Lezione4

EFFETTI DELLA RADIAZIONE SUI DISPOSITIVI ELETTRONIC (II)
Single Event Upset (SEU)
N
SEU: Quali particelle sono piu’ pericolose?
Nuclei: alta ionizzazione (LET, in MeV•cm2/mg)
p,n
Adroni: ionizzazione minore, ma interazione nucleare.
Frammenti nucleari prodotti nel Si.
Sopra a 20 MeV, n,p equivalenti.
SEU: non e’ un evento distruttivo; fino a certi livelli puo’ essere tollerato
Quanto e’ frequente ?
Ambiente
(tipo di particelle, fluenza)
Tipo di dispositivo
Un protone o un neutrone non hanno abbastanza LET da causare un SEU. Pero’…..
Emax del frammento aumenta con E del n,p
source
drain
n+
n+
+- +-+ ++-+- drift
++- +
diffusion
-+-+-+
+
-
0
1
1
0
10
Drain dei
transistor
Siccome ciascun ione ha una sua Let in Si, un modo conveniente per testare
Un dispositivo per i LET e’ andare presso un acceleratore di ioni e usare
Diversi tipi di ione, cosi’ posso caratterizzare il mio dispositivo.
F non e’ il flusso ma le fluenza: Flusso * tempo ( particelle/cm2)
La saturazione corrisponde alla situazione in cui tutte le regioni del dispositivo vanno in
upset quando sono colpite da uno ione una maggior LET non comporta alcuna modifica
Di solito il risultato della s in funzione di LET viene fittato con la legge di Weibull:
s = s0
-(
(
1-e
Edep – E0
W
))
s
W e s sono I parametri di shape
s0 e’ la sezione d’urto di saturazione
E0 e’ l’energia di soglia
Per trasformare I dati da LET a Edep occorre una calibrazione che tenga conto
dello spessore sensibile del dispositivo.
Una volta calcolato la s0 e’ possibile predire il numero di SEU/bit: s0/F/(Conf. bits)
Se adesso dobbiamo stimare il numero di errori in un ambiente in cui la radiazione
e’ data da protoni, dobbiamo tenere in conto la LET dovuta a protoni di quell’energia.
Rate SEU = F(protoni) * s0 * fact * time
“fact” e’ un fattore che tiene conto della probabilita’ che un singolo protone
possa dare origine nel dispositivo a una LET sopra quella di soglia. In realta’
Serve un’accurata simulazione di Montecarlo per avere questo parametro.
( leggetevi M. Huthinen and F. Faccio, Nucl. Instr. and Meth., A,
450 (2000), 155 )
N. B. Se considero s0 e lo divido per il numero di nodi sensibili del dispositivo ottengo
le dimensioni della singola area sensibile. Se moltiplico per lo spessore della
device ottengo SV.
SEU dipende da due caratteristiche del dispositivo:
SV: il sensitive volume entro cui la ionizzazione deve avvenire per creare problemi;
Ec: l’energia minima che va depositata entro il SV affinche’ si abbia il SEU.
Mip in SI ha una LET di 3.9 MeV/cm. Per uno ione LET va come Z2
SRAM: informazione persistente, finche’ il dato non viene riscritto oppure la tensione
di alimentazione viene meno. Costosa, veloce. Usate per le cache.
Nessun refresh nessuna perdita di carica. Costruzione complessa. 2 transistor
per un bit.
1
0
1
1
0
0
1
1
Funzionano meglio per I SEU: un transistor sempre acceso. In competizione col SEU
Due tipi di memorie RAM
DRAM: il dato necessita di refresh. Viene immagazzinato come carica di un
condensatore. Il condensatore si scarica  refresh. 1 bit per
condensatore. Economica ma lenta, circuito di refresh necessario
WRITE
Address line = 1 (transistor acceso)
Trasf carica al condensatore (= 1,0)
Bit line
= 0,1
gnd
Sensibili ai SEU: passive charge storage, the logic state can be easily corrupted.
In genere le FPGA sono basate su memorie SRAM e sono quindi soggette a SEU.
Per le SRAM a tecnologia 0.13 mm, la s0 e’ circa (10-13 -10-14 /bit/cm2 ), per fasci di
Protoni con E>20 MeV ed e’ all’incirca lo stesso per le FPGA basate su
SRAM con la stessa tecnologia ( es. Stratix I).
Le FPGA basate su memorie FLASH sono molto meno sensibili ai SEU.
Floating gate
Control gate
source
drain
n+
n+
Durante il caricamento
V = 14/15 V sul CG.
Elettroni dentro il FG,
Isolato. Per cancellare
V = -14 V.
In conclusione: ho eseguito le misure, so quanto vale s0: posso accettare
Il mio rate di SEU ?
Dipende dalla situazione sperimentale:
Rate SEU = F * Ndisp * s0
Esempio per il TOF di ALICE:
1 FPGA per ciascuno dei 72 crate con s = 7*10-8 cm2
Flusso di protoni(>20 MeV) atteso pari a 90 Hz/cm2
Rate SEU = 90 Hz/cm2 * 72 * 7*10-8 = 4.5*10-4 Hz  uno ogni 2200 s
 uno ogni1/2 ora
Single Event Latch-up (SEL)
Causati principalmente da ioni, ma e’ possibile anche un’origine da n,p.
Dipende dal tipo di dispositivo: possibili anche a LET < 10 MeV cm2/mg.
E’ tipico sia nei CMOS sia nei bipolari.
L’effetto consiste in un cammino a bassa impedenza tra l’alimentazione
e la massa ed e’ potenzialmente distruttivo.
L’effetto consiste in una struttura “parassita” che si viene a creare nel circuito,
Detta anche “tiristore”(SRC).
Vin
Vdd
GND
Vout
n+
p+
R
n
R
n+
p+
Q2
n+
p+
R
R
Q1
p
Se c’e’ una corrente in Vout 
Q2 va in conduzione. Fluisce corrente anche sulla base di Q1  acceso.
Corto tra Vdd e GND ( R molto basse). Finche’ non spegnete Vdd, il
Corto permane.
Si tratta di una giunzione p+npn+ parassita. Il suo circuito equivalente e’ :
Attenzione: se non ci fossero le resistenze, la condizione di latchup non sarebbe
Mantenuta (Vbe = 0  transistor spenti).
Soluzioni: si possono costruire layout che limitino R o che rendano le basi
dei transistor meno spesse. Oppure uno strato fortemente drogato
sotto lo strato p  via a minor impendenza verso GND.
Limitatori di corrente nei circuiti:
Single Event transient (SET)
Along the ion track, e-h pairs are created. In presence of an
electric field (depleted junction), the charge will flow and a
current spike might be observed.
Particolarmente dannosi per amplificatori operazionali,comparatori, etc,.