Física da interação da radiação com componentes eletrônicos e análise física dos efeitos da radiação

Odair Lelis Gonçalez e Octávio Pereira da Silva Filho (IEAv)

Sumário:

1) Introdução: grandezas físicas e fenômenos a considerar

2) Interações da radiação com o meio material

3) Correlação dos efeitos físicos (interação com o material) e os efeitos nos parâmetros e funcionalidades dos dispositivos eletrônicos

4) Testes acelerados dos efeitos da radiação com componentes eletrônicos: instalações e fontes de radiação

5) Experimentos de TID realizados no Laboratório de Radiação Ionizante do IEAv com fonte de 60Co

6) Testes de SEE com laser

1. Introdução: grandezas físicas e fenômenos a considerar

1.1 Radiação e ambientes hostis a pessoas, equipamentos e materiais

1.2 Considerações quanto à proteção e mitigação dos efeitos da radiação no projeto de um veículo espacial

1.3 Efeitos ambientais no espaço e a radiação

1.4 Fontes de radiação no espaço e seus efeitos

1.5 Fenômenos e grandezas que devem ser definidos para especificação de componentes para aplicações espaciais

1.1 Radiação e ambientes hostis a pessoas, equipamentos e materiais

Instalações nucleares

Radiação cósmica: partículas de alta energia (prótons, alfas, e demais íons, até GeV)

Instalações nucleares e radiativas: raios-X, gamas, nêutrons, betas, prótons e radioisótopos

Meio ambiente: radioisótopos naturais e artificiais (solo. Ar e água) e radiação cósmica atmosférica, que aumenta com a altitude.

Cenários de operações militares: explosões atônicas (gamas,nêutrons) e contaminação

Principais ambientes radiativos hostis à eletrônica:Espaço: Radiação cósmica (prótons e íons de alta energia)Aeronáutico: vôos acima 10 mil metros (nêutrons, prótons,etc)Solo: nêutrons térmicosInstalações de radioterapia, pesquisa e nucleares: elétrons,

gamas, nêutrons e partículas de baixa e média energiaCenários de operações militares: pulsos intensos de radiação

Tipos de radiação:a) Eletromagnética (fótons): Raios-X e gamasb) Particulas carregadas leves: elétrons (β-) e pósitrons (β+)c) Partículas carregadas pesadas: prótons, deuterons, alfas,

fragmentos de fissão e demais ionsd) Partículas neutras: nêutronse) Particulas elementares (reações em altas energias):

diversas partículas elementares em chuveiros criados a partir da interação de raios cósmicos com a atmosfera

Todas as radiações interagem e depositam energia no meio

Requer o conhecimento prévio das condições ambientes, previsão dos efeitos e inserção da proteção e mitigação desses efeitos na fase de projeto. Requer depois testes de controle de qualidade dos componentes e nos sistemas integrados na fase de execução.

1.2 Considerações quanto à proteção e mitigação dos efeitos da radiação no projeto de um veículo espacial: é um dos vários campos da engenharia espacial.

1.3 Efeitos ambientais do espaço e radiação

1.4 Fontes de radiação no espaço e seus efeitos

Radiação cósmica:a) Galácticab) Solarc) Aprisionada

Dependendo da missão (órbita) uma delas será a mais significativa

E os efeitos serão:a) Acumulativos: TID, DDb) Isolados (estocásticos ou

contáveis): SEE- transientes (não destrutivos):- permanentes (permanentes)

Forma com que a energia depositada pela radiação no meio (ionizante e não ionizante)

1.5 Fenômenos e grandezas que devem ser definidos para especificação de componentes para aplicações espaciais

1) Qualificação e quantificação da radiação:

a) Tipos de partículas que atingem o componente: p, e, ions, n,

b) Energia das partículas ou espectro: φ(E) →φ(LET)

c) Fluxo e fluência ( Taxa de dose e dose acumulada)

2) Propriedades do componentes:

a) Tipos de materiais empregados e tecnologia (espessura)

b) Natureza do componente (diodo, transistor, memória, etc)

c) Volumes ativos ou sensíveis (seção de choque, alcance, concentração limiar de carga, LET, Deslocamento atômico)

3) Interação da radiação com o meio material e como o componente ativo vai responder às modificações sofridas

2. Interações da radiação com o meio material

2.1 Natureza e propriedades das radiações

2.2 Interações da radiação com a matéria conforme o tipo e a correlação com os efeitos observados

2.3 Poder de freamento (”Stopping power”), transferência linear de energia (LET) e alcance (range)

2.4 Dose (ionizante e não ionizante)

2.4 Conceito de fluxo e de secção de choque

2.1 Natureza e propriedades das radiações

Tipo Nome Símbolo Carga (e)Massa (u.m.a)

Meia-vida

raios-X X 0 0 Indefinida

Gamas γγγγ 0 0 Indefinida

Elétron e-, ββββ−−−− -1 0,000549 Estável

Pósitron e+, ββββ++++ +1 0,000549 Estável

Múon µ- -1 0,114 2,2××××10-6

Antimúon µ+ +1 0,114 2,2××××10-6

Neutrino υυυυ 0 ≈≈≈≈ 0 Estável

Anti-neutrino υυυυ 0 ≈≈≈≈ 0 Estável

Puin positivo ππππ++++ +1 0,15 2,55××××10-8

Piun negativo ππππ−−−− -1 0,15 2,55××××10-8

Pion nêutro ππππ0000 0 0,15 2,55××××10-8

Kaon positivo ΚΚΚΚ++++ +1 0,531 1,22××××10-8

Kaon negativo Κ−Κ−Κ−Κ− -1 0,531 1,22××××10-8

Prótons p +1 1,007593 Estável

Nêutrons n 0 1,008982 Estável

Ondas eletromagnéticas

Léptons

Bárions

Méson

e = Carga elementar = 1,6×10-19C1 u.m.a. = 1,661×10-27kg = 931,5MeV

Fontes de radiação:

Naturais:1) Raios cósmicos (várias partículas elementares e íons de alta energia)2) Radionuclídeos presentes na terra, água e ar: urânio, tório eseus descendentes (emissores alfa, beta e gama), radônio do ar, 14C, 40K, etc

Artificiais:1) Radioisótopos produzidos em aceleradores e reatores para fins industriais e médicos (diagnóstico e terapia), como o 60Co, 137Cs, 90Sr-90Y, 131I e especiais para P&D, como o 252Cf, Pu-Be, etc.2) Reatores nucleares: nêutrons, gamas, produtos de fissão e radioisótopos3) Aceleradores de partículas: elétrons, prótons, alfas e demaisíons pesados e radiação secundária gerada pelo feixe (nêutrons, gamas, raios-X e partículas elementares4) Aparelhos de raios-X: raios-x (espectro contínuo e/ou raios-x característicos)

2.2 Interações da radiação com a matéria conforme o tipoRadiação Interação Resultado Efeito no meio material

Efeito foto-elétrico

O fóton é absorvido e o elétrons ligado de uma

órbita interna é ejetado do átomo (ionização primária)

O elétron ejetado perde energia por colisões (ionização do meio) e por emissão de radiação de freamento

("bremsstrahlung")

Efeito compton

Espalhamento inelástico do fóton com um elétron

fracamente ligado. Elétron é ejetado e o fóton muda de

energia e de direção

O elétron ejetado perde energia por colisões (ionização do meio) e por emissão de radiação de freamento

("bremsstrahlung") e o fóton espalhado pode interagir novamente com o meio

Produção de Pares

O fóton desaparece e a sua energia é transformada em

massa de respouso e energia cinética de um par

elétron-pósitron

O elétron e o pósitron ejetados perdem energia por colisões (ionização do meio) e

por emissão de radiação de freamento ("bremsstrahlung"). O pósitron a seguir

colide com um elétron do meio ocorrendo a aniquilação destas partículas com a

emissão de dois fótons de 0,511MeV em direções opostas

Fótons (Raios-X e

gamas)

O resultado final é a ionização do meio e o desenvolvimento de uma cascata de elétrons e fótons secundários, que se desenvolve ao longo da espessura do meio, inicialmente subindo (build-up) e depois decrescendo exponencialmente. Baixo LET. Longo alcance.

Radiação Interação Resultado Efeito no meio material

Coulombiana com átomos do meio

Ionização dos átomos e emissão de um ou mais

elétrons

Ionização do meio ao longo de sua trajetória tortuosa. Energia depositada

caracterizada pela baixa LETEmissão de radiação de freamento (Raios-X de

"bremsstrahlung")

Os fótons emitidos atravessam e interagem com o meio

Espalhamento elásticoO elétron muda de trajetória e o núcleo

sofre um recuo, deslocamento atômico e ionização do meio

Coulombiana com átomos do meio

Ionização dos átomos e emissão de um ou mais

elétrons

Ionização do meio ao longo de sua trajetória retilínea. Energia depositada

caracterizada pela alta LET

Nuclear: espalhamento

Deslocamento atômicoMudança de posição do átomo da rede cristalina em sólidos, quabra da ligação química, ionização secundária do meio

Nuclear: reação

Formação de produtos de reação e possibilidade de

emissão de gamas, betas,nêutrons, etc

Transmutação do elemento químico do meio, quebra de ligações químicas,

ionização do meio pelo reuo dos produtos de reação e formação de nuclídeos

radioativos

Eletromagnética com a carga nuclear

Emissão de radiação de freamento (Fótons de

"bremsstrahlung")

Os fótons emitidos atravessam e interagem com o meio

Eletromagnética com a carga nuclear

Eletrons e pósitrons

Ions pesados (prótons,

alfas, etc...)

O resultado final é a ionização do meio (principal mecanismo), deslocamento atômico e geração de radiação secundária: bremsstrahlung (elétrons) e produtos de reações nucleares e espalhamentos para as partículas carregadas pesadas

Radiação Interação Resultado Efeito no meio materialEspalhamento

elástico e inelástico com núcleos dos

átomos que constituem o meio

Núcleo de recuo com momento transferido pelo

nêutron na colisão.

Deslocamento atômico e ionização do meio pelo núcleo de recuo (importante

para materiais de baixo número atômico, Ex: hidrogênio)

Reação nuclearProdutos de reação (ions) e radiação secundária (betas,

gamas, etc)

Transmutação do elemento químico do meio, quebra de ligações químicas,

ionização do meio pelo reuo dos produtos de reação e formação de nuclídeos

radioativos. Ionização do meio posteriormente pelo decaimento desse

nuclídeos radioativos. É muito importante a reação de captura de nêutrons térmicos

pelos núcleos dos átomos do meio.

Nêutrons

O resultado final é a ionização do meio através das partículas secundárias geradas das interações nucleares do nêutron com os núcleos dos átomos do meio, deslocamentos atômicos dos átomos do meio e a formação de nuclídeos instáveis (radioativos), os quais irão decair posteriormente de acordo com as suas meias vidas radioativas emitindo radiação: alfa, beta ou gama, conforme o caso.

2.3 Poder de freamento ¨(”Stopping power”), alcance (range) e transferência linear de energia (LET)

Stopping Power: Quantidade energia perdida pela partícula por unidade de percurso no meio através de todas as interações (colisão e radiação).É medido em MeV/g.cm-2.. As perdas por colisão podem resultar em ionização do meio ou interações nucleares.

∫−

=0

)(

1

inicialEdx

dx

dER

O alcance (ou “range”) da partícula no meio é a distância percorrida até perder a totalidade de sua energia cinética.

Transferência linear de energia (LET): energia que é transferida na forma de ionização do meio

ionizaçãodx

dELET

=

IonEnergia (MeV)

LET

(MeV.cm2/mg)Alcance

(mm)12C 102 1,4 19319F 141 3,4 12635Si 186 7,9 85,335Cl 210 11,4 65,848Ti 227 18,8 47,558Ni 266 26,6 41,979Br 290 37,2 39127I 320 59,7 34

197Au 350 82,3 27,9

BNL Test Heavy Ions

2.4 Dose (ionizante e não ionizante)

Massa

EnergiaDose =

A dose absorvida, ou simplesmente dose, é a energia depositada pela radiação por unidade de massa do meio

Unidades de medida: Si = J/kgEspecial: GyAntiga rad1Gy = 100rad

TID está relacionada à dose devida à ionizaçãoDD está relacionada à dose não ionizante (NIEL)

2.4 Conceito de fluxo e de secção de choque

Fluxo é a quantidade de partículas que atravessa uma unidade de área na unidade de tempo Em geral expresso em partículas/cm2.s. O fluxo integrado no tempo é chamado de fluência.

O fluxo pode ser escrito também na forma diferencial em energia:

dE

dφ ou simplesmente φ(E) que é expresso em part/cm2.MeV.s

A secção de choque para um determinado evento num componente é dada pela razão entre o taxa de eventos observados e o fluxo de partículas incidentes no componente:

φσ

n=

A seção de choque depende da energia e do tipo de partícula incidente. Para SEE a seção de choque depende do LET.

Conhecendo-se a seção de choque e o fluxo de partículas incidentes, o número de eventos esperado é calculado por:

∫=MAX

th

LET

LET

LETdLETLETn )().().( σφ

4. Correlação dos efeitos físicos (interação com o material) e os efeitos nos parâmetros e funcionalidade dos dispositivos eletrônicos

1) Efeitos acumulativos: efeitos provenientes de várias partículas (ionização e deslocamentos atômicos) que dependem da dose total acumulada de radiação (ionizante e não ionizante) →→→→ aumenta continuamente com o tempo a) TID (Total Ionizing Dose) →→→→ Associado ao aprisionamento e acúmulo de cargas em estruturas ou regiões sensíveis do componente b) DDD (Displacement Damage Dose) →→→→ Associado a danos na estrutura do material por deslocamentos atômicos (NIEL - Non-ionizing Energu Loss)

2) Efeitos de partícula isolada (SEE – Silgle EventEffects): são efeitos de natureza estatística (contáveis) e associados à interação de cada partícula do feixe com regiões sensíveis do componente. Quando a partícula ionizante provoca uma concentração de cargas suficiente para causar um sinal elétrico anômalo.

Depende do LET (lLinear Energy Transfer) e Alcance (Range) da partícula. Pode ser:

a) Transitório (recuperável): SET (Sigle EventTransiente), SEU (Single event Upset),

b) Permanente (irrecuperável): SEL (Single EventLetchup), SEB (Single Event Burnup). SEGR (SingleEvent Gate Rupture), etc

* Taxa de ocorrência depende do Fluxo incidente e da Seção de choque

5 Ensaios e testes acelerados dos efeitos da radiação em componentes eletrônicos: instalações e fontes de radiação

Os ensaios e testes acelerados de irradiação de componentes eletrônicos são realizados para medir a dependência de parâmetros funcionais com a dose de radiação e para medir a probabilidade de SEE (LET limiar e seção de choque em função do LET), simulando em curto tempo as doses baixas e fluxos recebidos pelo componente exposto por longo tempo no espaço. Cuidado deve ser tomado na escolha das taxas de dose devido a componentes que apresentam ELDR).Há também os testes de qualificação de lote para a aceitação de componentes, onde uma amostra do lote é submetida à dose e à fluência de partículas previstas na missão para fins de aprovar ou não o lote, medindo-se os parâmetros e funcionalidades do componente na sua condição de uso.

TID – Gamas (60Co), raios-X e elétrons (irradiadores, fontes e aceleradores)

DD – elétrons, nêutrons, prótons, ions(aceleradores, fontes, reatores)

SEE – prótons, ions, nêutrons (aceleradores, fontes e laser, mas há alguns trabalhos com reatores

5. Experimentos de TID realizados no LRO

Efeito da Radiação em Fibra Óptica Utilizada emGiroscópio à Fibra Óptica

)]exp(1.[)]exp(1.[)( 4321 tPPtPPdBA −+−=

2

4

223

1

2

111

1

1

TP

TDCP

TP

TDCP

=

=

=

=

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

0 50 100 150

Tempo de irradiação (h)

inte

nsi

dad

e n

orm

aliz

ada

HB1500G

HB1500G-RT

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

0 200 400 600

Tempo de recuperação (h)

Inte

nsi

da

de

no

rmal

izad

a

HB1500G

HB1500G-RT

Redução da transmissão durante a irradiação

Recuperação da fibra após a irradiação

Modelo do comportamento

Ver artigo submetido aoXI SIGE (GONÇALEZ et al, 2009)

Estudo dos Efeitos da Radiação Ionizante no Conversor de Tensão DC/DC LM2596

Multímetro

Osciloscópio

Fonte0-60V/50A

GPIB BUS

Fonte Co60

GPIB-LAN

Plataforma Virtual VEE

Multímetro

Osciloscópio

Fonte0-60V/50A

GPIB BUS

Fonte Co60

GPIB-LAN

Plataforma Virtual VEE

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Dose Total Absorvida [krad(Si)]

Ten

são

de

Saí

da

(V)

6 V

10 V

15 V

20 V

25 V

30 V

35 V

40 V

Tensão de Entrada (V)

Limiar de dose acumulada [krad(Si)]

6 19,110 21,915 23,720 25,125 26,530 27,935 29,440 31,3

Ver artigo submetido ao Braz. Symp. Aer. Eng & Aplic (SOUZA e SAOTOME, 2009)

FIM da PRIMEIRA PARTE!

Chegou a hora do coffee-break!

1

SINGLE EVENT EFFECTS

MsC Octavio Pereira da Silva FilhoEFA – A

Instituto de Estudos AvançadosCTA

2

Single Event Effects

Instalações de teste

e

3

Visão Geral

� Ambientes Radioativo� Conceitos de Single Event Effects� Caracterização do SEE� Método de teste de SEE

� Acelerador de Partículas� Fonte de Californium 252� Laser Pulsado

4

Ambiente Radioativo Espacial

Cinturão de radiação– Electrons até 7 MeV– Protons até 400 MeV

Espaço– Raios cósmicos–Íons pesados (ions com extrema energia)– Labaredas solares (primariamente protons

E ions pesados)

5

Ambiente Radiativo na Atmosfera

Cosmic Ray Interactions in the Air

Chuveiro de partículas entre o topo da atmosfera e o nível do mar

Composição:~85% protons ~14% α, ~1% núcleos pesadosa maior parte até 10 GeV/amu.Mas alguns até 1011 GeV(16 J)

6

A Eletrônica no Ambiente Radioativo

A eletrônica embarcada num satélite, por exemplo, está sujeita a ação da radiação

SEEÉ o efeito causado pela ionização de regiões sensíveis de um dispositivo eletrônico causado por uma única partícula, acarretando na falha de operação do mesmo, temporariamente ou permanentemente.

7

Single Event EffectsÍons de alta energia têm a velocidade diminuída através de perda de energia por colisão elástica (nuclear) e inelástica (eletrônica)

Colisão Elástica

Colisão Inelástica

Si(n,αααα)Mg, Si(n,p)Al Si(p,2p)Al, Si(p,pαααα))Mg

Interação Nuclear

Direta / Indireta interação através de reação nuclear

Ions

Protons

8

Classification of the Single Event Effects

Efeito no dispositivo

Poder de atuação

Tipo de dispositivo

9

Single Event Gate Rupture

�Permanente falha do óxido

�Power Mosfets são mais suscetíveis

�Dependente do campo elétrico no óxido do gate

SEGR

10

Single Event Burnout

�Causado por corrente excessiva dentro da estrutura do dispositivo

�Power transistors

�Alguns tipos de circuitos integrados lineares

SEB

11

Single Event Latchup

�Envolve elementos parasitas do circuito que formam o SCR (silicon controlled rectifier)

�A corrente do dispositivo pode destruí-lo se não for limitada ou removida a tempo.

Ação Inicial do trigger:Corrente induzida pelo íon flui do contato até o substrato e alimenta diretamente o transistor bipolar vertical e parasita. O resultado é que o circuito do SCR éacionado totalmente e causa um curto através do dispositivo.

SEL

12

Single Event Transient & Upset

A ionização da região sensível do dispositivo leva ao acionamento de um transistor mudando o estado lógico de células de memória (upset).

Static random access memory SRAM

SEU SET

13

Single Event Similar to SEU

SEFI

MBU

MBU é um problema para:-códigos de detecção de erro de um bit (EDAC) -DRAMs e certas SRAMs

-coloca o dispositivo num modo de teste, parada temporária ou estado indefinido-SEFI requer reset para recuperar o funcionamento do dispositivo

Multiple Bit Upset →→→→

Upset em dois ou mais bits causando simultâneos erros

Single Event Functional Interrupt →→→→SEU em circuitos de controle de dispositivos

14

Erros de SEE Soft e Hard

15

Dinâmica da Coleta de Cargas

Ao longo do percurso, a

partícula produzuma distribuição radial densa de

pares de elétrons-buraco

Fora da região de depleção, a

distribuição de carga fora do

equilíbrio induz uma distorção temporária em forma de funil

ao longo da trajetória do evento

(componente de deriva)

O funil colapsa. A componente de difusão então

domina o processo de coleta até que todo o

excesso de carga tenha sido coletado,

recombinado ou difundido para fora da área de

junção

Corrent vs Tempo para ilustrar a processo

DINÂMICA�Afunilamento e Difusão� x�Recombinação de Portadores

16

Caracterização do SEE

Circuitos são caracterizados pela sua sensibilidade ao SEE através:

� da medida da seção de choque em função da transferência linear de energia (LET).

� do cálculo da taxa de eventos

17

LET & Seção de Choque

FLUXO φ = partículas/(área x tempo)

FLUÊNCIA Φ = ∫φ dt = partículas/área

SEÇÃO DE CHOQUE

18

Cálculo da Taxa de Eventos

TAXA DE EVENTOS = FLUXO X SEÇÃO DE CHOQUE = EVENTOS / TEMPO

A determinação do volume sensível, requer suposições sobre a construção do dispositivo

19

Fluxo versus LET na Órbita da Terra

20

Métodos Padrões de Teste

ASTM F-1192 -Standard Guide for the Measurement of Single-Event Phenomena from Heavy Ion Irradiation of Semiconductor Devices

EIA/JESD57 -Test Procedures for the Measurement of Single-Event Effects in Semiconductor Devices from Heavy Ion Irradiation

SINGLE EVENT EFFECTS TEST METHOD AND GUIDELINES ESCC Basic Specification No. 25100 ISSUE 1

21

Instalações para o Teste de SEE

� Acelerador de Párticula� Califórnio 252� Laser Pulsado

22

Típico Setup do Acelerador de Partícula

VANTAGEMSimula o ambiente agressivo do

espaço razoavelmente bem

23

Desvantagens•Danifica o circuito;•O dispositivo precisa ser testado numa câmarade vácuo;•Oneroso e consome tempo;•Precisa de precausões especiais de segurança(ambiente radioativo).

24

Instalação do Acelerador

25

Esquema da Instalação da fonte de Califôrnio 252

1 – 252 Cf source2 – Iris3 – Attenuator

7 – SBD8 – Source shield9 – Light bulb

4 – Scintillator5 – Light pipe6 – DUT

26

Instalação da fonte de Califôrnio 252

Câmara de vácuo para irradiação com íons pesados pertencente ao Laboratório de Radiação Ionizante do Instituto de Estudos Avançados

EFA – A / IEAv

27

Espectro de Energia dos Íons de CalifôrnioMeasured Energy Spectrum of 252Cf

Equivalent Spectrum

28

Seção de Choque dos Íons de Califôrnio

Dificuldades

�Estimativa da energia absorvida nas regiões sensíveis do dispostivo (espectro de energia);�Limitada penetração das partículas emitidas pelo califôrnio 252.�Necessidade de detalhado conhecimento da profundidade das áreas sensíveis dos dispositivos

29

Teste de SEE com Laser

30

Características do Feixe de Laser

Distribuição da intensidade do feixe

Feixe GaussianoLargura do feixe

Alcance de Rayleigh

Distância confocal Raio de curvatura Divergência do feixe

Parâmetros do Feixe

31

Limite de DifraçãoD

f -focal length of the lensl -the wavelength of lightD -the diameter of the lens

Difração de uma onda plana incidindo numa fenda Difração de uma onda plana

incidindo numa fenda circular

Intensidade da luz de duas fontes

Gráfico e imagem de difração de uma única fenda

Diametro (w0) no limite de difração da área iluminada

32

Simulação com Laser dos Efeitos dos Raios Cósmicos

Fotocorrente na junção PN

33

Característica do Feixe do Laser no Semicondutor

Distância confocal nosemicondutor

Perfil longitudinal do foco do feixedo laser, distância confical e o

diâmetro da focalização

Largura do feixe do laser

ωωωω0-the minimum diameter

λλλλ - the wavelength of lightηηηη - the index of refraction

Diâmetro da focalização

34

Cálculo da Distância Confocal

O aumento do diâmetro do feixe do laser faz a densidade

de cargas diminuir

35

Absorção do Feixe do LaserLei de Beer-Lambert

SILÍCIO

Gap = 1,1 eV

Seção de choque de absorçãoProbabilidade do processo de absorção

N – no de fótons penetrando na profundidade xn - partículas absorvidas por unidade de volumeσσσσ – seção de choque de absorção

36

Efeitos Não LinearesLuz de alta intensidade provaca mecanismos de absorção adicionais que

modificam a relação entre a intensidade da luz e a densidade de portadores

�Bandgap Narrowing�Lattice Heating

37

Reflexão do Feixe de Laser

É necessário calcular a porção de luz que é refletida, de maneira a relacionar os efeitos do pulso do laser diretamente com a quantidade de energia depositada no material semicondutor.

A energia do pulso do Laser é absorvida e refletida na superfície do dispositivo

38

Estrutura da Plataforma de Teste com Laser

39

Detalhes do Equipamento

40

Detalhes do Equipamento

41

Detalhes do Equipamento

42

Detalhes do Equipamento

43

Detalhes do Equipamento

44

Detalhes do Equipamento

45

Outro Layout

46

Vantagens do Laser

•Teste não destrutivo• Relativamente barato• Resolução espacial• Resolução Temporal•Ajuste simples do Alcance

47

Teste Não DestrutivoExcessão

•A energia do fóton seja menor do que aquela necessária para provocar tunelamento assistido da carga no óxido.

•A energia do pulso necessária para produzir um upset seja menor do que aquela para fundir o semicondutor

�Energia do fóton <2 eV ( Si)

Campo elétrico suficientemente pequeno

SEU →→→→ 100 MeV.cm2/mg LET

48

Teste DestrutivoO feixe do laser provoca Latchup

Fusão das linhas de metal como resultado do latchup provocado pelo laser.

49

Relativamente BaratoTodo o custo de montagem de uma plataforma LASER é muito mais barato do que o custo de um ACELERADOR DE PARTÍCULAS.

Accelerator Laser

Aproximadamente $150 k

50

Resolução Espacial

O uso de um diâmetro largo permite identificar

rapidamente regiões sensíveis

O pequeno diâmetro de focalização e o posicionamento com precisão micrométrica permitem testar nós sensíveis nos dispositivos com muita acurácia

A sensitividade individual de um transistor pode ser medida

51

Resolução Temporal

Pela sincronização do laser em relação ao clock do circuito, épossível medir a dependência temporal do upset no circuito lógico

52

Facilidade de Determinar o LET threshold

Resposta de um transistor a diferentes quantidadesde energia depositada pelo laser

Pode-se variar o LET pela mudança da intensidade do laser

53

Ajuste Simples do Alcance(Range)

54

Limitações do Laser

� Não mede o valor absoluto do SEE threshold

� Não mede diretamente a seção de choque

� Necessita de acesso ótico

55

Não mede o valor absoluto do SEE threshold

Em razão da luz e dos íons não interagirem da mesma forma com o semicondutor, há diferenças significantes no perfil de ionização dentro do dispositivol.

56

Não Mede Diretamente a Secão de Choque

Comparação entre a seção de choque do feixe de ions e do laser

57

Acesso Ótico

58

Acesso Ótico

Sem encapsulamento

59

Acesso Ótico

60

O Laser não Atravessa o Metal

Os dois picos duplos representam a incidência do laser nos contatos de metal

61

Uso do Laser

Correntemente, o laser é usado:• Para simular os efeitos transientes de partículas energéticas;

• Para diagnosticar projetos de aumento de tolerância a SEE;

• Para pre-selecionar candidatos ao teste no acelerador de partículas;

• Para gerar mapas de bits:

• Para verificar os códigos de deteção e correção de erros para proteger contra SEU;

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Radiation Sensitivity Mapping of ICs

Color mapping of sensitive areas

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Fim

Muito Obrigado...