuitelor integrate, sunt utilizate o serie de măsuri în toate etapele de proiectare: alegerea soluțiilor de circuit, modelare CAD , fabricație, ambalare .
Cea mai utilizată metodă este tehnologia silicon -on-insulator ( SOI ) . Constă în introducerea unui strat de oxigen în suprafața substratului , care, la încălzire, formează un strat continuu de oxid de siliciu cu o grosime de aproximativ 0,2 microni. Acest strat izolează canalul CMOS de substratul de siliciu.
O astfel de schemă de proiectare reduce curenții de scurgere, capacitățile parazite și elimină formarea de „tiristoare”.
Pentru aplicații spațiale și militare, este necesară creșterea semnificativă a rezistenței oxidului profund, altfel sarcina indusă de radiația gamma intră în cele din urmă în oxid și apoi se recombină la interfața SiO 2 -Si, schimbând tensiunea de prag a tranzistorului. Pentru a combate acest fenomen, se organizează o oportunitate ca sarcina să curgă din zona de contact a oxidului și siliciului către magistrala de sol. Dezavantajul acestei tehnici de circuit este o reducere cu 30% a suprafeței utilizabile, astfel încât această tehnică nu este utilizată în aplicații comerciale care nu sunt legate de activități spațiale.
Costul dispozitivului final produs prin procesul tehnologic „ siliciu pe izolator ” ( ing. Silicon-on-insulator, SOI ) poate fi de 5-10 ori mai mare decât costul de producție folosind tehnologia CMOS convențională.
Metoda se bazează pe crearea mai multor dispozitive similare și selectarea valorii finale a stării dispozitivului de către circuitul de vot pe baza valorilor la ieșirile acestor dispozitive. Troping vă permite să eliminați complet consecințele eșecurilor individuale. Radiația este capabilă să schimbe starea unui astfel de circuit numai atunci când mai multe noduri suferă simultan. Cu toate acestea, această abordare duce la o creștere a suprafeței matriței necesare și crește întârzierile și consumul de energie.
Există circuite mai complexe care nu numai că oferă valoarea corectă, dar și restabilesc starea nodurilor afectate - feedback-ul este organizat pentru aceasta.
Bistabilele sunt uneori echipate cu subsisteme care le împiedică să se comute în timpul de recombinare a sarcinilor generate de ionul invadator. Dezavantajul acestei metode este performanța redusă a sistemului în ansamblu.
Codare anti-jamming : biții de paritate sau codurile de corecție ( în engleză ECC ) sunt folosiți de mulți producători pentru a proteja cantități mari de memorie. Cu toate acestea, atunci când memoria este expusă la neutroni de energie relativ mare, apar particule încărcate secundare care sunt capabile să inițieze comutarea mai multor celule simultan, în astfel de cazuri verificarea parității nu mai poate detecta o eroare.
O altă abordare este să stocați mai multe stări ale liniei de date la un anumit interval și apoi să votați pe baza stărilor salvate. Dacă intervalul de conservare este mai lung decât timpul de acțiune al unei particule încărcate pe un circuit integrat, atunci o astfel de organizare protejează bine de efectele unice. Cu toate acestea, această metodă este sensibilă la defecțiunile pe linia ceasului și, de asemenea, crește aria circuitului nodului cu aproximativ un factor de trei.