capítulo 1: descripción - Universidad de Sevilla

CAPÍTULO 1: DESCRIPCIÓN
Introducción
CAPÍTULO 1: DESCRIPCIÓN
Introducción
El espacio siempre ha sido motivo de fascinación por el ser humano. Desde hace
mucho tiempo, hemos querido investigar que hay más allá de nuestras “fronteras”. La
tecnología, además, ha ido avanzando a pasos agigantados durante el último siglo,
hasta que el día 31 de Enero de 1958, se envió al espacio el primer satélite artificial
americano, el Explorer I, diseñado y construido por Jet Propulsión Laboratory. [1]
Uno de los motivos de su lanzamiento era el estudio y medida de la radiación en el
espacio. La aeronave llevaba un contador de Geiger propuesto por J.A. Van Allen.
Este contador detectaba y medía radiación alpha y beta.
En cuanto el satélite alcanzó cierta altura el contador dejó de contar rayos cósmicos.
Más adelante se supo que el contador se saturó por la alta tasa de partículas que
recibió. Estábamos frente al descubrimiento de los cinturones de Van Allen que
consisten en una serie de anillos que rodean la tierra donde existe una alta radiación,
es decir, protones, electrones e iones pesados la mayoría provenientes del sol. Aunque
la existencia de estos cinturones se confirmó con el lanzamiento del Explorer III, el 26
de Marzo del 1958.
El conocimiento del entorno espacial es muy importante para poder desarrollar mejor
hardware y mejores instrumentos de medida. Y de esto eran conscientes las agencias
aeroespaciales en el siglo pasado.
Un 10 de Julio de 1962 se lanzó al espacio el Telstar. Fue el primer satélite artificial
enviado con un transpondedor y el primero en realizar una retransmisión de televisión
vía satélite desde EEUU hasta Francia. El día anterior del lanzamiento del Telstar, se
realizó un test nuclear a una gran altura. Tras el lanzamiento comprobaron que los
altos niveles de radiación inducidos, por electrones inyectados debidos a los
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cinturones de radiación causaron la degradación de algunos de los componentes
electrónicos. Finalmente el 21 de Febrero de 1963 acabó perdiéndose el satélite. Más
tarde en el año 1978 la compañía Intel dio a conocer por primera vez una serie de
efectos que se producía en DRAMs, a los que denominó Single Event Efects (SEE).
Este tipo de efecto a diferencia del que se produzco en el Telstar se debe al impacto de
una sola partícula (electrón, protón o ión pesado).
Fue éste el principio de una serie de
anomalías
en
sistemas
electrónicos,
producidos por niveles altos de radiación,
que perdura hasta nuestros días.
La
existencia
de
radiación
y
el
conocimiento de la influencia que ésta
tiene sobre la microelectrónica hacen de
este tema un problema a solucionar.
Actualmente los principales afectados e
FIG. 1 .- Satélite Artificial “Telstar” [5]
interesados en resolver esta cuestión son las agencias aeroespaciales y algunas
aeronáuticas. Sin embargo, a medida que en la electrónica de consumo se vayan
disminuyendo el tamaño de los transistores, llegará un momento en el que la radiación
sea un problema también en la electrónica independientemente del ámbito. Ya que el
impacto de una partícula podría provocar una pequeña corriente, en este caso
comparable con las corrientes con las que se trabaja y entonces provocar un
funcionamiento inesperado del dispositivo. Desde cualquier punto de vista resulta un
tema de interés.
El diseño microelectrónico ha ido mejorándose a medida que se iba conociendo más
estos efectos. Para la comprobación de un circuito integrado y poder saber con
antelación que la probabilidad de fallo sea muy baja en un entorno de radiación,
necesitamos técnicas de testado. Existen diferentes técnicas que explicaremos en los
apartados sucesivos.
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Fuentes de Radiación
Fuentes de Radiación
En el espacio existen gran cantidad de partículas entre ellas electrones, protones e
iones pesados que son los principales responsables de la presencia de radiación.
Podemos clasificar en tres grupos las fuentes de radiación en función de cómo lo
encontremos:
•
Cinturones de radiación.
•
Erupciones solares.
•
Viento solar.
•
Rayos Cósmicos.
El entorno de la Tierra está rodeado por la atmósfera, gracias a ésta estamos
protegidos de los rayos Ultravioletas procedentes del sol. Realizando una analogía, es
así como queremos proteger nuestros dispositivos electrónicos de la radiación.
Nuestro estudio de fuentes de radiación se centrará en estos cuatro tipos, que son los
responsables de provocar una degradación del componente electrónico o un SEE.
Estos efectos los veremos mejor en otros capítulos.
Cinturones de radiación
Contienen electrones y protones atrapados. Un ejemplo claro son los cinturones de
Van Allen. Estos cinturones suelen presentarse en grupos, dos cinturones de
electrones. En el cinturón interior se suelen situar electrones que tienen una energía de
al menos 5 MeV y en el cinturón exterior electrones con una energía de al menos 7
MeV. Una vez descubiertos estos cinturones, en Marzo de 1991 se descubrió la
existencia de un tercer cinturón situado entre el primero y el segundo. En este los
electrones tenían una energía bastante superior a los anteriores, 30 MeV. [6]
Además existe un cinturón interior que contiene protones con una energía de más de
100MeV.
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Fuentes de Radiación
FIG. 2 .- Cinturones de Van Allen [7]
Existe una ley física postulada por Grigorou en el 1991 que dice que cualquier ión con
energías superiores a 50 MeV por nucleón podrá ser atrapada en alguno de estos
cinturones. Por lo tanto también existen iones en estos cinturones, generalmente son
partículas de baja energía y suelen ser iones que radian luz. No afectan a sistemas
electrónicos. Sin embargo, sí afectan a la salud de astronautas, que puedan verse
afectados por la radiación.
Una consecuencia de esta radiación es que hay que tenerla en cuenta cuando
queramos hacer pasar a través de estos cinturones cualquier astronave.
Erupciones Solares
Las erupciones solares son grandes explosiones que se producen en la atmósfera del
sol. Debido a estas explosiones se aceleran a los protones, electrones e iones pesados
resultantes, a velocidades cercanas a las de la luz. Esta radiación que genera podría
llegar cerca de la Tierra de forma que podría afectar a cualquier satélite artificial u
otro tipo de nave aeroespacial. Así como podría afectar a los sistemas electrónicos,
también podría afectar a los astronautas, ya que produce una radiación dañina para
nuestra salud. Sería conveniente tener un apantallamiento de estos para no sufrir la
exposición de estas partículas.
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Fuentes de Radiación
FIG. 3 .- Erupción Solar [8]
Viento Solar
El viento solar consiste en la aceleración de protones e iones pesados que hay en la
corona, y se deben a las altas temperaturas del sol del orden de 10 4 a 10 6 K. El rango
de energía de las partículas es de aproximadamente 0.5 a 2 KeV por nucleón. Estos
electrones se saltan el campo gravitatorio y saltan a la corona, empujando y
acelerando estos protones e iones pesados. La media es de aproximadamente de 1 a 30
partículas/ cm 3 aceleradas. La composición del viento solar suele ser: 95 % p + ; 4 %
He + + ; y menos del 1% otros iones pesados, y por último el número de electrones
necesarios para provocar el viento solar. Estas partículas aceleradas alcanzan
velocidades entre 300 y 900 Km/s.
Rayos Cósmicos
Aún no está clara su procedencia. Consisten en partículas subatómicas aceleradas
como protones, electrones e iones pesados. Podrían ser por ejemplo generadas gracias
a la explosión de una supernova, por erupciones solares.
Los rayos cósmicos están compuestos en su mayor parte por protones 83 %. Cuando
un rayo cósmico llega a la atmósfera a éste se le llama rayo primario. Por ello a la
superficie terrestre llegará la radiación de una forma más atenuada producto del paso
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Efectos de la Radiación en la microelectrónica
de estos rayos por la atmósfera. A estos rayos que llegan a la superficie terrestre se le
llaman secundarios. Los rayos secundarios que llegan con más energía lo harán en los
polos, ya que es donde están los polos magnéticos.
Efectos de la Radiación en la microelectrónica
Son diversos los problemas que podemos encontrar debidos a la radiación. Las
partículas cargadas tienen dos formas de provocar ionización. La primera de ellas
consiste en que los electrones al chocar con estas partículas radiadas pueden saltar y
salir de sus órbitas generando pares electrón-hueco y provocando estados accesibles
en la banda prohibida.
Otra posible ionización se produce cuando las partículas radiadas chocan con la red
cristalina del silicio y a medida que se introduce va perdiendo energía, hasta que de
repente se detiene. El estado energético de esta partícula podría provocar que la
generación de una radiación secundaria con la creación de nuevos fotones.
Por otro lado, además de la ionización de la red podremos provocar desplazamientos
en el núcleo. Al chocar las partículas con el núcleo podrían llegar a desplazarlo. A
este efecto le llaman daño de desplazamiento (displace damage).
Todas estas imperfecciones en la red provocan anomalías en la electrónica, y podría
provocar efectos indeseados.
Estos efectos suelen provocar una degradación de la movilidad y de la ganancia de los
transistores mosfets [9][10].
En resumen podríamos decir que existen tres tipos de efectos debido a la radiación:
•
Acumulación de efectos inducidos por una exposición homogénea y continua
de protones y electrones de cinturones de radiación, o también denominado
TiD (Total Ionising Dose).
•
Anomalías que se dan en distribuciones probabilísticas inducidas por el
impacto, sobre la red cristalina, de una sola partícula (generalmente iones
pesados o protones). A estos efectos los hemos llamado SEE.
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Single Events Efects
•
Una gradual degradación de las prestaciones de los dispositivos debido a un
efecto de Displacement Damage (DD), definido con anterioridad. Es inducido
por protones provenientes de erupciones solares.
Sin embargo en nuestro trabajo nos centraremos en el estudio de los Single Events
Efects (SEE). Los cuales son efectos provocados por el impacto de una sólo partícula,
y no de una media de partículas como en el caso de displace damage y la ionización
de la red cristalina. Principalmente se deben a que el impacto de un protón o ión
pesado podría provocar una pequeña corriente, que aplicada en algunas zonas del
circuito podría provocar un defecto puntual, por ejemplo, un bit-flip (cambio lógico
de “0” a “1” o viceversa) o inclusive efectos destructivos como el fenómeno de
latchup que veremos más adelante.
Single Events Efects
Definiciones
Antes de empezar a hablar de SEE es necesario conocer una serie de definiciones.
•
Linear Energy Transfer (LET): medida de la energía depositada por unidad de
longitud por una partícula energética que viaja a través de un material. Las
unidades más utilizadas es MeV ⋅ cm 2 / mg .
•
Fluencia: es el número de iones que atraviesa una unidad de superficie. [11]
•
Threshold LET (LETth): el LET mínimo con el que se provoca un SEE con
una fluencia de 10 7 iones / m 2 .
•
Cross Section ( σ ): es el número de eventos dividido por la fluencia. [11]
•
Bit Flip: es el cambio de un bit que debe estar a 0 en 1, o viceversa.
Principales Efectos
Los protones van acelerados y cuando impactan contra un dispositivo electrónico
provocará una pequeña corriente, que a su vez podría crear una pequeña diferencia de
tensión. La consecuencia que podría ser perjudicial ya que podría producirse un bit-
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Algunas técnicas de test en CIs de SEE
flip o activar estructuras parásitas que destruyan al circuito. A continuación veremos
los efectos más comunes y sobre los cuales nos centraremos en nuestro estudio:
•
Single Event Upset (SEU): es un cambio de estado o un transitorio inducido
por una partícula energética como un rayo cósmico o un protón en un
dispositivo. Esto puede ocurrir en componentes digitales, analógicos y ópticos
o puede tener efectos que rodeen a la interfaz del circuito (Single Event
Transient (SET)).
•
Single Event Latch-Up (SEL): es una condición que puede causar la pérdida de
la funcionalidad del dispositivo debido a un evento producido por una alta
corriente. Dicha corriente puede quemar el dispositivo, de forma que se trata
de un efecto destructivo.
El fenómeno de latchup (SEL) se podrá ver un estudio más pormenorizado en el
Capítulo 2.
Como ya hemos definido LETth , basta conocer el nivel de LET para las diferentes
fuentes que lo propicien. Dependiendo de estas necesitaremos más o menos energía
para que se produzca un SEE.
Umbral del dispositivo
Fuente que lo provoca
LETth < 10 MeV ⋅ cm 2 / mg
Rayos Cósmicos, Protonces
atrapados, Erupciones Solares
LETth = 10 – 100 MeV ⋅ cm 2 / mg
Rayos Cósmicos
LETth > 100 MeV ⋅ cm 2 / mg
No es necesario análisis
FIG. 4 .- LET threshold dependiendo de la fuente generada [12]
Algunas técnicas de test en CIs de SEE
La posibilidad de realizar un test a un CI nos permite predecir con determinada
fiabilidad como van a responder nuestros dispositivos electrónicos cuando los
introduzcamos en un entorno sometido a radiación.
Son diferentes las técnicas usadas. Pero las más usadas son:
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Algunas técnicas de test en CIs de SEE
•
Uso de aceleradores de partículas para provocar la radiación. Debemos saber
que no se podrán realizar estos tests con iones pesados. Ya que la energía
necesaria para poder provocar un SEE con iones pesados es muy superior
(>100MeV) que la que disponemos en la mayoría de los aceleradores de
partículas existentes. Por tanto, bombardearemos al integrado con protones.
•
Inyección de fallos. Consiste en la inserción de fallos y de esta forma podemos
predecir mediante una simulación (software) o gracias a una emulación
hardware cuál es el comportamiento que tendrá cuando exista en el entorno del
dispositivo una determinada radiación.
La pregunta surge de inmediato. ¿Cuál es la mejor forma para realizar test? La
respuesta no es inmediata. En primer lugar, el uso de aceleradores de partículas reduce
considerablemente el coste para comprobar el funcionamiento de circuitos, ya que no
necesitamos realizar un lanzamiento y enviarlo al espacio. Aunque es el método más
caro de los existentes para realización de tests. Por ello, se plantean otras
posibilidades como la inyección de fallos, ya que de esta forma no sería necesaria la
fabricación del circuito integrado. Son sólo ventajas el uso de la inyección de fallos,
sin embargo debemos comprobar hasta que punto este análisis es fiable, es lo que
pretendemos demostrar en este estudio.
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