Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем О.В. Дворников д.т.н., доц. (ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн", г. Минск, Беларусь) - презентация

1 Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем О.В. Дворников д.т.н., доц. (ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн", г. Минск, Беларусь)

2 2 University Особенности 1,5 мкм БиПТП- технологии Применение 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»

3 3 University 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. Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

4 4 University Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Вид структуры кристалла

5 5 University Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Элементы структурыОбозначениеТолщина, мкм Тип проводи- мости Поверхностное сопротивление, Ом/ Пластина кремниевая эпитаксиальная со скрытым слоем ПодложкаH0H0460±20p10±2,0 Ом/см N+ - скрытый слойH16,0±1,0n+35±8 P+ - скрытый слойH22,5±0,3p+150±30 Эпитаксиальный слойH32,3±0,3n-1,0±0,1 Ом/см РазделениеH41,35±0,05–– Глубокий коллекторH52,5±0,4n+22±422±4 Базовый окиселH60,22±0,02–– P - каналH71,4±0,3p-p-5500±700 P+ - базаH80,6±0,1p+80±20 P- базаH90,36±0,04p-560±60 N+ - затворH100,4±0,04n+60±20 N+ - эмиттерH110,22±0,02n+45±5 Металл 1H120,55±0,05–– Межуровневый диэлектрикH130,8±0,1–– Металл 2H141,1±0,1–– ПассивацияH150,9±0,1–– Данные по изготовлению отдельных слоев структуры

6 6 University Наименование параметра, размерность, режим измеренияНорма n-p-n БТ Коэффициент усиления ( I B = 1 мкА, V CE = 1 В, N B = 5) >100 Пробивное напряжение коллектор- эмиттер V CEOBR, В, (база в обрыве)>8 Пробивное напряжение коллектор-база V CBBR, В>12 Пробивное напряжение эмиттер-база V EBBR, В>4,5 L p-n-p БТ Коэффициент усиления ( I B = 1 мкА, V CE = 1 В, N B = 5) >15 Пробивное напряжение коллектор- эмиттер V CEOBR, В, (база в обрыве)>8 Пробивное напряжение коллектор-база V CBBR, В>10 Пробивное напряжение эмиттер-база V EBBR, В>10 Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Параметры транзисторов и тестовых элементов

7 7 University Наименование параметра, размерность, режим измеренияНорма Малосигнальный р- ПТП Максимальный ток стока, мкА, (V DS = 4 В, V GS = 0) Напряжение отсечки, В1,5-2,5 Тестовые элементы p- база, сопротивление слоя, Ом/квадрат n+- глубокий коллектор, сопротивление слоя, Ом/квадрат Напряжение пробоя изоляции, В >16 Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Параметры транзисторов и тестовых элементов

8 8 University 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. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

9 9 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Радиационно-стойкий базовый матричный кристалл «АБМК_1_3»

10 10 University 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. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Радиационно-стойкий базовый матричный кристалл «АБМК_1_3»

11 11 University Результаты радиационных испытаний Место испытаний: установка ИБР-2, канал 3, Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна, РФ). Экспериментальная установка описана в Сообщении ОИЯИ, Р Испытания проведены совместно с Замятиным Н.И. (CMS-RDMS/JINR meeting, Dubna, ). Объект испытаний: тестовые транзисторы, резисторы, микросхема «Тетрод-Б», изготовленные по 1,5 мкм БиПТП- технологии. Условия испытаний: гамма-источник Cs, комнатная температура, без электрического режима. ИнтегральныйПоглощенная доза,Плотность потока поток нейтронов,Мрадили мощность дозы н/см 2, En>100 кэВ 2* ,122*10 10 н/(см 2 *с) 9* *10 10 н/(см 2 *с) -1,0180 крад/ч ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

12 12 University Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора p-n-p- транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия потока нейтронов 9*10 12 н/см 2 Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора p-n-p- транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия потока нейтронов 2*10 14 н/см 2 ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

13 13 University Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора малошумящего n-p-n транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия потока нейтронов 9*10 12 н/см 2 Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора малошумящего n-p-n транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия потока нейтронов 2*10 14 н/см 2 ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

14 14 University Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора малосигнального n-p-n транзистора: 1– до облучения, 2 - после воздействия потока нейтронов 9*10 12 н/см 2 Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора малосигнального n-p-n транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия потока нейтронов 2*10 14 н/см 2 ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

15 15 University 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 ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

16 16 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний Электрическая схема усилителя Тетрод-Б

17 17 University 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*10 12 н/см 2, 3 - после гамма- облучения, поглощенная доза 1 Мрад, 4 - после воздействия потока нейтронов 2*10 14 н/см 2 ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний где S1, S2 – коэффициенты, характеризующие форму импульса на выходе фильтра, соединенного с ИС «Тетрод- Б»

18 18 University Выводы по результатам испытаний: n-p-n, p-ПТП сохраняют свою работоспособность при поглощенной дозе гамма-излучения 1 Мрад и потоке нейтронов 2*10 14 н/см 2, а горизонтальные p-n-p- транзисторы - при потоке нейтронов до 9*10 12 н/см 2. Изменение величины сопротивления резисторов при поглощенной дозе гамма-излучения 1 Мрад и потоке нейтронов 2*10 14 н/см 2 не происходит в пределах погрешности измерений. Среднее изменение параметров p-ПТП составляет условия облученияизменениеизменение максимальногонапряжения тока стока, %отсечки, % 2*10 14 н/см 2 -18,6-8,5 9*10 12 н/см 2 -10,0-3,4 1,0 Мрад-10,6-6,0. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

19 19 University 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. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

20 20 University 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. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

21 21 University Схема проведения эксперимента Shuttle "load" position Test Setup Cable bobbin d=10cm Cable l 40m ASIC position Beam line Primary PS proton beam : Beam line: PS-T8 Beam energy : 24 GeV/c Beam spot (h,v) : 6 x 4 cm2 Secondary particles in the irradiation cavity : neutron : 50 KeV >20 MeV p, +, - : GeV gamma : 100 KeV 100 MeV Shuttle "beam" position ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний 20 MeV p, +, - : 0.3 4 GeV gamma : 100 KeV 100 MeV Shuttle "beam" position ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний">

22 22 University Зависимость постоянного напряжения на выходе формирователя от интегрального потока нейтронов ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

23 23 University Зависимость длительности выходного импульса от интегрального потока нейтронов ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

24 24 University Зависимость среднего значения коэффициента преобразования усилителя от интегрального потока нейтронов ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

25 25 University Зависимость порога срабатывания дискриминатора от интегрального потока нейтронов ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

26 26 University Зависимость шумов от интегрального потока нейтронов ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

27 27 University Исследование эффектов одиночных событий (SEE) при облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВ Схема проведения эксперимента ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

28 28 University Исследование эффектов одиночных событий (SEE) при облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВ 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*10 11 н/см 2 с энергией Еn>20МэВ. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

29 29 University Исследование эффектов одиночных событий (SEE) при облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВ 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 =N seu /F n, где N seu - количество зарегистрированных SEU- событий, F n - интегральный поток нейтронов. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

30 30 University Исследование эффектов одиночных событий (SEE) при облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВ Исследование кратковременных сбоев (SEU) ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

20 МэВ Зависимость среднего значения сечения SEU-эффекта от напряжения управления порого" title="31 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний Исследование эффектов одиночных событий (SEE) при облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВ Зависимость среднего значения сечения SEU-эффекта от напряжения управления порого" class="link_thumb"> 31 31 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний Исследование эффектов одиночных событий (SEE) при облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВ Зависимость среднего значения сечения SEU-эффекта от напряжения управления порогом дискриминатора 20 МэВ Зависимость среднего значения сечения SEU-эффекта от напряжения управления порого"> 20 МэВ Зависимость среднего значения сечения SEU-эффекта от напряжения управления порогом дискриминатора"> 20 МэВ Зависимость среднего значения сечения SEU-эффекта от напряжения управления порого" title="31 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний Исследование эффектов одиночных событий (SEE) при облучении ИС нейтронами с энергией Еn>20 МэВ Зависимость среднего значения сечения SEU-эффекта от напряжения управления порого">

32 32 University Подробная методика и результаты опубликованы ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты радиационных испытаний

33 33 University 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. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

34 34 University 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. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

35 35 University 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. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Подход к проектированию радиационно- стойких микросхем

36 36 University 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. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Подход к проектированию радиационно- стойких микросхем

37 37 University 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). ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

38 38 University Электрическая схема трансрезистивного усилителя Amplifier_1 ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС

39 39 University Напряжение на выходе усилителя Amplifier_1 до и после воздействия потока нейтронов ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС до модернизации после модернизации

40 40 University Электрическая схема программируемого операционного усилителя Amplifier_5 ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС

41 41 University Передаточная характеристика усилителя Amplifier_5 до и после воздействия потока нейтронов ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС до модернизациипосле модернизации

42 42 University Электрическая схема компаратора Comparator_1 ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС

43 43 University Выходное напряжение компаратора Comparator_1 до и после (штриховая) воздействия потока нейтронов Fn=10 14 sm -2 ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС Передаточная характеристика компаратора Comparator_1 до и после воздействия потока нейтронов

44 44 University Входные токи компаратора Comparator_1 до и после воздействия потока нейтронов ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС до модернизациипосле модернизации

45 45 University Особенности ОУ с высоким уровнем радиационной стойкости (раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.) ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» 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.

46 46 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» 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 (раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

47 47 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Электрическая схема источника опорного напряжения ref_3 Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости (раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

48 48 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Выходное и нормированное выходное напряжение ref_3 до и после воздействия потока нейтронов Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости (раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

49 49 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Электрическая схема источника опорного напряжения ref_5 Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости (раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

50 50 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Выходное и нормированное выходное напряжение ref_5 до и после воздействия потока нейтронов Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости (раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

51 51 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Электрическая схема источника опорного напряжения ref_ST Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости (раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

52 52 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Выходное и нормированное выходное напряжение ref_ST до и после воздействия потока нейтронов Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости (раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)

53 53 University Заключение 1. 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*10 14 н/см 2, а горизонтальные p-n-p- транзисторы - при потоке нейтронов до 9*10 12 н/см 2 ; примененные конструктивно-схемотехнические решения обеспечили отсутствие в ИС «АНОД» эффекта «защелкивания», вплоть до интегрального потока нейтронов 6*10 11 н/см 2 с энергией Еn>20МэВ. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

54 54 University Заключение 3. 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 см –2. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

55 55 University Особенности радиационных испытаний аналоговых микросхем О.В. Дворников д.т.н., доц. (ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн", г. Минск, Беларусь)

56 56 University 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 U вх =0, u вх =const ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»

57 57 University Контроль функционирования компаратора при облучении Схема включения компаратора напряжения Возможное изменение выходного сигнала компаратора при радиационном воздействии ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Совершенствование методик радиационных испытаний (раздел подготовлен Чеховским В.А.)

58 58 University 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. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Совершенствование методик радиационных испытаний (раздел подготовлен Чеховским В.А.) Регистрация одиночных событий

59 59 University 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 (I ПСКЗ ) и устанавливается величина порогового тока (I ПОР ), 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. I ПОР = (1,5…2)I ПСКЗ. Предполагаемое изменение тока потребления I П и следящего порога I ПОР при радиационном воздействии ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Совершенствование методик радиационных испытаний (раздел подготовлен Чеховским В.А.)

60 60 University Блок-схема установки для измерений во время облучения и регистрации одиночных событий при использовании радионуклидных (не импульсных) источников ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» 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 Совершенствование методик радиационных испытаний (раздел подготовлен Чеховским В.А.)

61 61 University Установка для измерений во время облучения и регистрации одиночных событий ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Совершенствование методик радиационных испытаний (раздел подготовлен Чеховским В.А.) 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 Совершенствование методик радиационных испытаний (раздел подготовлен Чеховским В.А.)

62 62 University Специализированное оборудование в составе установки для измерений во время облучения и регистрации одиночных событий ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Совершенствование методик радиационных испытаний (раздел подготовлен Чеховским В.А.) 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 Совершенствование методик радиационных испытаний (раздел подготовлен Чеховским В.А.)

63 63 University Основные параметры установки для измерений во время облучения и регистрации одиночных событий при использовании радионуклидных (не импульсных) источников ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Совершенствование методик радиационных испытаний (раздел подготовлен Чеховским В.А.) Диапазон регулировки выходных уровней питания: В ( В) Максимальный выходной ток : до 100мА/канал Минимальный порог срабатывания схемы защиты от «защелкивания» :

64 64 University Осциллограммы в основных узлах ИП и ЭМО (с ТИУ Ampl-1.14) (тестовый режим) ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Совершенствование методик радиационных испытаний (раздел подготовлен Чеховским В.А.) 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 (масштаб по вертикали 5В/дел.). Входной сигнал: синусоидальный

65 65 University Осциллограммы в основных узлах ИП и ЭМО (с компаратором напряжения Cmp-1.17) (тестовый режим) ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Совершенствование методик радиационных испытаний (раздел подготовлен Чеховским В.А.) Сверху вниз: Импульс тока нагрузки при имитации «защелкивания» (масштаб по вертикали 10мА/дел.) Напряжение на шине уровня питания Vcc (масштаб по вертикали 5В/дел.) Форма сигнала на дифференциальном выходе компаратора напряжения Cmp (масштаб по вертикали 1В/дел.). Входной сигнал: синусоидальный

66 66 University Осциллограммы в основных узлах ИП и ЭМО (с ТИУ Ampl-1.14) (тестовый режим) Влияние емкости нагрузки: шина Vcc ЭМО шунтирована конденсатором >200нФ ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Совершенствование методик радиационных испытаний (раздел подготовлен Чеховским В.А.) Сверху вниз: Импульс тока нагрузки при имитации «защелкивания» (масштаб по вертикали 20мА/дел.) Напряжение на шине питания Vcc (+5В) (масштаб по вертикали 5В/дел.) Форма сигнала на дифференциальном выходе ТИУ Ampl (масштаб по вертикали 5В/дел.). Входной сигнал: синусоидальный

67 67 University 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 ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Совершенствование методик радиационных испытаний (раздел подготовлен Чеховским В.А.) ИС компаратора Cmp-1.17 Ток, мкА Коэффициент заполнения, % 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. откл., % U A =100мВ

68 68 University Учет влияния проникающей радиации в «Spice- подобных» программах О.В. Дворников д.т.н., доц. (ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн", г. Минск, Беларусь)

69 69 University Радиационное изменение «SPICE-параметров» n-p-n БТ ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Учет влияния проникающей радиации

70 70 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Учет влияния проникающей радиации Радиационное изменение «SPICE-параметров»

71 71 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Учет влияния проникающей радиации Зависимость скорости поверхностной рекомбинации v SF от дозы поглощенного излучения D E быстрых электронов. Штриховая линия – известные экспериментальные данные, сплошная линия – примененная аппроксимация Радиационное изменение «SPICE-параметров» n-p-n БТ

72 72 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Учет влияния проникающей радиации Радиационное изменение «SPICE-параметров» n-p-n БТ

73 73 University Радиационное изменение «SPICE-параметров» ПТП ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Учет влияния проникающей радиации

74 74 University Радиационное изменение основных параметров полупроводников ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Учет влияния проникающей радиации

75 75 University ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Учет влияния проникающей радиации Учет фототоков в интегральных элементах

76 76 University 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. ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Учет влияния проникающей радиации

77 77 University 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 ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3» Учет влияния проникающей радиации

78 78 University ВАХ в схеме с ОЭ n-p-n- транзистора типа 2GC a) при различной величине интегрального потока нейтронов Fn б) при различной величине поглощенной дозы гамма-излучения Dg ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3» Учет влияния проникающей радиации

79 79 University Нормированная ВАХ в схеме с ОЭ n-p-n- транзистора типа 2GC a) при потоке нейтронов Fn=10 14 см –2 б) при поглощенной дозе Dg= 1 Мрад ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3» Учет влияния проникающей радиации

80 80 University Зависимость β от эмиттерного тока p-n-p транзистора типа PNPJFpnp a) при различной величине интегрального потока нейтронов Fn б) при различной величине поглощенной дозы гамма-излучения Dg ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3» Учет влияния проникающей радиации

81 81 University ВАХ в схеме с ОЭ p-n-p транзистора типа PNPJFpnp a) при различной величине интегрального потока нейтронов Fn б) при различной величине поглощенной дозы гамма-излучения Dg ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3» Учет влияния проникающей радиации

82 82 University Нормированная ВАХ в схеме с ОЭ p-n-p транзистора типа PNPJFpnp a) при потоке нейтронов Fn=10 14 см –2 б) при поглощенной дозе Dg= 100kрад ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3» Учет влияния проникающей радиации

83 83 University Результаты моделирования ВАХ Зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при различной величине интегрального потока нейтронов Fn a) p-ПТП типа PNPJFjfetб) p-ПТП типа PADJ ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3» Учет влияния проникающей радиации

84 84 University ВАХ в схеме с ОИ при различной величине интегрального потока нейтронов Fn a) p-ПТП типа PNPJFjfet б) p-ПТП типа PADJ ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн» Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3» Учет влияния проникающей радиации