Härten und Testen von Halbleitervorrichtungen in der Weltraumstrahlung Umwelt
Der Raum ist ein herausforderndes Umfeld, vor allem aufgrund der intensiven Strahlung begegnet in fast allen Einsatzprofile. Um die Auswirkungen der Strahlung auf elektronische Systeme und Komponenten zu verstehen, ist es nützlich, zunächst die Quelle der Strahlung in Betracht ziehen.
Strahlung im Weltraum besteht überwiegend aus Elektronen, Protonen und energetischen Schwerionen. Diese moderate energetischen Teilchen sind meist ein Teil des Sonnenwindes und sind anisotrop. Überlagert auf dieser Teilchenfluss sind sehr hochenergetischer galaktischen und extragalactic schweren Ionen, die isotrop sind.
Die Erdmagnetfeld Fallen moderate energetische Teilchen (Elektronen und Protonen) in den Van-Allen-Gürteln. Je nach der Umlaufbahn des Satelliten, führt dazu, dass die Bänder die meisten der ionisierenden Strahlung Schaden. Die Magnetosphäre wirkt hochenergetischer Protonen und Schwerionen als gut, aber sie sind viel schwieriger zu stoppen.
So wie interagieren diese Teilchen mit den Materialien in elektronischen Geräten verwendet werden? Solar Elektronen und Protonen sind sehr umfangreich und verursachen Ionisation in Materialien. In einem vereinfachten Modell, diese geladenen Teilchen erzeugen Loch-Elektronenpaare in den thermischen Oxide in ICs verwendet.
Die Elektronenbeweglichkeit in diesen Oxiden ist sehr hoch, und das angelegte elektrische Feld fegt die Elektronen aus dem Oxid in Picosekunden. Die Lochbeweglichkeit ist viel geringer, so dass ein viel größerer Teil der Löcher wird gefangen. Das Nettoergebnis dieser asymmetrischen Trapping Dynamik positiv Volumenladung, mit ernsten Auswirkungen auf die Eigenschaften von sowohl bipolare als auch MOS-Komponenten.
Elektron und Proton-Test ist unbequem und sehr teuer, obwohl, so hat sich die Raumfahrt historisch Gammastrahlen für Bodentests verwendet. Es ist eine Simulation, aber wir haben 50 Jahre Korrelation und hohes Vertrauen hochenergetischer Photonen unter Verwendung eines Teils Reaktion auf geladene Teilchen vorherzusagen. 60 Co ist eine kostengünstige Gammastrahlenquelle und ist für die „Gesamtdosis“ Tests weit verbreitet, in denen die Dosisleistung schließlich gefunden wurde, eine wichtige Rolle spielen.
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Eine Niederdosisleistungstest auf 100 krad (Si) dauert 20 Wochen, die Termine ausstreckt und erhöht die Kosten Screening. Low-dose-rate Härte hat sich zu einem wichtigen Härte Sicherung (HA) Problem geworden, mit vielen Benutzern Beharren auf Low-dose-rate-Tests auf einer Charakterisierung oder Akzeptanz Basis und Nachverzerrung hochdosierte Tests.
Die Wirkungen von reichlich vorhandenen energieärmere Teilchen sind einheitlich durch das Volumen des Halbleiterchips, während die viel weniger reichlich vorhandene hochenergetischen Schwerionen (bekannt etwas falsch als kosmische Strahlung) Einzelereigniswirkungen hat, die definiert ist als die Wechselwirkung eines einzigen energetischen Ion mit einer Siliziumvorrichtung.
Diese hochenergetischen Teilchen verlieren Energie, wie sie durch das Halbleitergitter passieren, eine dichte Spur Loch-Elektron-Paare zu erzeugen (Fig. 2). Die sich ergebende Ladung wird durch in Sperrichtung vorgespannten Übergängen gesammelt werden und wird in ein Spannungsimpuls umgewandelt werden. Diese gesammelte Ladung kann die Spannung an empfindlichen Knoten ändern, welche Schaltung Betrieb beeinträchtigen können.
2. Eine schematische Querschnittszeichnung einer MOS-Vorrichtung zeigt das Zusammenwirken eines energetischen Schwerionen mit der Struktur der Vorrichtung. Man beachte die eingehenden Teilchenbahn, der Verengungsbereich und die Sammlung der erzeugten Ladung durch die in Sperrichtung vorgespannte Drain mit Körper-Übergang. (Mit freundlicher Genehmigung von CERN)
Single-Event-Effekte (SWU) in zerstörende und zerstörungsfreie Phänomene unterteilt werden. Nicht zerstörende Effekte umfassen Bit Flips, funktionelles Interrupts in digitalen Anwendungen und Transienten an den Ausgängen der Analog-Funktionen. Die Bit-Flips können durch ein Umschreiben oder einen Neustart, aber Einzelereignis Transienten sind besonders schwer zu behandeln in Power-Management-Anwendungen korrigiert werden.
Zerstörenden Wirkungen umfassen Latchup, Ausbrennen und MOS Gateoxid Ruptur, von denen alle zu einer dauerhaften Schädigung, nicht funktionellen Teile führen kann, und mögliche Mission Versagen. Die am häufigsten verwendete Einheit in SEE Arbeit ist der lineare Energietransfer (LET) des ankommenden Ion, das den Energieverlust (dE / dx) pro Einheitsspurlänge für eine gegebene Materialdichte ist gleich und wird in MeVcm 2 / mg ausgedrückt. Schwerionen-Effekte werden durch die Verwendung eines Zyklotrons als Ionenstrahlquelle üblicherweise simuliert.
Abschirmung, dann ist unwirksam, wenn die Partikelenergie im Giga-Elektronenvolt (GeV) Bereich liegen kann. Es filtert nur das Niedrigenergie-Ende des Spektrums aus. Der Hochenergie-Ionenfluss wird nicht beeinflusst, und Eindämmung muß daher an den Komponenten- und Systemebenen durchgeführt werden.
Hardening Semiconductor Devices
Härten Raumsysteme ionisierende Dosis auf insgesamt und SWU erfordert Aufmerksamkeit auf all ihren Ebenen. Gesamtdosis ionisierender verursacht parametrischen Abbau in Halbleiterteilen, und dies ist besonders schwierig für bipolare Analogteile in der Niedrigdosis-Rate-Umgebung.
Single-Event-Transienten (Sätze) in analogen Signalketten zeitkontinuierliche können Ungenauigkeiten und Systemstörung verursachen. Diese Transienten können Tiefpassfilterfunktionen herausgefiltert werden, verwenden, aber die vorübergehende Dauer muss niedrig sein, dieser Ansatz wirksam zu sein.
Als Beispiel eines gehärteten Operationsverstärker mit überlegenem SET und Gesamtdosis Leistung wird der ISL70444SEH quad-Operationsverstärker für eine maximalen Dynamikbereich, rail-to-rail Ein- und Ausgabesignalbereich, und berechenbare Reaktion optimiert. Es ist für einen einzigen Versorgungsbereich von 3 V bis 36 V oder einen geteilte Versorgungsspannungsbereich von ± 1,5 V für den Betrieb über 18 V bis ± es eine ausgezeichnete Leistung in der Gesamtdosis und SEE Umgebungen gezeigt hat, einschließlich Niedrig- und Hoch Dosisrate Gesamtdosis Prüfung und zerstörende und zerstörungsfreie Prüfung SEE. 1
Typischerweise werden SET Wellenformen an einem LET von 86,4 MeV.cm 2 / mg erhalten. Übereinanderlegen einer Anzahl dieser Wellenformen auf einer gemeinsamen Satz von Achsen bildet einen „Umschlag“ aufgetragen, die Auswertung auf einen Blick (Fig. 3) ermöglicht. Die ISL70444SEH wird mit dem Intersil PR40 dielektrisch isolierte (DI) komplementären Bipolar-Prozess aufgebaut, die eine ausgezeichnete Gesamtdosis und SEE Härte gezeigt hat. 2
Die passiv isolierte Struktur eliminiert Einzelereignis-Latchup und unterstützt vertikale PNP-Transistoren anstelle der häufiger verwendeten seitlichen Vorrichtungen. Die Gesamtdosis-Empfindlichkeit von seitlichen Vorrichtungen ist bekannt. Der PR40 Prozess ist qualifiziert Hersteller List (QML) zertifiziert und in Volumen der kommerziellen Produktion. Die ISL70444SEH ist in einem 14-lead hermetischen Keramik-Flachgehäuse und von -55 ° C bis 125 ° C spezifiziert.
Als zweites Beispiel betrachten wir eine Power-Management-Komponente, die die gesamte ionisierende Dosis verbesserte Leistung in beide bietet und Umgebungen SEE. Die ISL75052SEH ist ein strahlungsgehärtete, Single-Output-Low-Dropout-Regler (LDO), die für Niederspannungs-Hochstrom-Anwendungen wie FPGA Energieverwaltung. Es wird für einen Ausgangsstrom von 1,5 A über einen Eingangsspannungsbereich von 4,0 V bis 13,2 V und einen Ausgangsspannungsbereich von 0,6 V bis 12,7 V. angegebene
Die Verwendung eines P-Kanal-MOSFET-Durchlaßtransistor ermöglicht Dropout Spannungen so niedrig wie 75 mV typisch (bei 0,5 A). Wenn sie aktiviert ist, arbeitet das ISL75052SEH mit einem niedrigen Grundstrom von 11 mA (typisch), die einem Betrieb mit niedrigem Ruhestromverbrauch zur Verfügung stellt. Die Vorrichtung ist stabil mit Tantal-Kondensatoren so günstig wie 47 & mgr; F (KEMET T525-Serie) und eine hervorragende Spannungsregelung von keiner Last bis zur Volllast.
Die ISL75052SEH für vorhersehbare Operation in der SEE-Umgebung entwickelt, einschließlich reduzierte Leistung Einzelereignis transient (SET) Höhe. Umfangreiche SEE Tests wurde an der Texas AM University durchgeführt. 3 Das Teil hat auch eine ausgezeichnete Stabilität über 60 Co Bestrahlung bis 150 krad (Si) bei niedrigen und hohen Dosisraten gezeigt. 4 Es ist im Intersil P6 Prozess aufgebaut ist, ein Submikron-BiCMOS-Prozess für Power-Management-Anwendungen optimiert.
Erhältlich in einem 16-poligen hermetisches Keramik und Flatpack in Werkzeugform bietet die ISL75052SEH garantierte Leistung über die vollen -55 ° C bis 125 ° C militärischen Temperaturbereich.