المفاهيم الخاطئة الشائعة حول مقاومة الإشعاع من الدوائر الدقيقة

في كل موضوع تقريبًا حول Habré المتعلقة بالملاحة الفضائية أو الإلكترونيات ، ينبثق موضوع مقاومة الإشعاع. إن موضوع استبدال الواردات لقاعدة العناصر المقاومة للإشعاع يمر عبر الأخبار حول استكشاف الفضاء المحلي ، ولكن في الوقت نفسه ، يستخدم Elon Musk الرقائق التقليدية الرخيصة ويفخر به. وقد استخدم الإسرائيليون في بيريشيت معالجًا مشعًا ويفخرون به أيضًا. ومن حيث المبدأ ، تعيش الصناعة الإلكترونية الدقيقة في روسيا إلى حد كبير بسبب نظام الدولة مع المتطلبات ذات الصلة. إن مراقبة النزاعات المنتظمة حول كيفية بناء الأقمار الصناعية بشكل صحيح يدل على أن تدريب المشاركين عادة ما يكون منخفضًا ، وأن حججهم مثقلة بالقوالب النمطية والوقائع التي يتم سماعها عن طريق الخطأ والمعارف المأخوذة من السياق ، والتي عفا عليها الزمن منذ سنوات عديدة. اعتقدت أن قراءة هذا لم تعد ممكنة ، وبالتالي ، يا عزيزي المحللين ، ارتاحوا على أرائك ، وسأبدأ قصة قصيرة (كبيرة جدًا) حول المفاهيم الخاطئة الأكثر شعبية حول المقاومة الإشعاعية للدوائر المتكاملة.


الشكل 1. صورة جميلة لا غنى عنها عن الإشعاع الكوني والأرض الهشة.

الأطروحات الأكثر شعبية حول مقاومة الإشعاع المستخدمة في النزاعات القريبة من الفضاء تبدو مثل هذا:

1. ليست هناك حاجة رقائق مشع. تطير Kubsats بشكل مثالي على الأجهزة العادية ، وعلى ISS أجهزة كمبيوتر محمولة عادية من لينوفو ، وفي Dragon هناك دوائر مصغرة عادية ، وحتى ناسا في أوريون تقدم دوائر مصغرة عادية!
2. من الممكن تمامًا وضع دوائر كهربائية قديمة جدًا على الأقمار الصناعية ، وصولًا إلى "التفتت الفضفاض" ، فلا حاجة إلى أداء جاد هناك. ولكن من دون الفرح ، في أي مكان ، وبالتالي يطير على القمامة.
3. الأطروحة التي تكمل النظرية السابقة: الدوائر الدقيقة المستقرة جذريًا ، من حيث المبدأ ، لا يمكن إجراؤها وفقًا لمعايير تصميم منخفضة ، وبالتالي فإن استخدام المكونات التي تم اختبارها عبر الزمن ليس مبررًا فحسب ، بل ضروري أيضًا.
4. من أجل أن تكون الدائرة الصغيرة مقاومة للإشعاع ، من الضروري والكافي استخدامها باستخدام تقنية "silicon on a insulator" أو "silicon on sapphire".
5. جميع الدوائر المصغرة "العسكرية" مقاومة للراديو ، وجميع الدوائر المصغرة المقاومة للراديو "عسكرية".

كما ترون ، فإن بعض هذه الأطروحات تتناقض بشكل مباشر مع بعضها البعض - وهو موضوع مثير للجدل أو سبب الاستنتاجات غير الصحيحة بعيدة المدى.

تحتاج إلى بدء المحادثة بإخلاء هام: مقاومة الإشعاع ليست مركز العالم والجودة الوحيدة التي يجب أن تكون مناسبة للاستخدام في رقاقة أو بيئات عدوانية أخرى. لا تعد مقاومة الإشعاع سوى متطلب واحد من سلسلة طويلة ، والتي تشمل الموثوقية ، ومجموعة درجات الحرارة الممتدة ، ومقاومة التفريغ الإلكتروستاتيكي ، ومقاومة الاهتزاز - والتأكيد الموثوق به لجميع المعلمات المذكورة أعلاه ، وهي شهادة طويلة ومكلفة. من المهم أن كل شيء قد لا يسمح للرقاقة بالعمل طوال مدة الخدمة المطلوبة ، ومعظم تطبيقات الرقاقات المقاومة للإشعاع تعني استحالة الإصلاح أو الاستبدال. من ناحية أخرى ، إذا كان هناك خطأ ما في أحد المعلمات ، فيمكن لمصمم المنتج النهائي العثور على طريقة للتغلب على القيد - وضع الشريحة الأكثر حساسية لجرعة الإشعاع للجدار السميك ، ومراقبة الاستهلاك الحالي للرقاقة المعرضة لتأثير الثايرستور وإعادة ضبط قوتها إذا لزم الأمر ، أو ترموستات رقاقة مع نطاق درجة حرارة ضيقة. أو قد لا يتم العثور عليه ، وستكون الطريقة الوحيدة لحل المهمة هي طلب رادار ASIC جديد مقاوم.

من المفيد أيضًا أن تتذكر أن مطوري الأنظمة ذات الأغراض الخاصة هم نفس الأشخاص مثل أي مطورين آخرين. يحب الكثيرون منهم أيضًا كتابة التعليمات البرمجية الخاصة بالعكازات المملوءة بالقشرة حتى الموعد النهائي للأمس واستخدام أجهزة أكثر قوة حتى تعمل بالتأكيد عليها ؛ البعض قد يستخدم اردوينو إذا كان قد تم التصديق بشكل صحيح. وبالطبع ، نادراً ما يشعر الأشخاص الذين حددوا مهام لمطوري الأنظمة ذات الأغراض الخاصة ومطوري الدوائر الصغيرة لهم بالخجل في متطلبات الموثوقية والأداء ومقاومة السعادة. لذلك ، لا تزال هناك حاجة إلى معايير التصميم الحديثة على الأقمار الصناعية - أريد كميات كبيرة من DRAM والمعالجات متعددة النواة وأحدث FPGAs. لقد سبق أن ذكرت أعلاه أن عواقب مقاومة الإشعاع الضعيفة وغيرها من المشاكل المحتملة يمكن التغلب عليها جزئيًا على الأقل ، وبالتالي فإن عدم وجود بيانات حول ما يجب التحايل عليه بالضبط من الوضع التجاري للرقائق يمنع إلى حد كبير من استخدام كل هذه الروعة للمطورين.

آثار الإشعاع

تعتبر مفاهيم "مقاومة الإشعاع" و "الدائرة الدقيقة المقاومة للإشعاع" من التبسيط الكبير. في الواقع ، هناك العديد من المصادر المختلفة للإشعاع المؤين ، ويمكن أن تؤثر على عمل الأجهزة الإلكترونية بطرق مختلفة. وفقًا لذلك ، للتطبيقات المختلفة ، من الضروري مقاومة المجموعات المختلفة من العوامل المؤثرة ومستويات التعرض المختلفة ، لذلك فإن الدائرة الدقيقة "المستقرة" المصممة للعمل في مدار أرضي منخفض ليست مطلوبة تمامًا للعمل بشكل طبيعي عند تحليل الانسداد في تشيرنوبيل.

يُطلق على الإشعاعات المؤينة التأين ، لأن إطلاق الطاقة في حجم المادة أثناء الكبح للجسيمات الواردة يؤين المادة. كل مادة لديها طاقتها اللازمة للتأين وإنشاء زوج الإلكترون حفرة. بالنسبة للسليكون ، هذا هو 3.6 فولت ، لأكسيده - 17 فولت ، بالنسبة لزرنيخيد الغاليوم - 4.8 فولت. أيضًا ، قد لا يؤين الجسيم الوارد الذرة ، ولكن "يحركها" من المكان الصحيح في الشبكة البلورية (في السيليكون ، يتطلب ذلك نقل 21 فولت إلى الذرة). يمكن أن يكون لأزواج ثقب الإلكترون التي تم إنشاؤها في مادة ما تأثيرات مختلفة على الخواص الكهربائية والفيزيائية وعلى سلوك الدائرة الكهربائية. يمكن تقسيم التأثيرات الإشعاعية إلى أربع مجموعات كبيرة: آثار الجرعة الممتصة الكلية ، تأثيرات معدل الجرعة ، الآثار الناجمة عن دخول جزيئات وحيدة ، وتأثيرات النزوح. هذا الفصل تعسفي إلى حد ما: على سبيل المثال ، يؤدي التشعيع مع تيار من الأيونات الثقيلة التي تسبب تأثيرات فردية أيضًا إلى مجموعة من الجرعة الممتصة الكلية.

آثار الجرعة

يتم قياس الجرعة الكلية الممتصة من الإشعاع بالراد ، مما يشير إلى المادة التي تمتص الإشعاع. 1 rad = 0.01 J / kg ، أي كمية الطاقة المنبعثة في كتلة وحدة من مادة. أقل استخدامًا هو وحدة قياس اللون الرمادي ، تساوي 100 راد (أو 1 ج / كجم). من المهم أن نفهم أن الجرعة الممتصة في مواد مختلفة ستختلف لنفس العدد من جزيئات التأين الصادرة عن مصدر الإشعاع (هذه هي جرعة التعرض). في حالة الدوائر الدقيقة للسليكون ، تكون المادة المرغوبة هي أكسيد السيليكون ، لأن التأثير عليها ، وليس على السيليكون ، يؤثر بشكل أساسي على الخصائص الكهربائية للدائرة ، نظرًا لأن تنقل الثقوب في SiO2 في درجة الحرارة العادية صغير جدًا بحيث تتراكم في الأكسيد المدمج في تهمة إيجابية. تقع مستويات مقاومة الجرعة النموذجية للدوائر الميكروية التجارية في نطاق 5-100 crad (Si) ، وتبدأ مستويات مقاومة الإشعاع التي يطلبها العملاء من 30 crad (Si) وتنتهي في مكان ما حول 1 Grad (Si) ، وهذا يتوقف على الغرض من الدائرة الدقيقة. الجرعة المميتة للبشر حوالي 6 رمادي.



الشكل 2. أمثلة على حسابات مجموعة من الجرعة الكلية الممتصة على مدى 10 سنوات في مدارات دائرية مختلفة لحماية 1 جم / سم ^ 2. المصدر - N.V. كوزنتسوف ، "خطر الإشعاع في المدارات القريبة من الأرض ومسارات الكواكب للمركبة الفضائية".

ترتبط تأثيرات الجرعة الكاملة بتراكم هذه الشحنة الإيجابية في عازل الكهرباء وتتجلى في مخططات CMOS بعدة طرق رئيسية:

1. التحول في الجهد العتبة للترانزستورات الناشئة عن تراكم شحنة موجبة في بوابة عازلة والتغيير في المجال الكهربائي في قناة الترانزستور. بالنسبة إلى الترانزستورات n-channel ، عادة ما تنخفض العتبة (ولكن يمكن أن تكون التبعية غير صوتية) ، أما بالنسبة للترانزستورات p-channel فهي تزيد ، وترتبط قيمة التحول بسمك أكسيد البوابة ، أي بمعايير التصميم. يمكن أن تتغير عتبات الترانزستورات في دوائر ذات معايير تصميم تقريبية بحيث تتسبب في حدوث عطل وظيفي (تتوقف الترانزستورات في قناة n عن الإغلاق ، وتكون الترانزستورات في القناة p مفتوحة) ؛ في التقنيات الفرعية ، هذا التأثير أقل أهمية ، لكن في الدوائر التناظرية يمكن أن يؤدي إلى الكثير من الصداع.
2. يحدث تسرب غير المنضبط الحالي. يمكن أن يتدفق من مصدر الترانزستور إلى استنزافه الخاص أو إلى ترانزستور مجاور. سبب التسريبات هو تراكم شحنة موجبة ، ولكن ليس في عازل البوابة ، ولكن في مادة عازلة سميكة. في الواقع ، يتم تشكيل الترانزستور الطفيلي بالتوازي مع الترانزستور الرئيسي ، والتي يتم التحكم في الجهد بوابة من جرعة الإشعاع. يتم تحديد مظهر هذا التأثير من خلال ميزات هندسة الانتقال من عازل بوابة إلى عازل ، أي إلى حد كبير يعتمد على تقنية معينة أكثر من معايير التصميم.
3. انخفاض في حركة ناقلات الشحن بسبب تراكم العيوب التي تتناثر فيها ناقلات الشحن. تأثير هذا العامل على الدوائر الرقمية دون الميكرون على السيليكون ضئيل ، لكنه أكثر أهمية بالنسبة لترانزستورات القدرة ، بما في ذلك أشباه الموصلات المعقدة (نيتريد الغاليوم وكربيد السيليكون).
4. 1 / f الزيادة في الضوضاء الناجمة عن الترانزستورات حافة زائفة. من المهم لدارات تردد التناظرية والراديو. تزداد قيمة هذا التأثير مع انخفاض معايير التصميم ، عندما ينخفض ​​تأثير تأثيرات الجرعة المتبقية.

في المخططات ثنائية القطب ، يتمثل تأثير الجرعة الرئيسية في انخفاض الكسب الناجم عن زيادة التيار الأساسي بسبب التسرب من الباعث إلى القاعدة عند واجهة السيليكون وأكسيد التخميل. تأثير آخر خاص بالجرعة بالنسبة للترانزستورات ثنائية القطب هو أنها (ليس بالضرورة) تستجيب ليس فقط لمستوى الجرعة المتراكمة ، ولكن أيضًا لمعدل جمعها - وكلما أبطأ الجرعة المتراكمة ، زادت المقاومة. يسمى هذا التأثير ELDRS (حساسية معدل الجرعة المنخفضة المحسّنة) ويعقد ويزيد من تكلفة الاختبار ، في كثير من الأحيان ليس فقط ثنائي القطب ، ولكن أيضًا دوائر CMOS - لأن لديهم أيضًا ترانزيستورات ثنائية القطب ولأنه من السهل جعل الجميع يختبرون بشكل موحد من معرفة أين قد يكون ELDRS وأين لا.

معدل الجرعة

جزء آخر من التأثيرات المتعلقة بمعدل الجرعة هو مجموعة جرعة فائق السرعة يتم من خلالها توليد العديد من أزواج ثقب الإلكترون في الدائرة الدقيقة بحيث لا يكون لديهم وقت لإعادة توحيدها ، ويتم إدخال شحنة كهربائية ضخمة في الشريحة ، التي تذوب عبر خطوط الأرض وخطوط الطاقة خلال وقت كبير - حيث تتوقف الدائرة عن العمل. تسمى هذه المرة "فقدان وقت العمل" وهي السمة الرئيسية لمقاومة الدائرة الدقيقة أو الجهاز لمثل هذه الآثار. بالإضافة إلى ذلك ، فإن مقدارًا كبيرًا من الشحنة التي يتم إدخالها في الدائرة الدقيقة يغير بشكل كبير إمكانات المناطق المتصلة بالأرض وإمدادات الطاقة - مما قد يؤدي إلى ظهور تأثير الثايرستور.

إنها تأثيرات معدل الجرعة العالية - من أجل المقاومة التي تم تطويرها في الأصل في الأصل "silicon on sapphire" و "silicon on a insulator" ، لأن الطريقة الوحيدة لتقليل الشحنة التي يتم إدخالها في الدائرة هي فصل المنطقة النشطة للدائرة الدقيقة عن حجم الركيزة ، وليس إعطاء تهمة من الركيزة للمشاركة في العملية. لماذا هذه الآثار مهمة؟ ارتفاع معدل الجرعة على مدى فترة زمنية قصيرة هو نتيجة نموذجية للانفجار النووي.

آثار واحدة

لا ترتبط التأثيرات الفردية بالتعرض الطويل للإشعاع ، ولكن بتأثير قابل للقياس من جسيم مؤين واحد. يمكن تقسيمها إلى مجموعتين كبيرتين:

1. غير مدمرة. وتشمل هذه الإخفاقات في أنواع مختلفة من عناصر التخزين (ذاكرة التخزين المؤقت ، ملفات التسجيل ، ذاكرة تكوين FPGA ، وما إلى ذلك) ، العابرين في المنطق التوافقي وفي الدوائر التناظرية. الميزة الرئيسية لهذا النوع من الآثار - لا تؤدي إلى إتلاف مادي للرقاقة ويمكن أن تكون برامج أو أجهزة ثابتة. علاوة على ذلك ، يتم تصحيح العابرين من تلقاء أنفسهم بعد مرور بعض الوقت (والسؤال هو كم هو كبير). تعد حالات الفشل في صفائف الذاكرة ذات أهمية عملية رئيسية ، لأنها ببساطة تشكل نصيب الأسد في جميع حالات الفشل بسبب الحجم الكبير من الذاكرة في الأنظمة الإلكترونية الدقيقة الحديثة.
2. مدمرة. وتشمل هذه التأثيرات الثايرستور والآثار المختلفة ، ولكن ، لحسن الحظ ، نادرة مثل اختراق البوابة أو الانهيار الجليدي للترانزستور. الميزة المميزة لها هي أنها تدمر عنصر الرقاقة بشكل لا رجعة فيه. في حالة تأثير الثايرستور ، يمكن عادةً حفظ الشريحة (ولكن ليس دائمًا!) إذا تمت إعادة تعيين الطاقة بسرعة. تشكل الآثار المدمرة خطرًا خطيرًا على بعض أنواع ذاكرة الفلاش وعلى الأجهزة ذات الفولتية العالية والكثافة الحالية ، وأهمها مفاتيح الطاقة.

يُطلق على إنتاجية الطاقة المحددة لجسيم مؤين "نقل الطاقة الخطية" (LET) ويتم قياسها في MeV ، ويتم نقلها لكل طول وحدة من مدى الجسيم في المادة ، لكل وحدة كثافة المادة ، أي في (MeV * cm ^ 3) / (mg * cm) أو (MeV * cm ^ 2) / ملغ. يعتمد LET بشكل غير خطي وغير صوتي على طاقة الجسيمات وهو مترابط مع المسار الحر المتوسط ​​، والذي يمكن أن يتراوح بين الجسيمات والمواد ذات الصلة بالإلكترونيات الدقيقة من مئات النانومترات إلى مئات المليمترات.

يتناقص عدد الجزيئات الموجودة في الفضاء مع نمو LET (انظر الشكل 4). القيم المهمة هي 30 (تقابل أيونات الحديد) و 60 أو 80 (وبعد ذلك يعتبر احتمال الحدث ضئيل). بالإضافة إلى ذلك ، هناك رقم مهم هو 15 MeV * cm ^ 2 / (mg) - هذا هو الحد الأقصى LET الذي يمكن أن تنتجه منتجات التفاعل النووي عندما يدخل بروتون أو نيوترون سيليكون. البروتونات هي واحدة من الأنواع الرئيسية للإشعاع الشمسي ، وعلى الرغم من أن LET الخاصة بها صغيرة (أعشار الوحدة) ، إلا أن لها تأثيرًا كبيرًا بسبب التفاعلات النووية والتأين الثانوي. يمكن أن يحدث التأين الثانوي مباشرة في المنطقة النشطة ، أو يمكن أن يكون نتيجة لبروتون يدخل ذرة بعض المواد ذات عدد ذري ​​كبير - على سبيل المثال ، التنغستن أو التنتالوم. تُستخدم العناصر الثقيلة بنشاط في التكنولوجيا الإلكترونية الدقيقة الحديثة ، على سبيل المثال ، لإنشاء جهات اتصال من السيليكون إلى طبقة المعدن الأولى. التأين الثانوي هو أيضًا سبب عدم الحاجة إلى تغليف الرقائق في صناديق الرصاص لزيادة مقاومة الإشعاع.



الشكل 3. اعتماد LET على الطاقة لأنواع مختلفة من الجزيئات.

بشكل منفصل ، يجدر الانتباه إلى نوى الهيليوم (جزيئات ألفا) - ليس فقط لأن هناك الكثير منها في تركيب الإشعاع الشمسي ، ولكن أيضًا لأن الكثير من مصادر إشعاع ألفا يمكن العثور عليها في الحياة العادية.



الشكل 4. مقارنة بين عدد من الجسيمات من أنواع مختلفة على مدى مهمة لمدة عامين في المدار ، وفقا ل Xapsos et.al. ، "نموذج التراكمي للطاقة الشمسية الثقيلة أيون الطاقة والخطية الأطياف نقل الطاقة" ، IEEE TNS ، المجلد. 5 ، رقم 6. ، 2007

1 ، 30 أو 60 MeV * cm ^ 2 / (mg) - كم هذا؟ عتبة فشل خلية الذاكرة القياسية في تقنية 7 نانومتر أقل بكثير من الوحدة ، في 180 نانومتر - في المدى من الوحدة إلى عشرات. يسمح لك استخدام الدوائر الخاصة برفع العتبة ، على سبيل المثال ، إلى المئات ، ولكن عادة ما يكون من المعقول تحقيق رقم 15 أو 30 وحدة ، وتصفية بقايا الأحداث النادرة باستخدام الترميز المقاوم للضوضاء. 60 وحدة هي الشكل الذي يظهر عادة في متطلبات المقاومة للآثار المدمرة.

آثار النزوح

آثار الإزاحة هي تدمير محلي للشبكة البلورية ، أي "إخراج" الذرة من مكانها المقصود. تكون الطاقة اللازمة لإتلاف الشبكة البلورية كبيرة جدًا ، لذا فإن معظم الجزيئات المارة لا تسبب هذا التأثير. ولكن قد يكون السبب هو رد الفعل النووي نتيجة لضربة البروتون أو النيوترون ، والتي توجد في المدار. تؤدي عيوب الشبكة المحلية هذه إلى انخفاض في حركة ناقلات الشحن وزيادة الضوضاء وبعض التأثيرات الأخرى. فهي تؤثر على رقائق CMOS التقليدية أقل من التأثيرات "العادية" للجرعة ، ولكنها تهيمن على الألواح الشمسية ، وكاشفات ضوئية ، والترانزستورات الكهربائية ، وكذلك في أشباه الموصلات المعقدة التي لا تحتوي على أكسيد ، على سبيل المثال ، زرنيخيد الغاليوم ونتريد الغاليوم. وهذا يفسر مقاومتهم العالية للجرعة - ليس لديهم ببساطة تأثيرات تسبب تدهورًا سريعًا لرقائق السيليكون ، وما هو أضعف وما بعده. تقاس كمية الإشعاع التي تسبب آثار النزوح بالجسيمات (عادة البروتونات أو النيوترونات) لكل سنتيمتر مربع من مساحة الرقاقة.

لذلك ، مع وصف للعوامل المؤثرة التي تم اكتشافها من الإشعاع ، دعونا الآن نرى أين وفي أي مجموعات تهدد الدوائر الدقيقة.

ماذا؟ إلى أين؟ متى؟

يوضح الشكل 2 مثالاً لحساب الجرعة الكاملة المحددة في مدارات مختلفة. بعد ذلك ، نحتاج إلى مناقشة الكثير من الافتراضات - النشاط الشمسي والشكل والمادة وسمك الحماية ، وما إلى ذلك ، ولكن بشكل عام ، على الرغم من أن الصورة هي حصان كروي نموذجي في فراغ ، فإن الاتجاه واضح: في المدارات المختلفة ، يمكن أن يتغير معدل الجرعة الكاملة حسب خمسة أوامر من الحجم. , , , . , . , — , , , , , the last but not least, .



, , , . , .

-, , . , , — — , , , , - . , .

, — , , , . ; , - , - , , . , .

, , , - , . , . , ; , , Apple A9, 16 TSMC 14 Samsung, , . Trusted Foundry — , - .

« ?» : «, , ». : , . , , - 3DPlus — , , ( ) , .



ومع ذلك ، لا تطير الأقمار الصناعية فقط في مدار أرضي منخفض. وكمثال على المتطلبات الأخرى ، دعونا ننظر إلى الطريقة الوحيدة لضمان تواصل مستقر بالقرب من القطب الشمالي - وهذه منطقة ذات أهمية استراتيجية بالنسبة لروسيا - مدار مولنيا ، الذي سمي على اسم أول مركبة فضائية أطلقت عليه.



الشكل 5. المدار "البرق".

السمة الرئيسية لهذا المدار هي أنه بسبب استطالة كبيرة (الحد الأدنى للارتفاع حوالي 500 كم فوق سطح الأرض ، والحد الأقصى يصل إلى 40،000 كم ، والفترة 12 ساعة) ، يعبر الجهاز أحزمة الإشعاع أربع مرات في اليوم. كانت الحياة النشطة لأول أقمار مولنيا حوالي ستة أشهر فقط ، ويعزى ذلك في المقام الأول إلى الانخفاض الناجم عن الإشعاع في قوة الألواح الشمسية ، والتي كانت بحاجة إلى تشغيل جهاز إرسال لاسلكي قوي (مدار عال).

2 (Si) — 5-10 (Si), 10-15 . , , — - , . , , , , , — , .



, , «», «» «» . — , — . Mil-Std-883 ( , ), — , , .. إلخ

:

1017.2 Neutron irradiation
1019.8 Ionizing radiation (total dose) test procedure
1020.1 Dose rate induced latchup test procedure
1021.3 Dose rate upset testing of digital microcircuits
1023.3 Dose rate response of linear microcircuits

. ? . / , , . , «military» ? نعم هو كذلك. «-», , ( , ), «military», .



لا تقتصر أهمية مقاومة الإشعاع على التطبيقات الفضائية والعسكرية. تكون إشعاعات الخلفية الطبيعية عند مستوى سطح البحر أقل بعدة مرات مما يحدث في المدار المنخفض ، لكن الغلاف الجوي للأرض لا يخدم فقط كدرع أخير على طريق الإشعاع الكوني ، ولكنه يؤدي أيضًا إلى ظهور جزيئات ثانوية عند التفاعل معها. الجزيئات الثانوية هي في معظمها نيوترونات. عند الظهور في الطبقات العليا من الغلاف الجوي ، فإنها عادة لا تصل إلى السطح ، ومع ذلك ، على ارتفاعات الطائرات المدنية ، تعتبر جرعة الإشعاع مهمة أيضًا ويتم جمع إحصائيات مثيرة للإعجاب عن حالات الفشل الفردية. تستخدم الأشعة السينية في الطب منذ وقت طويل ، والعلاج الإشعاعي هو أحد الطرق المهمة لمحاربة الأورام الخبيثة ، وتحتاج هذه الأجهزة أيضًا إلى الإلكترونيات.

, , , - , , , , , , - — . c BGA- 3D- — .



6. -.

والخبر السار هو أن جزيئات ألفا لها مسار حر متوسط ​​صغير إلى حد ما في السيليكون (من الوحدات إلى عشرات الميكرونات ، اعتمادًا على الطاقة) ، كما يساعد تعدين الطبقات المتعددة في تقليل تأثيرها. الأخبار السيئة هي أنه في معايير التصميم المنخفضة ، تتسبب جميع جسيمات ألفا التي لا تزال تصل إلى السيليكون ، في فشل ، ليس فقط فرديًا ، ولكن أيضًا متعدد (أكثر في هذا أدناه). على سبيل المثال ، نشرت TSMC في العام الماضي مقالة في ندوة IEEE الدولية لفيزياء الموثوقية لعام 2018 حول قياس عدد حالات الفشل الناتجة عن تلوث جزيئات ألفا في الذاكرة وفقًا لمعايير التصميم البالغة 7 نانومتر ، أي أن هذه المشكلة لا تزال موجودة وتتطلب بعض الإجراءات في عالم حيث كل شيء تحولت إلى لحام خالية من الرصاص.

, — . ( , ) , , . — (Si), , . , , — . - , , -, .



7. . Y. Cao et.al., «A 4.5 MGy TID-Tolerant CMOS Bandgap Reference Circuit Using a Dynamic Base Leakage Compensation Technique», IEEE TNS, Vol.60, N.4, 2013

سأوضح حجم التحديات التي تواجه مطوري الرقائق للطاقة النووية مع مثالي المفضل. يعد مصدر الجهد المرجعي (ION) مساوياً لفجوة شريط إشارة جهد فجوة نطاق السيليكون عبارة عن دائرة بسيطة نسبيًا ومعروفة. تحت تأثير الإشعاع ، تتغير معلمات الترنزستورات ثنائية القطب المستخدمة مع تغيير الثنائيات (يتناقص الكسب بسبب ظهور تسرب لقاعدة الباعث). نتيجة لذلك ، يمكن أن يتحول الجهد المرجعي لدارة ION التقليدية ، التي تحدد دقة جميع القياسات ، بنسبة 15 إلى 20٪ ، على سبيل المثال ، وهو ما يتوافق مع دقة ADC فعالة تبلغ من 2 إلى 3 بتات. في الدائرة على اليمين ، يختلف الجهد المرجعي في حدود 1٪ (أي أكثر من 7 بت) بجرعة من الإشعاعات المؤينة التي تبلغ 4.5 MGy. من أجل تحقيق هذه النتيجة المثيرة للإعجاب ، يجب إعادة صياغة المخطط بجدية ،إضافة مجموعة كاملة من التغذية المرتدة للتعويض عن تسرب الجرعة. في الإصدار المعزول من المطر ، هناك ما يقرب من أربعة أضعاف العناصر أكثر من الإصدار العادي ، واستهلاكها للطاقة هو ضعف هذا العدد. وأسوأ الأخبار هي أنه بالنسبة لكل مخطط جديد ، يجب تطوير استراتيجية مقاومة الإشعاع وتنفيذها بشكل منفصل. ولكن لا تزال هناك مشكلة في حماية الدوائر التناظرية من التأثيرات الفردية ، والتي لم يتم حلها بشكل رسمي.ولكن لا تزال هناك مشكلة في حماية الدوائر التناظرية من التأثيرات الفردية ، والتي لم يتم حلها بشكل رسمي.ولكن لا تزال هناك مشكلة في حماية الدوائر التناظرية من التأثيرات الفردية ، والتي لم يتم حلها بشكل رسمي.

مقاومة الإشعاع ومعايير التصميم

على الموقع الإلكتروني لأحد المصانع الإلكترونية الدقيقة ، لبعض الوقت ، كان هناك بيان بأنه لا يمكن تحقيق مقاومة الإشعاع في معايير التصميم التي تقل عن 600 نانومتر ، لأن "الجزيئات المشحونة تخترق السيليكون". عن طريق الصدفة المفاجئة ، كانت معايير التصميم الدنيا المتاحة لهذا المصنع 600 نانومتر فقط. وذكر أحد كبار الموظفين في مصنع آخر في مقابلة أجريت معه أن صنع رقائق للفضاء في معايير التصميم أقل من 90 نانومتر "مستحيل من الناحية التكنولوجية". ومرة أخرى ، تزامن ذلك مع أنه من المستحيل تقنياً القيام بشيء بأقل من 90 نانومتر في هذا المصنع المعين. إن الأسباب التسويقية لهذه المواقف والفوائد المباشرة منها مفهومة ، لكن على المدى الطويل ، يبدو لي أن مثل هذه العبارات ، الموجهة إلى جمهور واسع ، تسبب ضررًا أكبر من النفع.

هناك أيضًا مناقشات منتظمة لا ترتبط بأي تسويق تكون فيه الرقائق المصنوعة وفقًا لمعايير التصميم أكثر خشونة من حد معين ، وهي محصنة ضد حالات الفشل المفردة المدمرة (على وجه الخصوص ، إلى تأثير الثايرستور) ، مما يعني أن استخدام سنوات عديدة من التقنيات القديمة ليس له ما يبرره فقط ، ولكن وضروري.
أو بالعكس ، العبارات التي تشير إلى أن الدوائر الدقيقة ذات معايير التصميم التي تقل عن 250 نانومتر هي محصنة ضد تأثير الثايرستور ، لأنها تحتوي على فلطية تشغيل منخفضة للغاية لا يمكن لثايرستور فتحها. أو هناك آراء مفادها أن المشكلة في الحقيقة ليست في معايير التصميم ، ولكن في حقيقة أن تقنية CMOS معرضة بشكل أساسي للإشعاع (وهو ما تؤكده الاختبارات التي أجراها مقدم الطلب في السبعينيات) ، والرقائق القديمة المقاومة للإشعاع هي ثنائي القطب / KNS / GaAs. ونظرًا لأن تكنولوجيا CMOS سيئة بشكل أساسي ، ولكن يتم تصنيع جميع الرقائق الحديثة عليها - وهذا يعني أن الرقائق الحديثة ليست مستقرة بحكم التعريف ، والطريقة الوحيدة المؤكدة للملاحة الفضائية هي استثمار الأموال في إذكاء زرنيخيد الغاليوم المهجور منذ فترة طويلة (في نفس الوقت في السوق التجاري لشركة إنتل الفوز) أو العودة إلى منطق منفصل اختبار الزمن. وحتى أفضل - إلى المصابيح.

مشع - يعني القديم والمتخلف؟

في الإنصاف ، تجدر الإشارة إلى أنه في الدوائر التي يتم إجراؤها وفقًا لمعايير التصميم حول بضع ميكرونات أو أكثر ، لا يوجد عادة تأثير الثايرستور والإخفاقات الفردية. "عادة" ، ومع ذلك ، لا يعني "دائمًا" بأي شكل من الأشكال ، هناك أمثلة على الدوائر القديمة ذات المقاومة المنخفضة لتأثير الثايرستور ، ومعايير التصميم لا تضمن أي شيء. تنشأ المقاومة العالية للإخفاقات الفردية ببساطة لأن تبديل العناصر في معايير التصميم هذه يتطلب الكثير من الطاقة. أثناء التشغيل العادي أيضًا ، لذلك أود أن أتمنى لمن يعرضون الاستمرار في استخدام الرقائق القديمة لمحاولة تجميع معالج Intel Core على أساس سلسلة 74 والتفكير في نوع الصاروخ الذي سيكون قادرًا على رفع الوحش الناتج في الهواء.

من ناحية أخرى ، الإلكترونيات الدقيقة ليست حية من قبل معالجات واحدة. هناك عدد كبير من المهام التي ليست هناك حاجة إلى معايير تصميم صغيرة للغاية أو ليست إلزامية للغاية ، ومستويات 500-90 نانومتر كافية تماما. السوق التجاري العالمي للدوائر الدقيقة على الرقاقات التي يبلغ قطرها 200 ملم (وهذه معايير تصميم 90 نانومتر وأعلى) قد نمت لعدة سنوات ، ما يصل إلى نقص معدات الإنتاج. يتم إنتاج كل من الدوائر الدقيقة "المطورة منذ فترة طويلة" والجديدة تمامًا وفقًا لمعايير التصميم "التي عفا عليها الزمن" ، والعديد من المصانع جاهزة لضمان مستقبل العمليات التكنولوجية على المدى الطويل (ولكن ليس بالضرورة ثباتها الكامل). لذلك ، فإن "تخلف" مصنع معين من TSMC الشرطي لا يعني على الإطلاق استحالة النجاح التجاري في أي من المجال المدني أو في المجال الخاص المقاوم.

تعد التكلفة العالية لتطوير وتصنيع واعتماد الدوائر المقاومة للإشعاع صداعًا أكبر للمصنعين مقارنةً بالإلكترونيات الصناعية أو الصناعية. غالبًا ما تعقد الدورات الصغيرة (وغالبًا إن لم تكن المئات ، ثم الآلاف) تعقيدًا في تسويق مثل هذه التطورات ، لأنه إذا كنت بحاجة إلى تقسيم مليون دولار إلى ألف رقاقة (تكلفة التطوير عبارة عن رقاقة بسيطة نسبيًا بمعدل 180 نانومتر) ، فإن هذا يكون ألف دولار لكل شريحة ، ولكن لا تزال هناك حاجة إلى شهادة ، والتي يمكن أن تؤدي بسهولة إلى عدة ملايين (خاصة إذا كنت تختبر دوائر CMOS على ELDRS). وإذا كنت بحاجة لتسديد مليار دولار في المدى الصغير؟ هذا هو مقدار تكاليف التطوير في 5-7 نانومتر. أدى ارتفاع تكلفة التطوير وإصدار الشهادات إلى حقيقة أن تطوير جزء كبير من الدوائر الصغيرة المقاومة للأمطار مدعوم بشكل مباشر أو غير مباشر من قبل الدول في جميع أنحاء العالم. هذا يقلل بشكل كبير من عدد المشاريع الجديدة ، ويشجع لفترة أطول وأكثر ابتكارا لبيع ما هو ، وتعظيم استخدام كتل IP ثبت. نتيجة لذلك ، يتم إنتاج واستخدام الدوائر الدقيقة المقاومة للمطر الشائعة لسنوات عديدة ، مما يخلق الوهم بأن جميع الدوائر الصغيرة المقاومة للأمطار قديمة. وفي معظم الحالات ، يشعر العملاء بالرضا عن ذلك ، لأنه في المواقف التي لا تزال فيها الموثوقية أساسية فيما يتعلق بالأداء ، فإن إعادة استخدام الحل الذي تم إثباته بالفعل هو أفضل ما يمكن أن تفكر فيه ، ويمثل امتلاك "تراث الطيران" ميزة تنافسية هائلة. يساعد هذا أيضًا في تمديد فترة الإنتاج النشط للتطورات الناجحة - حتى عندما تكون قديمة بالفعل ، وعندما يكون هناك بديل بالفعل. بالإضافة إلى ذلك ، حتى تركيب النظير المتوافق من طرف إلى طرف في معظم الحالات يتطلب على الأقل توفيق وثائق التصميم ، فضلاً عن الحد الأقصى من الاختبارات المكلفة. وهذا في موقف لا يتطلب أي تطوير ، فماذا عن الحالة عندما تحتاج حقًا إلى إعادة شيء لاستخدام الشريحة الجديدة؟ بطبيعة الحال ، في مثل هذه الحالة ، يميل مطورو الأجهزة إلى إعادة استخدام الحلول المجربة ككل.

لا يساعد ذلك تصور المجتمع أن مسار التطورات الجديدة في الفضاء طويل وشائك - وفي الأخبار لفترة أطول ، ومن الأخبار العلمية الشائعة يتعلم الناس العاديون عادةً إنجازات صناعة الفضاء. في عام 2015 ، كانت هناك عدة رسائل من النموذج "القمر الصناعي New Horizons ، الذي وصل إلى Pluto ، لديه نفس المعالج كما هو الحال في Sony PlayStation" ، وكانت هذه البادئة قد بلغت من العمر عشرين عامًا وقت إصدار الأخبار. عرض ممتاز ومختص للغاية للمواد ، لن تقل أي شيء. تم إطلاق New Horizons في عام 2006 ، وبدأ تطوير المشروع في عام 2000 - في عام أول رحلة من معالج Mongoose-V ، أي أنه كان أحدث معالج متاح لديه خبرة حالية في المدار. انتهى تطوير هذا المعالج في عام 1998 ، وبدأ في عام 1994 - في وقت واحد تمامًا مع إصدار PlayStation. فيما يلي مثال آخر: تم إصدار معالجات Power750 المعمارية للتطبيقات المدنية في عام 1997 ، وفي عام 1998 تم طرح iMac لأول مرة باستخدام مثل هذا المعالج. في عام 2001 ، تم الانتهاء من تطوير التناظرية المقاومة للأشعة ، RAD750. ضرب هذا المعالج الكون لأول مرة في عام 2005 ، وفقط في عام 2012 بعد الهبوط الناعم لفضول كوريوسيتي على المريخ. بالطبع ، كان هناك أيضًا بعض العناوين الصفراء حول المعالج قبل خمسة عشر عامًا ، ولكن بدأ تطوير مشروع Curiosity في عام 2003 ، أي قبل الرحلة الأولى لمعالج RAD750.

المتطورة

على الرغم من كل ما سبق ، فإن مستوى معايير التصميم الذي يتم فيه تطوير منصات الحوسبة للفضاء هو 65-45-22 نانومتر. تم وضع شرائح RAD5500 الأمريكية بالفعل في الإنتاج المتسلسل بسرعة 45 نانومتر ، ومن المقرر أن يبدأ معالج DAHLIA الأوروبي في 28 نانومتر العام المقبل ، ويتم إنشاء منصة تطوير ASIC المصممة للاستخدام طويل المدى بسرعة 65 نانومتر في نظام IMEC البلجيكي. المطورين الروس ليسوا بعيدين عن ذلك - فخارطة طريق NIISI RAS للعام المقبل تُظهر ناتجًا معالجًا مقاومًا للإشعاع يبلغ 65 نانومتر ، وتتحدث المنشورات حول هذا الموضوع عن إنشاء منصة تطوير ، أي أن لمعايير التصميم هذه مستقبلًا كبيرًا ليس فقط في أوروبا ولكن أيضًا في روسيا .

وحتى في هذا المستوى من معايير التصميم ، فإن تطوير الإلكترونيات المقاومة للمطر لا يتوقف - إذا نظرت إلى أحدث إصدارات معاملات IEEE في العلوم النووية ، يمكنك أن تجد هناك ما يكفي من العمل في دراسة الترانزستورات ذات معايير التصميم من 20 إلى 16 نانومتر ، مما يمهد الطريق للأجيال الجديدة من المعالجات الدقيقة الفضائية. وفقًا لمعايير التصميم هذه ، يتوقع المطورون الكثير من الأشياء الجديدة والمثيرة للاهتمام: أولاً ، لا يمكن تصنيع الترانزستورات الدائرية ، ثانياً ، لدى FinFET هندسة قناة مختلفة تمامًا وعزل ، ثالثًا ، هناك تقنيات FDSOI ، والتي لها أيضًا خصوصية كافية.

يؤثر انخفاض معايير التصميم ، بطبيعة الحال ، على مقاومة الإشعاع للدوائر الدقيقة المصنعة عليها ، ولكن ليس بالضرورة للأسوأ. الاتجاه العام هو أنه مع انخفاض معايير التصميم ، يتناقص تأثير الجرعة الكاملة ، وتزداد التأثيرات الفردية. يتم قياس تحول الجهد الكهربائي في معايير التصميم التي تبلغ 180 نانومتر أو أقل بوحدات أو عشرات الميلي فولتات حتى بالنسبة للجرعات الكبيرة: يكون أكسيد البوابة نحيفًا جدًا بحيث تتراكم الشحنة المتراكمة في الأنفاق داخل القناة بدلاً من التراكم. طبقة الانتقال في التقنيات التي تحتوي على عزل STI مضغوطة بدرجة كافية ، والتي تسمح في كثير من الحالات بتدفق منخفض بجرعة كلية تصل إلى عدة عشرات أو حتى مئات من المهدات (Si). وإذا طبقنا ترانزيستورات رنين وحلقات حماية في تقنية حجرية بعمق دون الميكرون ، فسنقوم على الفور بالتخلص من جميع مشاكل الجرعة.



الشكل 8. أمثلة على العناصر المقاومة للإشعاع والتي طورها ميلاندر باستخدام تقنية SOI BCD.

يوضح الشكل 8 خيارين لتطبيق نفس عنصر المنطق وظروف مختلفة. على اليسار نرى الترانزستورات حلقة حشو كاملة في حلقات الحرس الفردية. على اليمين يوجد الخيار الأكثر بساطة للحصول على جرعة إجمالية منخفضة: الترانزستورات الخطية ، بدلاً من حلقات الحماية ، فقط ملامسات جيدة في الأرض. وفي كلتا الحالتين ، العزلة العازلة للترانزستورات قناة ن من قناة ف لحماية الشريحة من تأثير الثايرستور. في التكنولوجيا الحجمي ، تؤدي حلقات الحماية هذه الوظيفة. تجدر الإشارة إلى أنه بالنسبة للعديد من التطبيقات الفضائية ، فإن مقاومة الجرعة الكاملة عند مستوى 50-100 crad (Si) كافية ، وأن الترانزستورات الخطية تفعل هذا بشكل جيد للغاية ، دون الحاجة إلى تدهور كبير في المعلمات الوظيفية للدائرة من أجل تحقيق الاستقرار.

في حالة حدوث عيوب فردية ، يكون الموقف كما يلي: القطر التقريبي للمنطقة التي يتم جمع الشحنة منها عند دخول جسيم واحد من ميكرون واحد ، أي أكثر من حجم خلية الذاكرة التي تم تصنيعها وفقًا لمعايير التصميم عميق المغمور. في الواقع ، يتم اكتشاف ما يسمى بالفشل المتعدد بشكل تجريبي ، عندما يتسبب أحد الجسيمات في تبديل عدة وحدات بت مرة واحدة. علاوة على ذلك ، مع انخفاض معايير التصميم ، تقل أيضًا الطاقة اللازمة لتبديل بت الذاكرة ، أي أن عدد مرات الدخول الناجحة يؤدي إلى فشل أكثر من الرقائق المصنوعة وفقًا لمعايير تصميم أكثر تقلبًا. بما في ذلك دخول جزيئات ألفا من الشوائب المشعة في المواد الإنشائية.



الشكل 9. مقارنة عدد حالات الفشل من جسيم واحد ضرب لاثنين من المتغيرات 6T SRAM مختلفة في التكنولوجيا مع معايير التصميم من 65 نانومتر. المصدر - أ. بالبيكوف وآخرون ، "قضايا قابلية تطبيق VLSI لتكنولوجيا CMOS مقاس 65 نانومتر تحت تأثير عوامل الفضاء الخارجي".

ويبين الشكل 9 البيانات التجريبية على أخطاء واحدة في التكنولوجيا الحجرية 65 نانومتر. على اليسار هو المعتاد 6T-SRAM. عشرة مواطن الخلل من ضربة واحدة! رمز Hamming لن يحميك من هذا. لذلك ، إذا كنا نتحدث عن الدوائر الصغيرة التجارية ، فحينئذٍ سيكون وضعك أفضل قليلاً من المعايير الرفيعة على معايير التصميم الخشنة مع الإخفاقات الفردية. على الأقل ، سيبقون منعزلين ، ويمكن تصحيحهم حقًا عن طريق الترميز. ولكن إذا تم إنشاء الشريحة خصيصًا للتطبيقات الفضائية ، فإن ترسانة المطور لديها عددًا كبيرًا من الحلول المعمارية والدوائر والطوبولوجية التي يمكن أن توفر متانة عالية في نفس الوقت مثل الأداء العالي. على الجانب الأيمن من الشكل هو أيضا 6T-SRAM ، مع بالضبط نفس الدائرة الكهربائية ، ولكن مع طوبولوجيا مختلفة. سعر التحسينات التي تزيل العديد من حالات الفشل ، وتأثير الثايرستور وزيادة المقاومة للجرعة الكاملة هي زيادة أربعة أضعاف في المنطقة. لا يبدو هذا جميلًا جدًا ، لكن لم يقل أحد أنه سيكون سهلاً. ومع ذلك ، تعمل تقنية Radiation Hardening by Design على تحقيق مؤشرات مقاومة محددة مسبقًا وفقًا لمعايير التصميم الصغيرة على أي تقنية حجرية.

لماذا محددة مسبقا؟ نظرًا لأن تحقيق مستويات مختلفة من المقاومة يتطلب استخدام طرق مختلفة لرفعها ، ولكل مهمة تقنية وفنية ، تكون مجموعة الطرق المطلوبة مختلفة. ثم لماذا لا تطبق كل شيء في وقت واحد بحيث تشعر بالراحة؟ لأن تحقيق مقاومة الإشعاع يحدث دائمًا بسبب تدهور المعلمات الوظيفية (استهلاك الطاقة ، مساحة البلورة ، السرعة ، إلخ) ، وهي الأولوية الأولى. لهذا السبب نحتاج إلى متطلبات واضحة للمواصفات الفنية ، سواء في الوظائف أو في المتانة. في الحقيقة ، لا يتم صنع الدوائر الصغيرة لحل مشكلة واحدة ، خاصةً بشكل ثابت ، حيث يمكن أن يكون التداول لكل من التطبيقات المتاحة عشرات القطع. ولكن مع ذلك ، فإن الفهم الجيد للمتطلبات يسمح ، على سبيل المثال ، بعدم استخدام الترانزستورات الدائرية ، مما يزيد بشكل كبير المساحة والاستهلاك الحالي ، وفي النهاية للحصول على منتجات أكثر تنافسية.

ربما يتم اكتشاف عين القارئ اليقظ على كلمة "الحجمي" في عبارة "مؤشرات محددة سلفا للمقاومة في معايير التصميم الصغيرة لأي تقنية الحجمي". أليس لزوم لها هناك؟ يعلم الجميع أن الدوائر الدقيقة المقاومة للإشعاع تحتاج إلى صنع باستخدام تقنية "السيليكون على عازل" أو "السيليكون على الياقوت".

السيليكون على عازل

لطالما كانت تقنية "السيليكون على العازل" راسخة بقوة في مجد مقاومة الإشعاع. تعود جذور هذا المفهوم الخاطئ الشائع إلى العصور القديمة ، عندما كان رائد SOI ، السيليكون على الياقوت ، يستخدم بنشاط في التنمية العسكرية. لماذا؟ يتم فصل الترانزستورات في هذه التكنولوجيا كهربائيا عن بعضها البعض ، والأهم من ذلك ، من الركيزة. هذا يعني أن مساحة جمع الشحنة المستحثة بالإشعاع عند تعرض الرقاقة على المدى القصير للإشعاع بمعدل جرعة مرتفع ستكون صغيرة. هذا ، بدوره ، يقلل بشكل كبير من وقت فقدان القدرة على العمل - ما تحتاج إلى العمل في حرب ذرية. وبالفعل ، لا توجد طريقة أخرى لتقليل وقت فقدان القدرة على العمل ، باستثناء العزلة الكاملة للعزل الكهربائي.

الجزء المهم الثاني من أسطورة "SOI = مقاومة الفرح" هو مقاومة تأثير الثايرستور ، بما في ذلك عند التعرض لمعدل جرعة مرتفع. إن تأثير الثايرستور أو "المزلاج" هو الصداع الرئيسي لمطوري الرقائق الدقيقة والأجهزة المخصصة للفضاء ، وليس من المستغرب أن التكنولوجيا التي تسمح لك بالتخلص منها اكتسبت شهرة كمقاومة للإشعاع. ولكن في الواقع الوضع مرة أخرى أكثر تعقيدًا إلى حد ما.



الشكل 10. المقطع العرضي لتكنولوجيا CMOS السائبة مع الثايرستور الطفيلي.

سبب تأثير الثايرستور هو هيكل الثايرستور الطفيلي الموجود داخل عناصر تقنية CMOS. إذا كانت مقاومتا Rs و Rw كبيرة بدرجة كافية ، فإن بنية الثايرستور هذه ، عندما تدخل جسيم مشحون ، يمكن أن تفتح وتفتش على الأرض من الرقاقة بقوة ، والتي ، كما تعلمون ، ليست جيدة. ما حجم هذه المقاومة في الرقائق الحقيقية؟ الإجابة على هذا السؤال بسيطة للغاية: يعتبر الاتصال بالركيزة أو الجيب مساحة إضافية ، لذلك يحاولون تقليل عددها. وهذا بدوره يعني أن تأثير الثايرستور في الشريحة "العادية" سيكون أكثر احتمالًا بشكل افتراضي. صحيح أن تأثير الثايرستور يمكن أن يحدث ليس فقط من الإشعاع ، ولكن أيضًا عند تعرضه ، على سبيل المثال ، لتفريغ كهربائي أو حتى ببساطة من درجة حرارة مرتفعة وكثافة تيار عالية مع طوبولوجيا غير ناجحة. في التطبيقات "العادية" ، تتم مواجهة تأثيرات الثايرستور من قبل الشركات المصنعة لإلكترونيات القوى والسيارات.

في جزء كبير من الأنظمة الفضائية ، يعد إعادة التشغيل في حالة حدوث ظروف غير متوقعة مقبولًا تمامًا ، أي أنه يمكنك محاولة استخدام شريحة عرضة "للإغلاق" عن طريق وضع دائرة في خط الطاقة للتحكم في الاستهلاك الحالي وإعادة ضبط الطاقة عند تجاوز القاعدة. في الواقع ، يتم ذلك بشكل منتظم في الحالات التي يكون فيها من الضروري للغاية استخدام دائرة كهربائية صغيرة عالية الأداء ، وتعتبر شرائح حماية تأثير الثايرستور (Latchup Current Limiter) منتجًا مشهورًا مقاومًا للإشعاع. لكن هذا الحل له العديد من القيود. يمكنك إعادة ضبط الطاقة ليس في كل مكان وليس دائمًا ، يمكن أن تؤدي إعادة التشغيل أثناء إجراء مناورة مهمة إلى إنهاء مهمة طويلة. يمكن أن يختلف الاستهلاك الحالي للدوائر الدقيقة الحديثة عدة مرات حسب طريقة تشغيلها ، أي أن الاستهلاك في وضع "لا شيء يحدث وهناك قفل" يمكن أن يكون أقل من حالة التشغيل المنتظم في وضع آخر. ما المستوى الذي يجب تعيين الحد الحالي عليه؟ إنه غير واضح أيضًا. يعتمد الوقت المستغرق لإيقاف الطاقة ومنع إتلاف الشريحة على العديد من العوامل ، بما في ذلك الشريحة المحددة.في مكان ما ، لا يمكنك التسرع في أي مكان وإعادة ضبط الطاقة عدة مرات حسب الضرورة ، ولكن في مكان ما بعد المرة الأولى أو الثانية ، لا تزال الشريحة تحترق بشكل لا رجعة فيه.

في الدائرة المصغرة المصنوعة باستخدام تكنولوجيا SOI ، لا يمكن أن يكون تأثير الثايرستور من حيث المبدأ ، لأن جميع الترانزستورات مفصولة كهربائيًا. وأفضل شيء هو أنه لتحقيق مقاومة لتأثير الثايرستور ، لا تحتاج إلى القيام بأي شيء على الإطلاق. وهذا يعني أن الدوائر الكهربائية الصغيرة المصنّعة وفقًا لتقنية SOI مقاومة تمامًا لها ، مما يسهل استخدامها إلى حد كبير في الفضاء. لذلك ، على سبيل المثال ، سوف يتحكم معالج SOI التجاري في مركبة الفضاء الأمريكية الجديدة أوريون.



11. - -. — J. Schwank et.al., «Radiation effects in MOS oxides», IEEE TNS, Vol. 55, No. 4, 2008

? , , «», , - . -. — n- , — . ( , ), .



12. .

في تكنولوجيا SOI ، يوجد مسار تسرب آخر من المصدر إلى التصريف على طول حدود السيليكون وأكسيد كامن. الأكسيد المخفية أثخن بكثير من البوابة ، مما يعني أن الكثير من الشحنات الإيجابية يمكن أن تتراكم فيها. إذا أخذنا في الاعتبار أن الترانزستور "السفلي" (الجانب الأيمن من الشكل 12) ، والذي يمثل أكسيد الكامون بوابة له ، فسوف نرى في حالة الوضع الطبيعي أن جهد بوابة المصدر لهذا الترانزستور هو صفر ، والجهد العتبة له هو عدة عشرات من الفولت ، وهذا هو لا يتدفق الحالي من خلال هذا الترانزستور. عند التشعيع ، تتراكم شحنة موجبة في أكسيد الكامنة (تؤثر هندسة الترانزيستور الرئيسي على هذه العملية ، ولا سيما سمك طبقة أداة السيليكون) ، وينخفض ​​الجهد الكهربي لعنصر ترانزستور القناة "السفلية". بمجرد انخفاضه إلى ما دون الصفر ، يبدأ التيار بالتدفق بحرية عبر الترانزستور عبر قناة منخفضة غير منضبطة.وبالتالي ، فيما يتعلق بالجرعة الكلية الممتصة ، فإن تكنولوجيا SOI أسوأ بشكل أساسي من التكنولوجيا الحجمية. ولكن ربما هناك طريقة لتصحيح الوضع بطريقة أو بأخرى؟

عادةً ما يتم وضع طبقة الركيزة الأساسية ، لكن في SOI ، لا يوجد شيء يمنعنا من استخدام جهد كهربائي سلبي ، وليس الأرض ، وبالتالي إغلاق الترانزستور السفلي؟ من ناحية ، الفكرة سليمة وتستخدم بنشاط. علاوة على ذلك ، في حالة SOI (FDSOI) المنضب بالكامل والمعايير من 45-28 نانومتر ، يتم استخدام المراقبة المحتملة تحت أكسيد الكامنة أيضا في التشغيل العادي. من ناحية أخرى ، لا يغلق الحقل الكهربائي في أكسيد الكامنة الترانزستور الطفيلي فحسب ، بل يسرع أيضًا من تراكم شحنة موجبة في أكسيد الكامنة. نتيجة لذلك ، اعتمادًا على معايير العملية وحجم الجهد السلبي المطبق ، لا يمكن تحسين مقاومة الجرعة للدائرة الصغيرة مع الجهد السلبي المطبق على الركيزة ، بل تصبح أسوأ أيضًا! علاوة على ذلك ، كما هو الحال عادة ، هناك خفايا ، ولكن الوضع هو الأساسهذه الطرق الطوبوغرافية والدوائر التي تستخدم التكنولوجيا الحجرية تجعل من الممكن تحقيق أي مستوى معقول تقريبًا من المقاومة للجرعة الكاملة ، ومن خلال "مستويات معقولة" أفهمها هنا ، كما يقول 100 Mrad (Si). في SOI ، هناك قيود أساسية ، ويمكن أن يكون مستوى المقاومة لعملية معينة منخفضًا جدًا. لا يمكنك التغلب على هذه القيود دون التدخل في التكنولوجيا (عادة ما تكون غير متوفرة لأسباب تجارية) ، ولن تكون قادرًا على معرفة معايير مقاومة الجرعة دون اختبارات باهظة.ومستوى المقاومة لعملية معينة يمكن أن تكون منخفضة جدا. لا يمكنك التغلب على هذه القيود دون التدخل في التكنولوجيا (عادة ما تكون غير متوفرة لأسباب تجارية) ، ولن تكون قادرًا على معرفة معايير مقاومة الجرعة دون اختبارات باهظة.ومستوى المقاومة لعملية معينة يمكن أن تكون منخفضة جدا. لا يمكنك التغلب على هذه القيود دون التدخل في التكنولوجيا (عادة ما تكون غير متوفرة لأسباب تجارية) ، ولن تكون قادرًا على معرفة معايير مقاومة الجرعة دون اختبارات باهظة.

. , , ( ). , («») , . pn- -, --, , , . 1 *^2/(), . , — /. , -, ( ), -, — , , . - , . 4-8 , , . , , . , , .

« » , « », . , . , «» «» .

استنتاج

يعمل مئات الآلاف من المتخصصين في جميع أنحاء العالم لضمان مقاومة الإشعاع للدوائر المتكاملة ، ومن المستحيل فهم الضخامة في مقال علمي شهير. نعم ، هذا الموضوع ليس للمقال ولا حتى للرسالة. في أي حال ، ليس للرسالة. نظرًا لخصائص التنسيق ، سيجد الزملاء المتخصصون هنا ما يكفي من التبسيطات ، وعدم الدقة ، وربما حتى الأخطاء الفعلية. لا أرغب في ذلك ، ولكن يتم تلقي الرسائل المتعلقة بالتعديلات الضرورية في PM. دون التظاهر بالكمال والرواية ، آمل أن أتمكن من وصف القضايا الأكثر شيوعًا المتعلقة بمقاومة الإشعاعات والمفاهيم الخاطئة بوضوح ، وأن أنقل للقارئ فكرة أن الإلكترونيات الدقيقة عمومًا والالكترونيات الدقيقة على وجه الخصوص هي واحدة من أسرع المجالات تقدمًا العلم والتكنولوجيالذلك ، غالبًا ما تتحول المعرفة والصور النمطية التي تم اختبارها عبر الزمن إلى أنها قديمة أو غير كاملة أو غير صحيحة ، ولا يستخدم أي شخص وصفات بسيطة وواضحة ، لأنها في الواقع غير موجودة.