Strålingsbestandigt integreret kredsløb - et integreret kredsløb , som har øgede krav til modstand mod fejl forårsaget af udsættelse for stråling . De vigtigste anvendelsesområder for sådanne kredsløb er rumfartøjer , militærudstyr og medicinsk elektronik.
Højenergipartikler genererer gammastråling , røntgenstråler og tunge ioner , når de decelererer i materialet i en elektronisk enheds krop . Disse partikler ioniserer CMOS-transistorstrukturer , især gate- og gate-oxidet. Som et resultat ændres parametrene for transistorer, såsom: lækstrømme , stignings- og faldtider for fronterne. Graden af ødelæggelse af det integrerede kredsløb stiger både med væksten af den samlede modtagne dosis af stråling og med væksten af intensiteten af ekstern bestråling.
En stor øjeblikkelig strålingsdosis kan forårsage en spændingsimpuls på strømskinnerne, som fører til: tilfældige koblingsfejl ( eng. Single Event Transient, SET ), til latch-up af transistorer ( eng. latch-up ), samt beskadigelse af strømledere.
En stigning i lækstrøm øger den effekt, der spredes i transistorens slukkede tilstand, hvilket kan føre til overophedning og termisk ødelæggelse af transistoren.
De mest almindelige problemer er forårsaget af de såkaldte tilfældige effekter ( Single Event Effects, SEE ), som opstår, når det integrerede kredsløb bestråles med tunge partikler ( kosmiske stråler , protoner , elektroner , alfapartikler , termiske neutroner osv.). Når de passerer gennem hovedparten af halvlederen , efterlader de et spor (spor) af gratis ladningsbærere . Dette fører til generering af elektron-hul-par i gate-oxidet af konventionelle CMOS-kredsløb.
Oftest fører tilfældig påvirkning til enkeltfejl ( Single-event Upset, SEU ) . Typisk forekommer sådanne hændelser i hukommelsesceller eller i statiske triggere , når ioner rammer dem. Den resulterende strømimpuls overfører cellen eller triggeren til den modsatte tilstand (dette svarer til "ikke" softwarekommandoen, det vil sige bitvis inversion). Efter at have opdaget en sådan hændelse, kan dens konsekvenser let elimineres ved at overskrive den forkerte tilstand. Jo mindre transistoren er, jo mindre mængden af ladning, der kræves for at skifte kredsløbets tilstand, og jo større er sandsynligheden for en enkelt fejl. Som et resultat er der en faktor, der begrænser minimumsstørrelsen af transistorer, der er egnede til drift under strålingsforhold.
En anden konsekvens af tilfældig eksponering er snapping af transistorer. Årsagen til, at transistorerne låser, ligger i tilstedeværelsen af parasitstrukturer bygget ved hjælp af CMOS-teknologi i integrerede kredsløb fra par af pnp- og npn-transistorer, som tilsammen danner et kredsløb tæt på en tyristor . Det høje potentiale forårsaget af ionen danner en strømimpuls, der åbner en sådan "tyristor", og dette fører allerede til fremkomsten af en stor strøm gennem transistorstrukturerne, og denne strøm aftager ikke selv efter fjernelse af det forårsagede høje potentiale af ionen. Som følge heraf overophedes enheden og kan helt svigte.
For at forbedre strålingsmodstanden for integrerede kredsløb anvendes en række foranstaltninger på alle designstadier: valg af kredsløbsløsninger, CAD -modellering , fremstilling, emballering .
Den mest udbredte metode er silicium -på-isolator ( SOI ) teknologi . Det består i at indføre et lag ilt i overfladen af substratet , som, når det opvarmes, danner et kontinuerligt lag af siliciumoxid med en tykkelse på omkring 0,2 mikron. Dette lag isolerer CMOS-kanalen fra siliciumsubstratet.
Et sådant designskema reducerer lækstrømme, parasitære kapacitanser og eliminerer dannelsen af "tyristorer".
Til rum- og militærapplikationer er det nødvendigt at øge modstanden af det dybe oxid betydeligt, ellers kommer ladningen induceret af gammastråling til sidst ind i oxidet og rekombinerer derefter til SiO 2 -Si-grænsefladen, hvilket ændrer transistorens tærskelspænding. For at bekæmpe dette fænomen organiseres en mulighed for, at ladningen kan flyde fra kontaktområdet af oxid og silicium til jordbussen. Ulempen ved denne kredsløbsteknik er en reduktion på 30 % i brugbart areal, så denne teknik bruges ikke i kommercielle applikationer, der ikke er relateret til rumaktiviteter.
Omkostningerne ved den endelige enhed produceret af den teknologiske proces " silicium-på-isolator " ( eng. Silicon-on-isolator, SOI ) kan være 5-10 gange højere end produktionsomkostningerne ved brug af konventionel CMOS-teknologi.
Metoden er baseret på oprettelsen af flere lignende enheder og udvælgelsen af den endelige værdi af enhedens tilstand af afstemningskredsløbet baseret på værdierne ved udgangene af disse enheder. Troping giver dig mulighed for fuldstændigt at eliminere konsekvenserne af enkeltfejl. Stråling er kun i stand til at ændre tilstanden af et sådant kredsløb, når flere noder lider på én gang. Denne fremgangsmåde fører imidlertid til en stigning i det nødvendige matriceareal og øger forsinkelser og strømforbrug.
Der er mere komplekse kredsløb, der ikke kun giver den korrekte værdi, men også genopretter tilstanden af de berørte knudepunkter - feedback er organiseret til dette.
Flip-flops er nogle gange udstyret med undersystemer, der forhindrer den i at skifte i løbet af rekombinationstiden af ladningerne genereret af den invaderende ion. Ulempen ved denne metode er den reducerede ydeevne af systemet som helhed.
Anti-jamming-kodning : paritetsbits eller korrektionskoder ( engelsk ECC ) bruges af mange producenter til at beskytte store mængder hukommelse. Men når hukommelsen udsættes for relativt højenergi-neutroner, opstår der sekundært ladede partikler, som er i stand til at igangsætte skift af flere celler på én gang, i sådanne tilfælde er paritetskontrollen ikke længere i stand til at detektere en fejl.
En anden tilgang er at gemme flere datalinjetilstande med et eller andet interval og derefter stemme baseret på de gemte tilstande. Hvis konserveringsintervallet er længere end virkningstiden for en ladet partikel på et integreret kredsløb, så beskytter en sådan organisation godt mod enkelte effekter. Denne metode er imidlertid følsom over for fejl på urlinjen og øger også arealet af nodekredsløbet med omkring en faktor tre.