Комплексный подход к проектированию...
DESCRIPTION
Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем. О.В. Дворников д.т.н., доц. (ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн", г. Минск, Беларусь) [email protected]. Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС. Особенности 1,5 мкм БиПТП- технологии - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/1.jpg)
Комплексный подход к проектированию
радиационно-стойких аналоговых микросхем
О.В. Дворников
д.т.н., доц. (ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн",
г. Минск, Беларусь)
![Page 2: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/2.jpg)
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»
![Page 3: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/3.jpg)
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.
Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
![Page 4: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/4.jpg)
4University
Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Вид структуры кристалла
![Page 5: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/5.jpg)
5University
Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
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
![Page 6: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/6.jpg)
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
Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Параметры транзисторов и тестовых элементов
![Page 7: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/7.jpg)
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
Технологический маршрут изготовления радиационно-стойких аналоговых ИС
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Параметры транзисторов и тестовых элементов
![Page 8: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/8.jpg)
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.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
![Page 9: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/9.jpg)
9UniversityОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Радиационно-стойкий базовый матричный кристалл «АБМК_1_3»
![Page 10: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/10.jpg)
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.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Радиационно-стойкий базовый матричный кристалл «АБМК_1_3»
![Page 11: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/11.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
![Page 12: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/12.jpg)
12University
Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора
p-n-p- транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия
потока нейтронов 9*1012н/см2
Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора
p-n-p- транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия
потока нейтронов 2*1014н/см2
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 13: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/13.jpg)
13University
Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора
малошумящего n-p-n транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия
потока нейтронов 9*1012н/см2
Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора
малошумящего n-p-n транзистора: 1 – до облучения, 2 - после воздействия
потока нейтронов 2*1014н/см2
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 14: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/14.jpg)
14University
Зависимость коэффициента усиления тока β от тока коллектора
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»
Результаты радиационных испытаний
![Page 15: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/15.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 16: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/16.jpg)
16UniversityОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
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
![Page 17: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/17.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
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»
![Page 18: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/18.jpg)
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.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 19: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/19.jpg)
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.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 20: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/20.jpg)
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.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 21: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/21.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 22: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/22.jpg)
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)
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 23: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/23.jpg)
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
Neutron (E>100KeV) fluence (n/cm2)
Wid
th (
ns)
ASIC#1
ASIC#4
ASIC#5
ASIC#6
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 24: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/24.jpg)
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
Neutron (E>100KeV) fluence (n/cm2)
Gai
n (
mV
/fC
)
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 25: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/25.jpg)
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
Neutron (E>100KeV) fluence (n/cm2)
Th
resh
old
(fC
)
Uthres. control=100mV
Uthres. control=50mV
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 26: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/26.jpg)
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
Neutron (E>100KeV) fluence (n/cm2)
EN
C (e
)
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 27: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/27.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 28: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/28.jpg)
28University
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*1011н/см2 с энергией Еn>20МэВ.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 29: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/29.jpg)
29University
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=Nseu/Fn,
где Nseu- количество зарегистрированных SEU- событий, Fn- интегральный поток нейтронов.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 30: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/30.jpg)
30University
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
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 )
![Page 31: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/31.jpg)
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 )
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
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
![Page 32: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/32.jpg)
32University
Подробная методика и результаты опубликованы
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты радиационных испытаний
![Page 33: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/33.jpg)
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.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
![Page 34: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/34.jpg)
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.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
![Page 35: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/35.jpg)
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.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Подход к проектированию радиационно-стойких микросхем
![Page 36: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/36.jpg)
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.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Подход к проектированию радиационно-стойких микросхем
![Page 37: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/37.jpg)
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).
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
![Page 38: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/38.jpg)
38University
Электрическая схема трансрезистивного усилителя Amplifier_1
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС
![Page 39: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/39.jpg)
39University
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
![Page 40: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/40.jpg)
40University
Электрическая схема программируемого операционного усилителя Amplifier_5
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС
![Page 41: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/41.jpg)
41University
Передаточная характеристика усилителя Amplifier_5 до и после воздействия потока нейтронов
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС
до модернизации после модернизации
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
![Page 42: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/42.jpg)
42University
Электрическая схема компаратора Comparator_1
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС
![Page 43: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/43.jpg)
43University
Выходное напряжение компаратора Comparator_1 до и после (штриховая)
воздействия потока нейтронов Fn=1014sm-2
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС
Передаточная характеристика компаратора Comparator_1 до и после
воздействия потока нейтронов
![Page 44: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/44.jpg)
44University
Входные токи компаратора Comparator_1 до и после воздействия потока нейтронов
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Схемотехнический синтез аналоговых радиационно-стойких ИС
до модернизации после модернизации
![Page 45: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/45.jpg)
45University
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.
![Page 46: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/46.jpg)
46UniversityОАО "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.)
![Page 47: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/47.jpg)
47UniversityОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Электрическая схема источника опорного напряжения ref_3
Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости
(раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)
![Page 48: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/48.jpg)
48UniversityОАО "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.)
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
![Page 49: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/49.jpg)
49UniversityОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Электрическая схема источника опорного напряжения ref_5
Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости
(раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)
![Page 50: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/50.jpg)
50UniversityОАО "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.)
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
![Page 51: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/51.jpg)
51UniversityОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Электрическая схема источника опорного напряжения ref_ST
Особенности ИС с высоким уровнем радиационной стойкости
(раздел подготовлен совместно с Старченко Е.И.)
![Page 52: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/52.jpg)
52UniversityОАО "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.)
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
![Page 53: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/53.jpg)
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.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
![Page 54: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/54.jpg)
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.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
![Page 55: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/55.jpg)
55University
Особенности радиационных испытаний
аналоговых микросхем
О.В. Дворников
д.т.н., доц. (ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн",
г. Минск, Беларусь)
![Page 56: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/56.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
![Page 57: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/57.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
![Page 58: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/58.jpg)
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.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
Регистрация одиночных событий
![Page 59: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/59.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
![Page 60: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/60.jpg)
60University
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
ЭМО1
ИП1
СчКанал 1
MО
ЭМО2ИП2
СУ
USB
X1
X2 X3
ГС1
ГС2
X4
Канал 2
ЦАП АЦП
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
![Page 61: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/61.jpg)
61University
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
МОИП1-2
ЭМО СУ
ГССч
ЦАП АЦП
Совершенствование методик радиационных испытаний
(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
![Page 62: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/62.jpg)
62University
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.)
![Page 63: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/63.jpg)
63University
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: 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
![Page 64: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/64.jpg)
64University
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-1.14. (масштаб по вертикали 5В/дел.).
Входной сигнал: синусоидальный
![Page 65: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/65.jpg)
65University
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-1.17. (масштаб по вертикали 1В/дел.).
Входной сигнал: синусоидальный
![Page 66: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/66.jpg)
66University
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-1.14. (масштаб по вертикали 5В/дел.).
Входной сигнал: синусоидальный
![Page 67: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/67.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Совершенствование методик радиационных испытаний(раздел подготовлен Чеховским В.А.)
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
![Page 68: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/68.jpg)
68University
Учет влияния проникающей радиации в «Spice-
подобных» программах
О.В. Дворников
д.т.н., доц. (ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн",
г. Минск, Беларусь)
![Page 69: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/69.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации
,111
00NBNτNB
F
FKTFBF
FKTFBFBF
,~~AB
DE
ABPE
DENB
PEBAAB
NBEDE
N
N
N
N
DWN
DxNBF
![Page 70: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/70.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации
Радиационное изменение «SPICE-параметров»
,1
~2
2
NBNB
BA
D
WTF
![Page 71: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/71.jpg)
71UniversityОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации
Зависимость скорости поверхностной рекомбинации vSF от дозы поглощенного излучения DE быстрых электронов. Штриховая линия –
известные экспериментальные данные, сплошная линия – примененная аппроксимация
Радиационное изменение «SPICE-параметров» n-p-n БТ
![Page 72: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/72.jpg)
72University
,~~0ABNBAB
EBAABEB NNTF
SWqN
TF
SQIKF
,~,~,~ 111 ABDEDC NRBNRENRC
.~101,1
60 75.075.0
16
5,1
B
BGBR N
NEV
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации
Радиационное изменение «SPICE-параметров» n-p-n БТ
![Page 73: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/73.jpg)
73University
Радиационное изменение «SPICE-параметров» ПТП
,~3
4 0CH
CH
aL
WBETA
,~2 0
2
CHCH N
aqNVTO
.~,~,~ 115,0 SDCH NRSNRDNLAMBDA
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации
![Page 74: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/74.jpg)
74University
Радиационное изменение основных параметров полупроводников
,exp0
FKn
nN
F
,1
0cn
KN
.11
0
FKF
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации
![Page 75: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/75.jpg)
75UniversityОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации
Учет фототоков в интегральных элементах
![Page 76: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/76.jpg)
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.
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Учет влияния проникающей радиации
![Page 77: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/77.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3»
Учет влияния проникающей радиации
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
1.0uA 10uA 100uA 1.0mA 10mAI(Q1:c)/I(Q1:b)
0
25
50
75
100
I_Ie
1.0uA 10uA 100uA 1.0mA 10mAI(Q1:c)/I(Q1:b)
0
25
50
75
100
I_Ie
1.0uA 10uA 100uA 1.0mA 10mAI(Q1:c)/I(Q1:b)
0
25
50
75
100
Dg=5Mrad
Fn=1e14sm-2
Fn=1e13sm-2
Fn=1e-4sm-22GC
Fn=1e12sm-2
I_Ie
1.0uA 10uA 100uA 1.0mA 10mAI(Q1:c)/I(Q1:b)
0
25
50
75
100
![Page 78: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/78.jpg)
78University
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
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
![Page 79: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/79.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3»
Учет влияния проникающей радиации
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
![Page 80: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/80.jpg)
80University
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
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
![Page 81: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/81.jpg)
81University
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
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
![Page 82: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/82.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3»
Учет влияния проникающей радиации
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
![Page 83: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/83.jpg)
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
ОАО "МНИПИ", МНТЦ "МикАн»
Результаты моделирования ВАХ элементов «АБМК_1_3»
Учет влияния проникающей радиации
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
![Page 84: Комплексный подход к проектированию радиационно-стойких аналоговых микросхем](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022061516/56814737550346895db4764f/html5/thumbnails/84.jpg)
84University
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
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