El endurecimiento por radiación es el proceso de hacer que los componentes y circuitos electrónicos sean resistentes a daños o mal funcionamiento causados por altos niveles de radiación ionizante ( radiación de partículas y radiación electromagnética de alta energía ), [1] especialmente para ambientes en el espacio exterior (especialmente más allá de la órbita terrestre baja). ), alrededor de reactores nucleares y aceleradores de partículas , o durante accidentes nucleares o guerras nucleares .
La mayoría de los componentes electrónicos semiconductores son susceptibles a daños por radiación, y los componentes endurecidos por radiación ( rad-hard ) se basan en sus equivalentes no endurecidos, con algunas variaciones de diseño y fabricación que reducen la susceptibilidad a daños por radiación. Debido al extenso desarrollo y pruebas necesarias para producir un diseño de chip microelectrónico tolerante a la radiación , la tecnología de chips endurecidos por radiación tiende a quedarse atrás de los desarrollos más recientes.
Los productos endurecidos por radiación generalmente se someten a una o más pruebas de efectos resultantes, incluida la dosis ionizante total (TID), los efectos mejorados de tasa de dosis baja (ELDRS), el daño por desplazamiento de neutrones y protones y los efectos de evento único (SEE).
Los entornos con altos niveles de radiación ionizante crean desafíos de diseño especiales. Una sola partícula cargada puede soltar miles de electrones , provocando ruido electrónico y picos de señal . En el caso de circuitos digitales , esto puede provocar resultados inexactos o ininteligibles. Este es un problema particularmente grave en el diseño de satélites , naves espaciales , futuras computadoras cuánticas , [2] [3] [4] aviones militares , centrales nucleares y armas nucleares . Para garantizar el funcionamiento adecuado de dichos sistemas, los fabricantes de circuitos integrados y sensores destinados a los mercados militar o aeroespacial emplean diversos métodos de endurecimiento por radiación. Se dice que los sistemas resultantes están endurecidos por radiación , duros por radiación o (dentro del contexto) endurecidos .
Las fuentes típicas de exposición de la electrónica a radiaciones ionizantes son los cinturones de radiación de Van Allen para satélites, reactores nucleares en centrales eléctricas para sensores y circuitos de control, aceleradores de partículas para electrónica de control, en particular dispositivos detectores de partículas , radiación residual de isótopos en materiales de embalaje de chips , radiación cósmica. para naves espaciales y aviones de gran altitud, y explosiones nucleares para potencialmente todos los dispositivos electrónicos militares y civiles.
Se producen dos mecanismos de daño fundamentales:
El desplazamiento de la red es causado por neutrones , protones, partículas alfa, iones pesados y fotones gamma de muy alta energía . Cambian la disposición de los átomos en la red cristalina , creando daños duraderos y aumentando el número de centros de recombinación , agotando los portadores minoritarios y empeorando las propiedades analógicas de las uniones semiconductoras afectadas . Contrariamente a la intuición, dosis más altas en un período corto provocan un recocido parcial ("curación") de la red dañada, lo que lleva a un menor grado de daño que con las mismas dosis administradas en baja intensidad durante un tiempo prolongado (LDR o Low Dose Rate). Este tipo de problema es particularmente significativo en los transistores bipolares , que dependen de portadores minoritarios en sus regiones base; El aumento de las pérdidas causadas por la recombinación provoca la pérdida de la ganancia del transistor (ver efectos de neutrones ). Los componentes certificados como libres de ELDRS (Enhanced Low Dose Rate Sensitive), no presentan daños con flujos inferiores a 0,01 rad(Si)/s = 36 rad(Si)/h.
Los efectos de ionización son causados por partículas cargadas, incluidas aquellas con energía demasiado baja para causar efectos reticulares. Los efectos de la ionización suelen ser transitorios y crean fallos y errores leves, pero pueden provocar la destrucción del dispositivo si desencadenan otros mecanismos de daño (p. ej., un enganche ). La fotocorriente causada por la radiación ultravioleta y de rayos X también puede pertenecer a esta categoría. La acumulación gradual de agujeros en la capa de óxido de los transistores MOSFET conduce a un empeoramiento de su rendimiento, hasta llegar al fallo del dispositivo cuando la dosis es suficientemente alta (ver efectos de la dosis ionizante total ).
Los efectos pueden variar enormemente dependiendo de todos los parámetros: tipo de radiación, dosis total y flujo de radiación, combinación de tipos de radiación e incluso el tipo de carga del dispositivo (frecuencia de funcionamiento, voltaje de funcionamiento, estado real del transistor durante el instante en que se enciende). es golpeado por la partícula), lo que hace que las pruebas exhaustivas sean difíciles, requieran mucho tiempo y requieran muchas muestras de prueba.
Los efectos del "usuario final" se pueden caracterizar en varios grupos,
Un neutrón que interactúa con la red del semiconductor desplazará sus átomos. Esto conduce a un aumento en el recuento de centros de recombinación y defectos de nivel profundo , reduciendo la vida útil de los portadores minoritarios, afectando así a los dispositivos bipolares más que a los CMOS . Los dispositivos bipolares de silicio tienden a mostrar cambios en los parámetros eléctricos a niveles de 10 10 a 10 11 neutrones/cm 2 , los dispositivos CMOS no se ven afectados hasta 10 15 neutrones/cm 2 . La sensibilidad de los dispositivos puede aumentar junto con el aumento del nivel de integración y la disminución del tamaño de las estructuras individuales. También existe el riesgo de radiactividad inducida causada por la activación de neutrones , que es una fuente importante de ruido en los instrumentos astrofísicos de alta energía . La radiación inducida, junto con la radiación residual de las impurezas de los materiales usados, puede causar todo tipo de problemas únicos durante la vida útil del dispositivo. Los LED de GaAs , habituales en los optoacopladores , son muy sensibles a los neutrones. El daño de la red influye en la frecuencia de los osciladores de cristal . Aquí también pertenecen los efectos de la energía cinética (es decir, el desplazamiento de la red) de partículas cargadas.
El daño acumulativo de la red del semiconductor ( daño por desplazamiento de la red ) causado por la radiación ionizante durante el tiempo de exposición. Se mide en rads y provoca una degradación lenta y gradual del rendimiento del dispositivo. Una dosis total superior a 5.000 rads administrada a dispositivos basados en silicio en segundos o minutos provocará una degradación a largo plazo. En los dispositivos CMOS, la radiación crea pares de huecos de electrones en las capas de aislamiento de la puerta, lo que provoca fotocorrientes durante su recombinación, y los agujeros atrapados en los defectos de la red en el aislante crean una polarización persistente de la puerta e influyen en el voltaje umbral de los transistores , haciendo que el Los transistores MOSFET tipo N son más fáciles y los tipo P más difíciles de encender. La carga acumulada puede ser lo suficientemente alta como para mantener los transistores permanentemente abiertos (o cerrados), lo que provoca fallas en el dispositivo. Con el tiempo se produce cierta autocuración, pero este efecto no es demasiado significativo. Este efecto es el mismo que la degradación del portador caliente en la electrónica de alta velocidad y alta integración. Los osciladores de cristal son algo sensibles a las dosis de radiación, que alteran su frecuencia. La sensibilidad se puede reducir considerablemente utilizando cuarzo barrido . Los cristales de cuarzo natural son especialmente sensibles. Se pueden generar curvas de rendimiento de radiación para las pruebas TID para todos los procedimientos de prueba de efectos resultantes. Estas curvas muestran tendencias de rendimiento a lo largo del proceso de prueba TID y se incluyen en el informe de prueba de radiación.
El pulso de radiación de alta intensidad y de corta duración, que normalmente ocurre durante una explosión nuclear. El alto flujo de radiación crea fotocorrientes en todo el cuerpo del semiconductor, lo que hace que los transistores se abran aleatoriamente, cambiando los estados lógicos de los flip-flops y las células de memoria . Se pueden producir daños permanentes si la duración del pulso es demasiado larga o si el pulso causa daños en la unión o un bloqueo. Los enganches son comúnmente causados por los rayos X y el destello de radiación gamma de una explosión nuclear. Los osciladores de cristal pueden dejar de oscilar mientras dura el destello debido a la rápida fotoconductividad inducida en el cuarzo.
Los SGEMP son causados por el destello de radiación que viaja a través del equipo y provoca ionización local y corrientes eléctricas en el material de los chips, placas de circuito , cables eléctricos y cajas.
Los efectos de un solo evento (EEE) se han estudiado ampliamente desde la década de 1970. [8] Cuando una partícula de alta energía viaja a través de un semiconductor, deja una pista ionizada . Esta ionización puede causar un efecto altamente localizado similar al de dosis transitoria: una falla benigna en la salida, un cambio de bit menos benigno en la memoria o en un registro o, especialmente en transistores de alta potencia , un enganche y agotamiento destructivos. Los efectos de un solo evento tienen importancia para la electrónica en satélites, aviones y otras aplicaciones aeroespaciales civiles y militares. A veces, en circuitos que no incluyen pestillos, es útil introducir circuitos de constante de tiempo RC que ralentizan el tiempo de reacción del circuito más allá de la duración de un SEE.
SET ocurre cuando la carga recolectada de un evento de ionización se descarga en forma de una señal espuria que viaja a través del circuito. Este es de facto el efecto de una descarga electrostática . Error suave, reversible.
Los cambios de evento único (SEU) o efectos de radiación transitoria en electrónica son cambios de estado de memoria o bits de registro causados por un solo ion que interactúa con el chip. No causan daños duraderos al dispositivo, pero pueden causar problemas duraderos a un sistema que no puede recuperarse de dicho error. Error suave, reversible. En dispositivos muy sensibles, un solo ion puede provocar una alteración de varios bits (MBU) en varias celdas de memoria adyacentes. Las SEU pueden convertirse en interrupciones funcionales de evento único ( SEFI ) cuando alteran los circuitos de control, como las máquinas de estado , colocando el dispositivo en un estado indefinido, un modo de prueba o una parada, que luego necesitaría un reinicio o un ciclo de energía para recuperarse. .
SEL puede ocurrir en cualquier chip con una estructura PNPN parásita . Un ion pesado o un protón de alta energía que pasa a través de una de las dos uniones internas del transistor puede activar la estructura similar a un tiristor , que luego permanece " en cortocircuito " (un efecto conocido como enganche ) hasta que el dispositivo se enciende y se enciende. . Como el efecto puede ocurrir entre la fuente de energía y el sustrato, puede estar involucrada una corriente destructivamente alta y la pieza puede fallar. Error grave, irreversible. Los dispositivos CMOS masivos son los más susceptibles.
El snapback de evento único es similar al SEL pero no requiere la estructura PNPN, se puede inducir en transistores MOS de canal N que conmutan grandes corrientes, cuando un ion golpea cerca de la unión de drenaje y provoca una multiplicación de avalancha de los portadores de carga . Luego, el transistor se abre y permanece abierto, un error grave que es irreversible.
SEB puede ocurrir en MOSFET de potencia cuando el sustrato justo debajo de la región de fuente se polariza directamente y el voltaje de drenaje-fuente es mayor que el voltaje de ruptura de las estructuras parásitas. La alta corriente resultante y el sobrecalentamiento local pueden destruir el dispositivo. Error grave, irreversible.
Se observó SEGR en MOSFET de potencia cuando un ion pesado golpea la región de la puerta mientras se aplica un alto voltaje a la puerta. Luego se produce una ruptura local en la capa aislante de dióxido de silicio , lo que provoca un sobrecalentamiento local y la destrucción (parecida a una explosión microscópica ) de la región de la puerta. Puede ocurrir incluso en celdas EEPROM durante la escritura o el borrado, cuando las celdas se someten a un voltaje comparativamente alto. Error grave, irreversible.
Si bien los haces de protones se utilizan ampliamente para las pruebas de EES debido a su disponibilidad, a energías más bajas la irradiación de protones a menudo puede subestimar la susceptibilidad a EES. Además, los haces de protones exponen los dispositivos al riesgo de falla de la dosis ionizante total (TID), lo que puede nublar los resultados de las pruebas de protones o provocar una falla prematura del dispositivo. Los haces de neutrones blancos, aparentemente el método de prueba SEE más representativo, generalmente se derivan de fuentes sólidas basadas en objetivos, lo que genera falta de uniformidad en el flujo y áreas de haz pequeñas. Los haces de neutrones blancos también tienen cierta incertidumbre en su espectro de energía, a menudo con un alto contenido de neutrones térmicos.
Las desventajas de las fuentes de neutrones tanto de protones como de espalación se pueden evitar utilizando neutrones monoenergéticos de 14 MeV para las pruebas SEE. Una posible preocupación es que los efectos de un evento único inducidos por neutrones monoenergéticos no representen con precisión los efectos del mundo real de los neutrones atmosféricos de amplio espectro. Sin embargo, estudios recientes han indicado que, por el contrario, los neutrones monoenergéticos (particularmente neutrones de 14 MeV) pueden usarse para comprender con bastante precisión las secciones transversales SEE en la microelectrónica moderna. [9]
Los chips endurecidos suelen fabricarse sobre sustratos aislantes en lugar de las habituales obleas semiconductoras . Comúnmente se utilizan silicio sobre aislante ( SOI ) y silicio sobre zafiro ( SOS ). Mientras que los chips normales de calidad comercial pueden soportar entre 50 y 100 grises (5 y 10 k rad ), los chips SOI y SOS de calidad espacial pueden sobrevivir dosis entre 1000 y 3000 grises (100 y 300 k rad ). [10] [11] Hubo un tiempo en que muchos chips de la serie 4000 estaban disponibles en versiones endurecidas por radiación (RadHard). [12] Si bien SOI elimina los eventos de enganche, no se garantiza que se mejoren las durezas TID y SEE. [13]
Los circuitos integrados bipolares generalmente tienen una mayor tolerancia a la radiación que los circuitos CMOS. La serie Schottky (LS) 5400 de bajo consumo puede soportar 1000 krad y muchos dispositivos ECL pueden soportar 10 000 krad. [12]
La RAM magnetorresistiva , o MRAM , se considera un candidato probable para proporcionar una memoria conductora no volátil, regrabable y endurecida por radiación. Los principios físicos y las primeras pruebas sugieren que la MRAM no es susceptible a la pérdida de datos inducida por la ionización. [14]
La DRAM basada en condensadores a menudo se reemplaza por SRAM más resistente (pero más grande y más cara) .
Elección de sustrato con banda prohibida amplia , lo que le confiere mayor tolerancia a defectos de nivel profundo; por ejemplo, carburo de silicio o nitruro de galio . [ cita necesaria ]
Proteger el paquete contra la radioactividad , para reducir la exposición del dispositivo desnudo. [15]
Proteger los propios chips (de los neutrones) mediante el uso de boro empobrecido (que consiste únicamente en el isótopo boro-11) en la capa de pasivación de vidrio de borofossilicato que protege los chips, ya que el boro-10 que prevalece naturalmente captura fácilmente los neutrones y sufre desintegración alfa (ver error suave ). .
Uso de un nodo de proceso especial para proporcionar una mayor resistencia a la radiación. [16] Debido a los altos costos de desarrollo de los nuevos procesos endurecidos por radiación, el proceso rad-hard "verdadero" más pequeño (RHBP, Rad-Hard By Process) es de 150 nm a partir de 2016; sin embargo, había FPGA rad-hard de 65 nm disponibles. que utilizó algunas de las técnicas utilizadas en los procesos "verdaderos" rad-hard (RHBD, Rad-Hard By Design). [17] A partir de 2019, están disponibles procesos de dureza radiactiva de 110 nm. [18]
Uso de celdas SRAM con más transistores por celda de lo habitual (que es 4T o 6T), lo que hace que las celdas sean más tolerantes a las SEU a costa de un mayor consumo de energía y tamaño por celda. [19] [17]
Uso de transistores CMOS sin bordes, que tienen una construcción física no convencional, junto con un diseño físico no convencional. [20]
La memoria de código de corrección de errores (memoria ECC) utiliza bits redundantes para comprobar y posiblemente corregir datos corruptos. Dado que los efectos de la radiación dañan el contenido de la memoria incluso cuando el sistema no accede a la RAM, un circuito " depurador " debe barrer continuamente la RAM; leer los datos, verificar los bits redundantes en busca de errores de datos y luego escribir las correcciones en la RAM.
Se pueden utilizar elementos redundantes a nivel del sistema. Tres placas de microprocesador separadas pueden calcular de forma independiente una respuesta a un cálculo y comparar sus respuestas. Cualquier sistema que produzca un resultado minoritario volverá a calcular. Se puede agregar lógica de modo que si se producen errores repetidos en el mismo sistema, esa placa se apague.
Se podrán utilizar elementos redundantes a nivel de circuito. [21] Un solo bit puede ser reemplazado por tres bits y una " lógica de votación " separada para cada bit para determinar continuamente su resultado ( triple redundancia modular ). Esto aumenta el área de un diseño de chip en un factor de 5, por lo que debe reservarse para diseños más pequeños. Pero tiene la ventaja secundaria de ser también "a prueba de fallos" en tiempo real. En caso de una falla de un solo bit (que puede no estar relacionada con la radiación), la lógica de votación continuará produciendo el resultado correcto sin recurrir a un temporizador de vigilancia . La votación a nivel de sistema entre tres sistemas de procesador separados generalmente necesitará utilizar alguna lógica de votación a nivel de circuito para realizar las votaciones entre los tres sistemas de procesador.
Se pueden utilizar pestillos endurecidos. [22]
Un temporizador de vigilancia realizará un reinicio completo de un sistema a menos que se realice alguna secuencia que generalmente indique que el sistema está activo, como una operación de escritura desde un procesador integrado. Durante el funcionamiento normal, el software programa una escritura en el temporizador de vigilancia a intervalos regulares para evitar que se agote el temporizador. Si la radiación hace que el procesador funcione incorrectamente, es poco probable que el software funcione lo suficientemente correctamente como para borrar el temporizador de vigilancia. El perro guardián eventualmente agota el tiempo y fuerza un reinicio completo del sistema. Esto se considera un último recurso frente a otros métodos de endurecimiento por radiación.
Los componentes resistentes a la radiación y tolerantes a la radiación se utilizan a menudo en aplicaciones militares y aeroespaciales, incluidas aplicaciones de punto de carga (POL), fuentes de alimentación de sistemas satelitales, reguladores de conmutación reductores , microprocesadores , FPGA , [23] fuentes de energía FPGA y alta eficiencia, fuentes de alimentación de subsistemas de baja tensión.
Sin embargo, no todos los componentes de grado militar están endurecidos por radiación. Por ejemplo, el MIL-STD-883 de EE. UU . presenta muchas pruebas relacionadas con la radiación, pero no tiene ninguna especificación para la frecuencia de enganche de un evento único. Es posible que la sonda espacial Fobos-Grunt haya fallado debido a una suposición similar. [13]
Se estimó que el tamaño del mercado de productos electrónicos endurecidos por radiación utilizados en aplicaciones espaciales será de 2.350 millones de dólares en 2021. Un nuevo estudio ha estimado que alcanzará aproximadamente 4.760 millones de dólares para el año 2032. [24]
En telecomunicaciones , el término dureza nuclear tiene los siguientes significados: 1) una expresión del grado en que se espera que el rendimiento de un sistema , instalación o dispositivo se degrade en un entorno nuclear determinado, 2) los atributos físicos de un sistema o Componente electrónico que permitirá la supervivencia en un entorno que incluye radiación nuclear y pulsos electromagnéticos (EMP).
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