Комплексный подход к проектированию...

Комплексный подход к проектированию

радиационно-стойких аналоговых микросхем

О.В. Дворников

д.т.н., доц. (ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн",

г. Минск, Беларусь)

[email protected]

2University

Особенности 1,5 мкм БиПТП- технологииПрименение известных конструктивно-технологических способов увеличения радиационной стойкости (полной диэлектрической изоляции, тонкопленочных резисторов, вертикальных p-n-p- транзисторов с тонкой активной базой и др.) приводит к существенному удорожанию ИС. При создании на ОАО «Интеграл» (г. Минск, Беларусь) маршрута изготовления микросхем с биполярными (БТ), полевыми транзисторами с p-n- переходом (ПТП) и проектной нормой 1,5 мкм использован компромиссный подход, ориентированный на одновременное увеличение быстродействия, уменьшение шумов и стоимости, обеспечение радиационной стойкости, а именно:• формирование комбинированной изоляции элементов диэлектриком и p+- скрытым слоем для уменьшения площади p-n- переходов и предотвращения «защелкивания» транзисторных структур при радиационном воздействии;

Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС

ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

3University

• уменьшение всех топологических размеров;• уменьшение глубины залегания базовой и эмиттерной областей n-p-n- транзистора и максимальное увеличение концентрации примеси в них;• конструктивное исключение соприкосновения областей n+- эмиттера и диэлектрической изоляции для предотвращения тока утечки между коллектором и эмиттером n-p-n- транзистора по окислу;• формирование резисторов на сильнолегированных полупроводниковых областях;• повышение плотности тока в транзисторных структурах до границы наступления эффектов высокого уровня инжекции.



4University



Вид структуры кристалла

5University



Элементы структуры Обозначение Толщина, мкм

Тип проводи-

мости

Поверхностное сопротивление,

Ом/Пластина кремниевая эпитаксиальная со скрытым слоем

Подложка H0 460±20 p 10±2,0 Ом/см

N+ - скрытый слой H1 6,0±1,0 n+ 35±8P+ - скрытый слой H2 2,5±0,3 p+ 150±30Эпитаксиальный слой H3 2,3±0,3 n- 1,0±0,1 Ом/см

Разделение H4 1,35±0,05 – –

Глубокий коллектор H5 2,5±0,4 n+ 22±4Базовый окисел H6 0,22±0,02 – –P - канал H7 1,4±0,3 p- 5500±700

P+ - база H8 0,6±0,1 p+ 80±20

P- база H9 0,36±0,04 p- 560±60

N+ - затвор H10 0,4±0,04 n+ 60±20

N+ - эмиттер H11 0,22±0,02 n+ 45±5Металл 1 H12 0,55±0,05 – –Межуровневый диэлектрик H13 0,8±0,1 – –Металл 2 H14 1,1±0,1 – –

Пассивация H15 0,9±0,1 – –

Данные по изготовлению отдельных слоев структуры

6University

Наименование параметра, размерность, режим измерения Норма

n-p-n БТ

Коэффициент усиления (IB = 1 мкА, VCE = 1 В, NB = 5) >100

Пробивное напряжение коллектор- эмиттер VCEOBR, В, (база в обрыве) >8

Пробивное напряжение коллектор-база VCBBR, В >12

Пробивное напряжение эмиттер-база VEBBR, В >4,5

L p-n-p БТ

Коэффициент усиления ( IB = 1 мкА, VCE = 1 В, NB = 5) >15

Пробивное напряжение коллектор- эмиттер VCEOBR, В, (база в обрыве) >8

Пробивное напряжение коллектор-база VCBBR, В >10

Пробивное напряжение эмиттер-база VEBBR, В >10



Параметры транзисторов и тестовых элементов

7University

Наименование параметра, размерность, режим измерения Норма

Малосигнальный р- ПТП

Максимальный ток стока, мкА, (VDS = 4 В, VGS = 0) 110-220

Напряжение отсечки, В 1,5-2,5

Тестовые элементы

p- база, сопротивление слоя, Ом/квадрат 500-620

n+- глубокий коллектор, сопротивление слоя, Ом/квадрат 19-25

Напряжение пробоя изоляции, В >16



Параметры транзисторов и тестовых элементов

8University

Радиационно-стойкий базовый матричный кристалл «АБМК_1_3»

На основе 1,5 мкм БиПТП- технологии создан базовый матричный кристалл (БМК) типа «АБМК_1_3» для изготовления малошумящих и широкополосных аналоговых ИС. «АБМК_1_3» содержит четыре идентичных канала, каждый из которых состоит из двух макрофрагментов.


9UniversityОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»


10University

По периметру БМК расположены сложнофункциональные контактные площадки, которые используются для соединения кристалла проводниками с траверсами корпуса или в качестве элементов ИС:• PAD2Q – два многоэмиттерных малошумящих n-p-n-транзистора;• PADJ – малошумящий p-ПТП;• PADJDG – два двухзатворных p-ПТП;• PADC – МОП- конденсатор с номиналом 2,3 пФ. Каждый макрофрагмент включает один изолированный карман, в котором размещены резисторы с номиналом от 650 Ом до 15,1кОм и 70 Ом; n-p-n-транзисторы (NPNC) для источников стабильного тока; МОП- конденсаторы с емкостью 0,95 пФ; функционально-интегрированные элементы (PNPJF), представляющие собой каскодное соединение p-n-p-транзистора и p-ПТП; n-p-n-транзисторы с объединенными коллекторами (GC); 4-х- слойные полупроводниковые структуры (TW), позволяющие с помощью различного выполнения межсоединений областей получить два n-p-n- или p-n-p-транзистор.



11University

Результаты радиационных испытаний

Место испытаний: установка ИБР-2, канал №3, Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна, РФ).Экспериментальная установка описана в Сообщении ОИЯИ, Р13-96-403. Испытания проведены совместно с Замятиным Н.И. (CMS-RDMS/JINR meeting, Dubna, 15.04.1998).

Объект испытаний: тестовые транзисторы, резисторы, микросхема «Тетрод-Б», изготовленные по 1,5 мкм БиПТП- технологии.

Условия испытаний: гамма-источник - 137Cs, комнатная температура, без электрического режима.Интегральный Поглощенная доза, Плотность потокапоток нейтронов, Мрад или мощность дозын/см2, En>100 кэВ 2*1014 0,12 2*1010 н/(см2*с) 9*1012 - 2*1010 н/(см2*с) - 1,0 180 крад/ч


12University

Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора

p-n-p- транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия

потока нейтронов 9*1012н/см2


p-n-p- транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия




13University


малошумящего n-p-n транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия



малошумящего n-p-n транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия




14University


малосигнального n-p-n транзистора: 1– до облучения, 2 - после

воздействия потока нейтронов 9*1012н/см2

Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора малосигнального n-p-n транзистора:

1 – до облучения, 2 - после воздействия потока нейтронов

2*1014н/см2 ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»


15University

Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора малошумящего n-p-n транзистора: 1– до облучения, 2 - после гамма-

облучения, поглощенная доза 1Мрад

Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора малосигнального n-p-n транзистора: 1 – до облучения, 2 - после гамма-

облучения, поглощенная доза 1Мрад





Электрическая схема усилителя Тетрод-Б

Outp

Outn

Inp

Vcc1 Vcc2

Vee1 Vee2

Q3 R45k

Q1

R110k

R22.5k

RF 100k

Q7

Q6

Q10

Q4

R5500

Q5

Q2

CF 0.5p

Q11

R6500

Q8

R32.5k

Q9

17University

Зависимость эквивалентного шумового заряда (ENC) ИС «Тетрод- Б» от емкости детектора (Cd) при времени формирования Tp=0,5 мкс:1 – до облучения,2 - после воздействия потока нейтронов 9*1012н/см2,3 - после гамма- облучения, поглощенная доза 1 Мрад,4 - после воздействия потока нейтронов 2*1014н/см2



Cd, пФ0 40 80 120 160 200

E ,скз.эл.NC

2,0K

2,5K

3,0K

3,5K

4,0K

4,5K

50K,

1

2

3

4

21

21

22

)(2

)(

2

FDBP

S

E

TINPAMPFD

P

S

E

FPS

CCkTRT

ICCCkT

T

I

qR

kTqTENC

где S1, S2 – коэффициенты, характеризующие форму импульса на выходе фильтра, соединенного с ИС «Тетрод- Б»

18University

Выводы по результатам испытаний:• n-p-n, p-ПТП сохраняют свою работоспособность при

поглощенной дозе гамма-излучения 1 Мрад и потоке нейтронов 2*1014 н/см2, а горизонтальные p-n-p- транзисторы - при потоке нейтронов до 9*1012 н/см2.

• Изменение величины сопротивления резисторов при поглощенной дозе гамма-излучения 1 Мрад и потоке нейтронов 2*1014 н/см2 не происходит в пределах погрешности измерений.

• Среднее изменение параметров p-ПТП составляет

условия облучения изменение изменениемаксимального напряжениятока стока, % отсечки, %

2*1014 н/см2 -18,6 -8,5 9*1012 н/см2 -10,0 -3,4

1,0 Мрад -10,6 -6,0.



19University

Выводы по результатам испытаний:• Коэффициент усиления паразитного транзистора

(коллектор-коллектор близко расположенных n-p-n- транзисторов) чрезвычайно мал (0,1-0,2), не изменяется при гамма- облучении и уменьшается до 0,02 при воздействии потока нейтронов.

• Пробивное напряжение транзисторов при воздействии радиации не ухудшилось.

• Радиационная стойкость разработанных n-p-n- транзисторов незначительно уступает зарубежным аналогам, изготовленным по DMILL и H2CMOS-технологиям.



20University

Место испытаний: канал PS-T8 ускорителя PS, стенд IRRAD2, Европейский центр ядерных исследований (г. Женева, Швейцария). Объект испытаний: ИС 8-ми канального усилителя-формирователя-дискриминатора «АНОД», изготовленная по 1,5 мкм БиПТП- технологии. Испытания проведены Чеховским В.А., Солиным А.В.

Условия испытаний: Облучение ИС проводилось в течение нескольких экспозиций, в перерывах между которыми измерялись основные характеристики схемы. Спектр нейтронов - аналогичный ожидаемому на установке LHC. Во время облучения осуществлялся контроль напряжения питания и тока потребления ИС, а также регистрировались срабатывания каждого канала.



21University

Схема проведения эксперимента

Shuttle "load"

position

TestSetup

Cable bobbin

d=10cm

Cablel 40m

ASICposition

Beam line

Primary PS proton beam :

Beam line: PS-T8Beam energy : 24 GeV/c Beam spot (h,v) : 6 x 4 cm2

Secondary particles in the irradiation cavity :

neutron : 50 KeV >20 MeVp, +, - : 0.3 4 GeVgamma : 100 KeV 100 MeV

Shuttle "beam"position



22University

Зависимость постоянного напряжения на выходе формирователя от интегрального потока нейтронов

Shaper output DC voltage of irradiated ASIC's

2

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

2,9

3

0 1E+12 2E+12 3E+12 4E+12 5E+12 6E+12 7E+12

Neutron (E>100KeV) fluence (n/cm2)

Ud

c (

V)

ASIC#1

ASIC#4

ASIC#5

ASIC#6

Linear(ASIC#5)Linear(ASIC#6)Linear(ASIC#1)Linear(ASIC#4)



23University

Зависимость длительности выходного импульса от интегрального потока нейтронов

Average ME1/1 Anode ASIC output pulse width

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

0 1E+12 2E+12 3E+12 4E+12 5E+12 6E+12 7E+12


Wid

th (

ns)

ASIC#1

ASIC#4

ASIC#5

ASIC#6



24University

Зависимость среднего значения коэффициента преобразования усилителя от интегрального потока нейтронов

Average gain of irradiated ANODE ASIC's

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0

0 1E+12 2E+12 3E+12 4E+12 5E+12 6E+12 7E+12


Gai

n (

mV

/fC

)



25University

Зависимость порога срабатывания дискриминатора от интегрального потока нейтронов

Average threshold of irradiated ANODE ASIC's

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0

0 1E+12 2E+12 3E+12 4E+12 5E+12 6E+12 7E+12


Th

resh

old

(fC

)

Uthres. control=100mV

Uthres. control=50mV



26University

Зависимость шумов от интегрального потока нейтронов

Average ENC of irradiated ANODE ASIC's

5000,0

6000,0

7000,0

8000,0

9000,0

10000,0

0 1E+12 2E+12 3E+12 4E+12 5E+12 6E+12 7E+12


EN

C (e

)



27University

Исследование “эффектов одиночных событий” (SEE) при облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВ

Схема проведения эксперимента

Power Supply

Latch up Circuit

ANODE ASIC #1

ANODE ASIC #2

ANODE ASIC #4

Monostab. ~ 10ms

To Counter (NIM)

To Counter (NIM)

To Counter (NIM)

To Counter (NIM)

U Thres

Latch up Circuit

Latch up Circuit

U Thres

U Thres

U Thres

Ucc

Ucc

Ucc

Ucc

Comp

I ~50mA

6 V

Latch - Up Circuit

R ~ 20 Ohm/1w

+4.8 V Located on IRRAD-2

shuttle

Located in IRRAD-2 counting room

~ 40 m

ANODE ASIC #3



28University


Исследование эффекта «защелкивания» (SEL)

Назначение схемы - защита ИС по току. Порог компаратора подбирался таким образом, чтобы при превышении заданной величины тока источника питания ток потребления ИС ограничивался на время срабатывания одновибратора Т~10мс. Сигнал с выхода одновибратора подавался на счетчик, контролируемый в процессе облучения.

Результаты эксперимента показали отсутствие эффекта «защелкивания» (SEL), вплоть до интегрального потока нейтронов 6*1011н/см2 с энергией Еn>20МэВ.



29University


Исследование кратковременных сбоев (SEU)

Регистрация событий проводилась с каждого канала облучаемой ИС в течение 5 часов. На рисунке представлена зависимость среднего значения сечения seu для 4-х облученных ИС (32 канала) от величины интегрального потока нейтронов при значении порога дискриминатора, равного Tresh =18 фК (100 мВ).

seu=Nseu/Fn,

где Nseu- количество зарегистрированных SEU- событий, Fn- интегральный поток нейтронов.



30University


Исследование кратковременных сбоев (SEU)



Mean value of SEU cross-section of 4 ANODE ASIC's as a function of neutron fluence

1,0E-09

1,1E-08

2,1E-08

3,1E-08

4,1E-08

5,1E-08

6,1E-08

7,1E-08

1,0E+10 1,1E+11 2,1E+11 3,1E+11 4,1E+11 5,1E+11 6,1E+11

Neutron fluence, E>20MeV (n/cm2)

seu

(cm

2 )

31University

SEU cross-section of ANODE ASIC as a function of discriminator threshold

1,0E-09

6,0E-09

1,1E-08

1,6E-08

2,1E-08

2,6E-08

3,1E-08

3,6E-08

50 100 150 200 250 300 350 400 450

Threshold (mV)

SE

U (

cm2 )


Результаты радиационных испытанийИсследование “эффектов одиночных событий” (SEE) при

облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВЗависимость среднего значения сечения SEU-эффекта от

напряжения управления порогом дискриминатора

32University

Подробная методика и результаты опубликованы



33University

Основные направления работ

Основные направления работ при создании радиационно-стойких микросхем:

• разработка комбинированных моделей, адекватно описывающих радиационное изменение параметров интегральных элементов;

• схемотехнический синтез аналоговых ИС с минимальным изменением характеристик при воздействии проникающей радиации;

• совершенствование методик радиационных испытаний.


34University

Подход к проектированию радиационно-стойких микросхем

При проектировании радиационно-стойких микросхем целесообразно применение следующего подхода:

1. Выявление параметров моделей интегральных элементов, оказывающих наиболее сильное влияние на характеристики аналоговых микросхем.

2. Определение взаимосвязи параметров моделей с конструктивно-технологическими параметрами типовой структуры.

3. Разработка соотношений, связывающих параметры моделей и излучения (вид излучения, энергия, поглощенная доза, интегральный поток частиц) с помощью эмпирических коэффициентов.


35University

При проектировании радиационно-стойких микросхем рекомендуется применение следующего подхода:

4. Разработка методов идентификации основных параметров моделей из измерений и методик радиационного воздействия на элементы и аналоговые компоненты в режимах близких к рабочим.

5. Измерение вольт- амперных характеристик (ВАХ) облученных интегральных элементов, идентификация основных параметров моделей, корректировка эмпирических коэффициентов для выбранного технологического маршрута изготовления микросхем.



36University

При проектировании радиационно-стойких микросхем рекомендуется применение следующего подхода:

6. Схемотехническое моделирование аналоговых ИС, выявление каскадов наиболее чувствительных к воздействию ПР и их модернизация (введение цепей компенсации входных токов, стабилизация режима работы, уменьшение изменения напряжения смещения нуля, применение новых методов построения сложно-функциональных аналоговых компонентов).

7. Выявление интегральных элементов критически чувствительных к воздействию ПР, их топологическая модернизация или замена на радиационно-стойкие.



37University

Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС

Подход к проектированию аналоговых ИС со средним уровнем радиационной стойкости:

• использование дифференциальной структуры ИС;

• увеличение плотности эмиттерного тока;

• использование горизонтальных p-n-p-транзисторов только в источниках тока или в схемах с общей базой (ОБ);

• формирование резисторов на сильнолегированных полупроводниковых слоях;

• схемотехническая модернизация каскадов (введение цепей компенсации входных токов, стабилизация режима работы, уменьшение изменения напряжения смещения нуля).


38University

Электрическая схема трансрезистивного усилителя Amplifier_1



39University

Напряжение на выходе усилителя Amplifier_1 до и после воздействия потока нейтронов



до модернизации после модернизации

40University

Электрическая схема программируемого операционного усилителя Amplifier_5



41University

Передаточная характеристика усилителя Amplifier_5 до и после воздействия потока нейтронов




Amplifier_5_initial, Vcc=Vee=5V, Rload=50k

Voff=-85.44u,Fn=5*1013sm-2

Voff=-544.41u, Fn=1013sm-2

Voff=-746.58u,Fn=10-4sm-2

V_Vin-

-4.0mV -2.0mV 0V 2.0mV 4.0mV

V(OUT)

-4.0V

-2.0V

0V

2.0V

4.0V

V_Vin--4.0mV -2.0mV 0V 2.0mV 4.0mV

V(OUT)

-4.0V

-2.0V

0V

2.0V

4.0VAmplifier_5, Vcc=Vee=5V, Rload=50k

Voff=-564.88u,Fn=5*1013sm-2

Voff=-556.91u,Fn=1013sm-2

Voff=-620.41u,Fn= sm10-4 -2

42University

Электрическая схема компаратора Comparator_1



43University

Выходное напряжение компаратора Comparator_1 до и после (штриховая)

воздействия потока нейтронов Fn=1014sm-2



Передаточная характеристика компаратора Comparator_1 до и после

воздействия потока нейтронов

44University

Входные токи компаратора Comparator_1 до и после воздействия потока нейтронов




45University

Особенности ОУ с высоким уровнем радиационной стойкости

(раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)


Требования к схемотехнике ОУ с высоким уровнем радиационной стойкости :

1. В качестве критерия качества при схемотехническом синтезе и оптимизации следует выбирать минимальное изменение определяющего параметра ИС при радиационном воздействии (например, для быстродействующего ОУ – скорости нарастания выходного напряжения, для прецизионного – напряжения смещения или уровня шумов).

2. Не применять горизонтальные Lp-n-p-транзисторы для усиления, заменять их p-ПТП.

3. Источники вытекающего тока целесообразно выполнять на p-ПТП, а втекающего – на n-p-n-транзисторах.

4. Для двухкаскадного ОУ входной дифференциальный каскад рекомендуется выполнить на:-n-p-n-транзисторах с источником втекающего тока;- на p-ПТП с источником вытекающего тока;- комбинации n-p-n- и p-ПТП с перекрестными связями (ток дифференциального каскада определяется напряжением затвор-исток p-ПТП.


5. Промежуточный каскад может быть реализован на:

- n-p-n-транзисторах, если дифференциальный каскад выполнен с использованием p-ПТП;

- симметричном "перегнутом каскоде" с использованием p-ПТП;

- на несимметричном "перегнутом каскоде" с использованием p-ПТП.

6. Выходной каскад должен быть выполнен по схеме двухтактного повторителя напряжения с использование комбинации p-ПТП и n-p-n-транзисторов.

7. При проектировании программируемого ОУ следует выбирать схемную конфигурацию с минимальным количеством источников тока, задающих статический режим, причем желательно, чтобы все источники тока были либо втекающего либо вытекающего тока. Программируемые источники вытекающего тока целесообразно сформировать на p-ПТП или p-n-p-транзисторах, однако необходимо предусмотреть компенсацию деградации их усиления при радиационном воздействии, например, использовать отрицательные обратные связи для стабилизации тока коллектора p-n-p- транзистора.

Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости



Электрическая схема источника опорного напряжения ref_3




Выходное и нормированное выходное напряжение ref_3 до и после воздействия потока нейтронов



Ref_3

V_Vcc

4.0V 5.0V 6.0VV(OUT)

1.45V

1.46V

1.47V

1.48V

1.49V

1.47342@Fn=1e14sm-2

1.45645@Fn=1e13sm-2

1.45422@Fn=1e12sm-2

1.45397@Fn=1e-4sm-2

V_Vcc

4.0V 5.0V 6.0VV(OUT)/1.45397V

1.000

1.010

1.020

0.995

1.030

1.01337@Fn=1e14sm-2

1.00170@Fn=1e13sm-2

1.00017@Fn=1e12sm-2

1.00000@Fn=1e-4sm-2

Ref_3


Электрическая схема источника опорного напряжения ref_5




Выходное и нормированное выходное напряжение ref_5 до и после воздействия потока нейтронов



Ref_5

V_Vcc

4.5V 5.0V 5.5V 6.0V 6.5VV(OUT)

2.15V

2.20V

2.11V

2.22V

2.17878@Fn=1e14sm-2

2.12998@Fn=1e13sm-2

2.12426@Fn=1e12sm-2

2.12363@Fn=1e-4sm-2

V_Vcc

4.5V 5.0V 5.5V 6.0V 6.5VV(OUT)/2.12363V

1.000

1.020

1.040

0.995

1.045

1.02605@Fn=1e14sm-2

1.00300@Fn=1e13sm-2

1.00030@Fn=1e12sm-2

1.00000@Fn=1e-4sm-2

Ref_5


Электрическая схема источника опорного напряжения ref_ST




Выходное и нормированное выходное напряжение ref_ST до и после воздействия потока нейтронов



Ref_ST

V_Vcc

8.0V 9.0V 10.0V7.2VV(OUT)

2.920V

2.930V

2.915V

2.940V

2.93869@Fn=1e14sm-2

2.91909@Fn=1e13sm-2

2.91694@Fn=1e12sm-2

2.91670@Fn=1e-4sm-2

V_Vcc

8.0V 9.0V 10.0V7.2VV(OUT)/2.91670V

1.000

1.004

0.999

1.008

1.00754@Fn=1e14sm-2

1.00082@Fn=1e13sm-2

1.00008@Fn=1e12sm-2

1.00000@Fn=1e-4sm-2

Ref_ST

53University

Заключение1. Для обеспечения производства радиационно-стойких аналоговых микросхем выполнен ряд работ, в том числе:

• модернизирован технологический маршрут изготовления БиПТП ИС;

• создан базовый матричный кристалл «АБМК_1_3»;

• проведены радиационные испытания тестовых транзисторов, резисторов, микросхемы «Тетрод-Б», изготовленных по БиПТП- технологии, на установке ИБР-2, ОИЯИ (г. Дубна, РФ); ИС 8-ми канального усилителя-формирователя-дискриминатора «АНОД» - на установке IRRAD2, CERN (г. Женева, Швейцария).

2. Радиационные испытания позволили установить, что:

• n-p-n, p-ПТП сохраняют свою работоспособность при поглощенной дозе гамма-излучения 1 Мрад и потоке нейтронов 2*1014 н/см2, а горизонтальные p-n-p- транзисторы - при потоке нейтронов до 9*1012н/см2;

• примененные конструктивно-схемотехнические решения обеспечили отсутствие в ИС «АНОД» эффекта «защелкивания», вплоть до интегрального потока нейтронов 6*1011н/см2 с энергией Еn>20МэВ.


54University

Заключение3. Сформулирован и реализован комплексный подход к проектированию радиационно-стойких микросхем:

• описано влияние проникающей радиации на характеристики интегральных элементов в “Spice- подобных” программах, которое проверено при моделировании ВАХ элементов «АБМК_1_3»;

• разработаны требования к синтезу аналоговых ИС со средним уровнем и ОУ с высоким уровнем радиационной стойкости;

• уточнены методики дистанционного контроля работоспособности аналоговых ИС, создана экспериментальная установка для измерений ИС при радиационном облучении и методика регистрации одиночных событий, позволяющая отдельно зафиксировать кратковременные сбои и «защелкивания».

4. Для элементов «АБМК_1_3» спроектированы ИС трансрезистивного и операционного усилителей, компаратора, источников опорного напряжения малочувствительные к воздействию потока нейтронов величиной до 1013 см–2.


55University

Особенности радиационных испытаний

аналоговых микросхем




[email protected]

56University

Совершенствование методик радиационных испытаний

(раздел подготовлен Чеховским В.А.)

Контроль функционирования ОУ при облучении

Схема включения ОУ в режиме усиления напряжения

Возможное изменение выходного сигнала ОУ при радиационном воздействии и Uвх=0,

uвх=const

ГС

R1*

R2* С1

DA1

ВхВых

R1

R2

Sw1

Sw2

D, Ft

UВЫХСУМ

t2t0 t1 t3

UВЫХ

uВЫХuВЫХ

UВЫХСУММАКС

,2ВХ1

2СМВЫХ RI

R

RUU

,1

ОУ2

1ВЫХВХ

KR

Ruu

.

11

1

ОУ11

2

ВЫХ2

ВЫХ12

ОУ21

KR

R

u

uR

KR


57University

Контроль функционирования компаратора при облучении

Схема включения компараторанапряжения

Возможное изменение выходного сигнала компаратора при радиационном воздействии

DA1

uВХ+

R2

R1

UВХ-

t2t0 t1 t3

UВЫХСУМ

uВХ+

U(t)

D, Ft




58University

При регистрации одиночных событий (SEE-эффекты) необходимо различать тиристорный эффект (SEL) и кратковременные сбои (SEU).При SEU-эффекте на выходе аналогового устройства появляется «ложный» кратковременный импульс напряжения и происходит изменение тока потребления, но ИС не теряет работоспособность. Для регистрации SEU-эффекта рекомендуется считать импульсы выходного напряжения аналогового устройства при постоянном напряжении на его входах. Инженерный критерий SEU-эффекта: SEU-событие происходит, если при входном постоянном напряжении на выходе аналогового устройства появляется кратковременный импульс с размахом более 10% типового выходного сигнала.




Регистрация одиночных событий

59University

SEL-эффект вызывает значительное и продолжительное увеличение тока потребления и прекращение функционирования ИС, которое может быть устранено только при выключении и повторном включении источников напряжения питания.При регистрации SEL-событий рекомендуется использовать следящий порог: за оговоренное количество периодов входного синусоидального напряжения определяется среднеквадратическое значение тока потребления (IПСКЗ) и устанавливается величина порогового тока (IПОР), при превышении которого источники напряжения питания автоматически отключаются и находятся в выключенном состоянии до повторного включения (перезапуска). Каждый перезапуск источников напряжения питания рассматривается как SEL-событие. IПОР = (1,5…2)IПСКЗ.

I(t)

t t2t0 t1 t3 t4

IП

IПОР

Предполагаемое изменение тока потребления IП

и следящего порога IПОР при радиационном воздействии




60University

Блок-схема установки для измерений во время облучения и регистрации одиночных событий при использовании радионуклидных (не импульсных)

источников


Совершенствование методик радиационных испытаний(раздел подготовлен Чеховским В.А.)

МО - Модуль основной

ЭМО – электронный модуль с образцом

СУ - согласующее устройство

ГС – генератор сигналов произвольной формы

ИП – источник питающих уровней

Сч – счетчик импульсов

Х –электрические разъемы

ЭМО1

ИП1

СчКанал 1

MО

ЭМО2ИП2

СУ

USB

X1

X2 X3

ГС1

ГС2

X4

Канал 2

ЦАП АЦП



61University

Установка для измерений во время облучения и регистрации одиночных событий



Стандартное оборудование:

Осциллограф В-423.

Генератор сигналов произвольной формы В-332 и аналого-цифровой порт В-381 в составе измерительного многофункционального комплекса «УНИПРО»

Специализированное оборудование:

ИП – источник питающих уровней

МО - модуль основной

ЭМО – электронный модуль с образцом

СУ - согласующее устройство

МОИП1-2

ЭМО СУ

ГССч

ЦАП АЦП



62University

Специализированное оборудование в составе установки для измерений во время облучения и регистрации одиночных событий



ИП:

•Четыре канала (по два положительных и отрицательных уровня)

•Линейный выход в каждом канале для независимого измерения тока потребления

•Регулировка выходного уровня напряжения

•Регулировка уровня срабатывания схемы защиты от «защелкивания»

•TTL -выход для регистрации момента «защелкивания» МО + ЭМО:

•Монтаж образца в зоне облучения

•Подключение кабелей для подачи/съема сигналов и уровней питания

•Быстрая замена образцов в зоне облучения

•Унифицированная схема подключения ИС для паспортизации параметров до/во время/после облучения



63University

Основные параметры установки для измерений во время облучения и регистрации одиночных событий при использовании радионуклидных (не импульсных) источников



Диапазон регулировки выходных уровней питания: 3.5 7.0 В ( -3.5 -7.0 В)Максимальный выходной ток : до 100мА/каналМинимальный порог срабатывания схемы защиты от «защелкивания» : <2мАСредняя задержка срабатывания схемы защиты : <2мкс*Интервал времени между моментом срабатыванием защиты и повторным включением канала ИП : 40 – 120 мкс (регулируется)Точность измерения тока потребления, не хуже: 25 мкАЕмкость нагрузки (на канал): от 10 до 200 нФ

*) при среднем токе потребления 20 мА/канал и емкости нагрузки <20 нФ

ЭМО1

ИП1

СчКанал 1

MО

ЭМО2ИП2

СУ

USB

X1

X2 X3

ГС1

ГС2

X4

Канал 2

ЦАП АЦП

МОИП1-2

ЭМО СУ

СчЦАП АЦП

Количество образцов ИС, находящихся в зоне облучения: 2 шт.Максимальная частота регистрации SEE событий: 10 кГцВходные сигналы ЭМО: импульсное и синусоидальное напряжениеИзмеряемые параметры: ток потребления образцов (по 4 каналам), амплитуда (размах), частота и

коэффициент заполнения выходного сигнала ЭМО

64University

Осциллограммы в основных узлах ИП и ЭМО (с ТИУ Ampl-1.14)

(тестовый режим)



Сверху вниз:

•Импульс тока нагрузки при имитации «защелкивания» (масштаб по вертикали 20мА/дел.)

•Напряжение на шине уровня питания Vcc (масштаб по вертикали 5В/дел.)

•Форма сигнала на дифференциальном выходе ТИУ Ampl-1.14. (масштаб по вертикали 5В/дел.).

Входной сигнал: синусоидальный

65University

Осциллограммы в основных узлах ИП и ЭМО (с компаратором напряжения

Cmp-1.17) (тестовый режим)





•Напряжение на шине уровня питания Vcc (масштаб по вертикали 5В/дел.)

•Форма сигнала на дифференциальном выходе компаратора напряжения Cmp-1.17. (масштаб по вертикали 1В/дел.).


66University

Осциллограммы в основных узлах ИП и ЭМО (с ТИУ Ampl-1.14)

(тестовый режим)Влияние емкости нагрузки: шина Vcc ЭМО

шунтирована конденсатором >200нФ





•Напряжение на шине питания Vcc (+5В) (масштаб по вертикали 5В/дел.)

•Форма сигнала на дифференциальном выходе ТИУ Ampl-1.14. (масштаб по вертикали 5В/дел.).


67University

Предварительные измерения параметров образцов

Коэффициент заполнения выходного сигнала в зависимости от входного тока инвертирующего входа (InInv) при различных амплитудах входного синусоидального напряжения.

R1=10 Ом, R2=10 кОм



ИС компаратора Cmp-1.17

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

-20 -10 0 10 20 30

100mV

250mV

500mV

Ток, мкА

Коэ

фф

иц

иен

т за

пол

нен

ия,

%

DA1

uВХ+

R2

R1

UВХ-

Образец №43

Входной ток смещения (покоя) инвертирующего входа: ~2.5мкА

100 кГц

Оценка точности измерений в зависимости от амплитуды и частоты входного сигнала.

Ток, мкА

Ст.

отк

л.,

%

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

-10 -5 0 5 10 15

100 kHz

500 kHz

UA=100мВ

68University

Учет влияния проникающей радиации в «Spice-

подобных» программах




[email protected]

69University

Радиационное изменение «SPICE-параметров» n-p-n БТ

,11

~~0

0

DCABABCAB

JC

B

NNNdN

C

QVAF

,1

~~2

ABAB

NB

BAAB

EINB

NNWN

SnqDIS


Учет влияния проникающей радиации

,111

00NBNτNB

F

FKTFBF

FKTFBFBF

,~~AB

DE

ABPE

DENB

PEBAAB

NBEDE

N

N

N

N

DWN

DxNBF

70University

npn

ddPN

nKvqn

d

dISEISE SURFEFE

AB

ISURFSFI

E

EFF

для

,0

pnLp

WPN

nKvqn

d

dISEISE BAE

DB

ISURFSFI

E

EFF

для

,0



Радиационное изменение «SPICE-параметров»

,1

~2

2

NBNB

BA

D

WTF



Зависимость скорости поверхностной рекомбинации vSF от дозы поглощенного излучения DE быстрых электронов. Штриховая линия –

известные экспериментальные данные, сплошная линия – примененная аппроксимация


72University

,~~0ABNBAB

EBAABEB NNTF

SWqN

TF

SQIKF

,~,~,~ 111 ABDEDC NRBNRENRC

.~101,1

60 75.075.0

16

5,1

B

BGBR N

NEV




73University

Радиационное изменение «SPICE-параметров» ПТП

,~3

4 0CH

CH

aL

WBETA

,~2 0

2

CHCH N

aqNVTO

.~,~,~ 115,0 SDCH NRSNRDNLAMBDA



74University

Радиационное изменение основных параметров полупроводников

,exp0

FKn

nN

F

,1

0cn

KN

.11

0

FKF





Учет фототоков в интегральных элементах

76University

Работоспособность моделей проверена при моделировании ВАХ элементов «АБМК_1_3».

Кроме деградации β при воздействии потока нейтронов и гамма-излучения, выявлено:

• отсутствие изменения выходного малосигнального сопротивления n-p-n- транзисторов и уменьшение выходного малосигнального сопротивления горизонтальных p-n-p-транзисторов при воздействии потока нейтронов, что может быть объяснено существенно большей концентрацией примеси в базе n-p-n, по сравнению с p-n-p;

• отсутствие изменения характеристик p-ПТП при гамма- облучении и небольшое уменьшение напряжения отсечки при воздействии потока нейтронов, что может быть объяснено незначительным изменением подвижности и уменьшением концентрации основных носителей заряда в канале p-ПТП.



77University

Зависимость β от эмиттерного тока n-p-n- транзистора типа 2GC

a) при различной величине интегрального потока нейтронов Fn

б) при различной величине поглощенной дозы гамма-излучения Dg


Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3»


Dg=1Mrad

Dg=300krad

Dg=100rad2GC

I_Ie

1.0uA 10uA 100uA 1.0mA 10mAI(Q1:c)/I(Q1:b)

0

25

50

75

100

I_Ie


0

25

50

75

100

I_Ie


0

25

50

75

100

I_Ie


0

25

50

75

100

Dg=5Mrad

Fn=1e14sm-2

Fn=1e13sm-2

Fn=1e-4sm-22GC

Fn=1e12sm-2

I_Ie


0

25

50

75

100

78University

ВАХ в схеме с ОЭ n-p-n- транзистора типа 2GC






Ib=1u

Ib=1u

Ib=3u

Ib=3u

2GC

Fn=1e14sm-2

Fn=1e-4sm-2

V_Vc

0V 4V 8V 12VI(Q1:c)

0A

200uA

400uA

600uA

Dg=100rad

Ib=3u

Ib=1uIb=1u

Ib=3u

2GC

Dg=1Mrad

V_Vc

0V 4V 8V 12VI(Q1:c)

0A

200uA

400uA

600uA

79University

Нормированная ВАХ в схеме с ОЭ n-p-n- транзистора типа 2GC a) при потоке нейтронов Fn=1014см–2 б) при поглощенной дозе Dg= 1 Мрад




Dg=100rad

Ib=3u2GC

Dg=1Mrad

V_Vc

0V 4V 8V 12VIc/Ic(Vc=1)

0

1.0

2.0

3.0

4.0

Ib=3u2GC

Ic/Ic(Vc=1) V_Vc

0V 4V 8V 12V0

1.0

2.0

3.0

4.0

Fn=1e14sm-2

Fn=1e-4sm-2

80University

Зависимость β от эмиттерного тока p-n-p транзистора типа PNPJFpnp






PNPJFpnp

0

10

20

30

I_Ie

0.25mA 0.50mA 0.75mA 1.00mA0.05mAI(Q1:c)/I(Q1:b)

0

10

20

30

Dg=100rad

Dg=100krad

Dg=300krad

Dg=1Mrad

Fn=1e14sm-2

Fn=1e13sm-2

Fn=1e-4sm-2

PNPJFpnp

Fn=1e12sm-2

I_Ie

0.25mA 0.50mA 0.75mA 1.00mA0.05mAI(Q1:c)/I(Q1:b)

0

10

20

30

81University

ВАХ в схеме с ОЭ p-n-p транзистора типа PNPJFpnp






Dg=100rad

Ib=3u

PNPJFpnp

V_Vc

0V 4V 8V 12V-I(Q1:c)

0A

50uA

100uA

150uA

Ib=3u

Ib=1u

Ib=1u

Dg=100krad

Ib=1u

Ib=1u

Ib=3u

Ib=3u

PNPJFpnp

Fn=1e14sm-2

Fn=1e-4sm-2

V_Vc

0V 4V 8V 12V-I(Q1:c)

0A

50uA

100uA

150uA

82University

Нормированная ВАХ в схеме с ОЭ p-n-p транзистора типа PNPJFpnp

a) при потоке нейтронов Fn=1014см–2 б) при поглощенной дозе Dg= 100kрад




Dg=100rad

Ib=3uPNPJFpnp

Dg=100krad

V_Vc

0V 4V 8V 12V0

1.0

2.0

3.0

Ic/Ic(Vc=1)

Ib=3uPNPJFpnp

Ic/Ic(Vc=1)

Fn=1e14sm-2

Fn=1e-4sm-2

V_Vc

0V 4V 8V 12V0

1.0

2.0

3.0

83University

Результаты моделирования ВАХ

Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при различной величине интегрального потока нейтронов Fn

a) p-ПТП типа PNPJFjfet б) p-ПТП типа PADJ




PADJ,Vds=3

Fn=1e14sm-2

Fn=1e-4sm-2

Id V_VGS

0V 1.0V 2.0V 3.0V0A

5.0mA

10.0mA

PNPJFjfet,Vds=3

Fn=1e14sm-2

Fn=1e-4sm-2

Id V_VGS

0V 1.0V 2.0V 3.0V0A

50uA

100uA

150uA

200uA

84University

ВАХ в схеме с ОИ при различной величине интегрального потока нейтронов Fn

a) p-ПТП типа PNPJFjfet б) p-ПТП типа PADJ




Vgs=0

PNPJFjfet

Fn=1e14sm-2

Fn=1e-4sm-2

V_VSD

0V 5V 10VId

0A

50uA

100uA

150uA

200uA

Vgs=0

Vgs=0.5

Vgs=0.5

Vgs=0

Fn=1e14sm-2

Fn=1e-4sm-2

Id V_VSD

0V 5V 10V0A

4mA

8mA

12mAPADJ

Vgs=0

Vgs=0.5

Vgs=0.5

Комплексный подход к проектированию...

Documents