Polovodičové součástky v radiačním prostředí

Polovodičové součástky v radiačním prostředí Ing. Jiřina Kovářová 27.11.2014 Tato přednáška je podporována projektem č. CZ.1.07/2.2.00/28.0062 Společné aktivity VUT a VŠB-TUO při vytváření obsahu a náplně odborných akreditovaných kurzů ICT

Na satelitech se užívají nejrůznější druhy elektronického zařízení

Palubní přístroje na satelitech jsou v kosmu vystaveny proudům vysoce energetických nabitých částic, elektronů, protonů a iontů (zmizela ochrana atmosférou). Důsledky: chybovost a někdy i celkové selhání zařízení. Obsah přednášky: Jaký vliv má na elektroniku radiační prostředí, návrh a výroba radiačně odolných přístrojů.

Vliv radiace na polovodičové součástky Studium vlivu radiace (ozáření) různými druhy částic s různou energií je důležité jak z hlediska schopnosti součástek pracovat v prostředí se zvýšenou radiací, tak i např. z hlediska využití polovodičů jako detektoru.

Odolnost elektroniky Rozlišujeme tři kategorie elektronických komponent podle jejich radiační odolnosti: 1) Komerční. Při jejich návrhu se nepočítá s žádnou radiační zátěží, a výrobce proto ani neudává radiační limity. Zákazník si případné expoziční testy provádí sám a přebírá plnou zodpovědnost za použití v kosmickém prostředí. 2) Radiačně tolerantní. Taková součástka má jistou radiační ochranu, výrobce garantuje její odolnost do určité hodnoty. Testováním se obvykle ověřuje jen obecná funkčnost prvku. 3) Radiačně odolné. Navržené do specifických radiačních podmínek s několika úrovněmi ochrany. Komplexní testování chování v radiačním prostředí.

Veličiny a jejich jednotky Energie - při popisu dějů probíhajících na částicové úrovni uvádíme v jednotce elektronvolt, 1 ev = 1,6021892 x 10-19 Joulu. Družice a sondy se ale pohybují v prostředí, kde je energie částic běžně přes 100 MeV. LET Linear Energy Transfer (lineárně přenesená energie) hodnota udávající energii, kterou nabitá částice uvolní na jednotkové dráze v zasaženém materiálu, její jednotky jsou MeV/cm2/mg; ve spojení s danou součástkou popisuje její funkční prahový limit k pohlcení energie nabité částice

Intenzita záření (aktivita zdroje) jednotkou je Becquerel, symbol má Bq a jedná se o odvozenou jednotku soustavy SI. 1 Bq znamená 1 rozpad částice za 1s. Jako starší jednotka byla používána jednotka Curie, symbol Ci a převodní vztah je 1Ci= 3,7e^10 Bq. Jednotka Curie vznikla měřením aktivity 1g prvku Radia 226. Expozice - jednotkou je Rentgen se zkratkou R. U expozice se měří intenzita radiace gama záření, která v 1cm^3 suchého vzduchu při laboratorních podmínkách vytvoří ionty s nábojem cca 3,336e-10C, tedy 258 μc/kg. Tato jednotka NELZE POUŽÍT pro jiné částice, než gama.

Absorbovaná dávka - je dávka ionizujícího záření, které svým průchodem dodá energii konkrétní hmotě. Jednotkou je Gray, zkratkou Gy, která je rozměrově shodná s energií předané energie 1 joule na kilogram hmoty. V praxi se často používá starší jednotka rad nebo krad - jednotka radiační dávky, v závorce se udává příslušný materiál, 1 rad = 0,00001 J na gram materiálu; běžné komerční součástky odolávají dávce asi do 10 krad(si), satelity a meziplanetární sondy jsou však obvykle vystaveny dávce výše od 100 krad(si). Platí 100 rad = 1Gy. (Při expozici 1 Rentgenu záření gama absorbuje lidské tělo přibližně dávku 0,01 Gy, zde je přepočet tedy možný opět pouze pro částice gama.) Dávkový příkon - jedná se o přírůstek dávky za jednotku času, tedy Gy/s, v praxi ale spíše µgy/h.

Ekvivalentní dávka - popisuje biologický účinek ionizujícího záření. Vyjadřuje dávku záření gama, které by vyvolalo poškození organizmu, které vyvolá jiný druh záření. Dávkový ekvivalent se z absorbované dávky počítá vynásobením radiačním váhovým faktorem a udává se v Sievertech, zkratkou Sv. Starší jednotka ekvivalentní dávky byl rem, pro převod 1 rem= 0,01 Sv. Kerma - je součet počátečních kinetických energií všech nabitých částic uvolněných nenabitými ionizujícími částicemi v uvažovaném objemu látky. Jednotka kermy je stejná jako jednotka absorbované dávky, tj. 1 Gy. Kerma se používá v souvislosti s nepřímo ionizujícím zářením. Za podmínky rovnováhy nabitých částic se kerma rovná absorbované dávce.

Ochranný deštník Zemská atmosféra nás chrání proti mnoha nebezpečným vlivům přicházejícím z kosmického prostoru. Podobně jako ozonová vrstva zabraňuje většině ultrafialového záření v pronikání až k povrchu Země, zemská magnetosféra a ionosféra tvoří štít proti vysoce nabitým částicím z kosmu. Ty pocházejí jak z aktivity našeho Slunce, tak i z různých míst v okolním vesmíru. Hlavní zdroje energetických částic jsou: - protony a elektrony zachycené v radiačních pásech Země (energie 10-100 MeV) - protony a těžké ionty kosmického záření (energie 10 MeV až 100 GeV) - protony a těžké ionty ze slunečních erupcí (energie do 1 GeV)

Typy možných defektů elektronických součástek - zvýšený šum součástky - kumulativní poškození celkovou radiační dávkou - poškození jednotlivým průnikem částice (v členění na slabý proudový impulz, řetězový proudový impulz, silný proudový impulz) - poškození atomární struktury (především u solárních článků)

Druhy radiačního poškození Rozlišují se dva základní druhy poškození polovodičových součástek: Krystalové poruchy: Srážka částice s atomem mřížky způsobí jeho dislokaci. Podle velikosti předané energie a hybnosti ne-ionizujícího záření atomu mřížky, jsou možné 2 druhy poruch: jednoduché poruchy a shluky (clustery). Energie a hybnost předaná částici závisí na její hmotnosti a energii dopadajícího kvanta. Vzniklé poruchy v krystalu se mohou pohybovat. Ionizace: Týká se dielektrických vrstev. Při interakci dojde k uvolnění nosiče, který pomocí difúze nebo driftu putuje na jiné místo, kde je zachycen. Zde způsobuje koncentraci náboje, což má za následek vznik parazitního elektrického pole. Ionizační poškození závisí primárně na velikosti absorbované energie a je nezávislé na druhu ozáření.

Krystalové poruchy Krystalové poruchy v polovodičích mají významný dopad na jejich elektrické vlastnosti. Krystalové poruchy se projevují v několika oblastech: - Vznik rekombinačně/generačních energetických hladin přibližně uprostřed zakázaného pásu. - Vznik pastí blízko valenčního a vodivostního pásu nebo blízko středu zakázaného pásu. Kompenzaci donoru a akceptoru. - Krystalové poruchy významné ovlivňují materiálové parametry jako pohyblivost nosičů μ a jejich koncentraci N, měrný odpor ρ a dobu života nosičů τ.

Po vystavení polovodiče radiačnímu záření je nejčastěji pozorován nárůst měrného odporu. Tento nárůst je kombinací dvou jevu. Prvním jevem je pokles koncentrace volných nosičů vlivem odstranění příměsí z jejich aktivní polohy uvnitř mřížky. Druhým jevem je vytvoření hlubokých úrovní, které změní nábojovou rovnováhu, a skrz Fermi-Diracovu statistiku změní polohu Fermiho hladiny. Také v mnoha případech je náboj mělkých úrovní, které jsou vytvořeny příměsi, kompenzován hladinami vzniklými vlivem ozáření, což má také za následek pokles koncentrace volných nosičů. Pokles pohyblivosti je způsoben poruchou periodicity krystalu, a tím zvýšení rozptylu elektronu. Vzniklé pasti blízko valenčního a vodivostního pásu mohou způsobovat nárůst velikosti výstřelového šumu.

Důsledek poškození atomární struktury jednotlivých elektronických součástek Přechody PN zvýšení svodového proudu, změna propustného napětí Bipolární tranzistory snížení zesílení, snížení saturačního napětí Diody LED - snížení účinnosti Fotodetektory snížení citlivosti

Ionizace se týká dielektrických vrstev. Jako příklad součástky, na kterou bude mít ionizace velký vliv, je tranzistor MOSFET. Dielektrická vrstva pod elektrodou hradla SiO2 vystavená ozáření, které způsobuje ionizaci, vygeneruje ve vrstvě SiO2 pár e a h+.

Elektrony, jelikož mají vyšší pohyblivost než díry, nezrekombinují s děrami, ale jsou injektovány do substrátu. Díry mohou být zachyceny v objemu oxidu nebo pastmi na rozhraní SiO2-Si a vytvářejí zde kladný náboj. Zachycený náboj na rozhraní SiO2-Si pak vytváří pro N-MOSFET parazitní kanál. Ionizační záření také vytváří nové energetické hladiny v zakázaném pásu rozhraní SiO2-Si. Tyto hladiny mohou být obsazeny elektrony nebo děrami (podle polohy Fermiho hladiny v rozhraní) a přičítají se nebo odečítají k náboji oxidu.

Šum součástek U některých součástek nedojde při radiačním zatížení k dočasnému ani trvalému poškození jednotlivých součástek, ale po čase se tato expozice projeví zvýšeným šumem. Jev je silně závislý na použité technologii a časovému průběhu intenzity radiačního prostředí. Nejčastěji se projevuje u detektorů infračerveného záření a senzorů CCD.

Poškození celkovou radiační dávkou Radiační dávkou se nazývá přijaté kumulativní množství částic jednotlivě málo energetických, ale z dlouhodobého hlediska ve významných množstvích. Částice při průletu přes elektronické součástky pozbývají svoji energii procesem ionizace, především vznikají páry elektron-díra. Později nastane i porušení izolační vrstvy mezi sousedními tranzistory a umožní se průchod parazitních proudů. Pokud součástka není trvale zničena a dojde k poklesu radiační dávky, elektronové díry se mohou během hodin až několika let vytratit díky tunelovému efektu. Přijatá radiační dávka je závislá na absorpčním materiálu. Základní jednotkou je "rad" s udáním příslušného materiálu v závorce např. rad(si) přičemž 1 rad = 0,00001 J na gram materiálu. Běžné komerční součástky odolávají dávce asi do 10 krad(si). Satelity a meziplanetární sondy jsou však obvykle vystaveny dávce výše od 100 krad(si).

Slabý proudový impulz Vniknutí rychlé částice indukuje krátký proudový impulz (kolem 1 ns) v přechodu PN polovodiče. Pokud je enrgie tohoto impulzu vyšší nežli kritická hodnota, může dojít k přemazání informace v paměťové buňce (nenávratná ztráta). Slabý proudový impulz zasaženou součástku nezničí a po opětovné inicializaci nebo přepsání dat ji lze uvést do původního stavu. Při miniaturizaci elektronických součástek se značně zvyšuje jejich radiační citlivost. Dříve proudový impulz způsobovaly pouze těžké ionty, dnes stačí i energie zachycených protonů. Díky jejich počtu v radiačních pásech Země se zvýšila i četnost popisovaného poškození. Řetězový proudový impulz Jediná nabitá částice vyvolávající proudový impulz může u některých technologií jako SRAM nebo DRAM způsobit řetězový efekt. Zasažena je ne pouze jedna, ale několik buněk najednou. Tento jev je mnohem nebezpečnější než slabý proudový impulz, jelikož oklame systéme detekce a korekce chyb (EDAC) v pamětech. Ten je užíván právě proti efektu slabého proudového impulzu. Silný proudový impulz Zasažení jedinou nabitou částicí může dokonce trvale poškodit elektronickou součástku. Přitom záleží na energii částice a radiační citlivosti součástky. Jestliže je dostatečný náboj přenesen například do substrátu struktury CMOS, může dojít k narušení jeho normálně vysoké impedance, a tedy k jeho trvalému sepnutí.

Metody ochrany kosmické elektroniky Na straně systému se jedná o stínění kovovým materiálem. Na straně součástek jde o výběr odolných součástek struktury epitaxní nebo silicon-on-insulator (epitaxní vrstva křemíku na vrstvě dielektrika) tranzistorové struktury se například zamezuje hromadění náboje v p-n přechodu. Nepoužívat nízkonapěťové součástky a prvky s příliš hustou integrací.

Paměťové součástky Nejjednodušším způsobem ochrany je "kontrola parity", která obsahuje informaci o sudém či lichém počtu jednotlivých logických stavů v datové sadě. Kontrola parity upozorní na výskyt chyby v sadě pouze v případě lichého počtu těchto chyb. Tzv. "Hammingův kód vytváří kontrolní součet z datové sady. V případě jediné chyby v sadě lze zjistit její polohu, a lze ji tudíž opravit. V případě výskytu více než jedné chyby v sadě získáte pouze jejich počet. Toto kódování se nehodí při výskytu mnohonásobných chyb.

"Reed-Solomonovo kódování" umožňuje korekci vícenásobných chyb i po sobě jdoucích. "Konvoluční kódování" vkládá kontrolní bity postupně přímo do datového řetězce, zajišťuje dobrou ochranu proti izolovaným náhodným chybám, a používá se proto u komunikačních systémů. V praxi se většinou různé metody kombinují, a tak lze vytvořit velmi robustní systém ochrany dat.

Testování a odolnost elektronických systémů Testování radiační odolnosti se provádí pomocí urychlovačů pro vysoké energie se vzorkem ve vakuové komoře. Výsledkem testů je rozdělení součástek obvykle do kategorií s různým stupněm vhodnosti pro kosmické použití: 1) Komerční 2) Radiačně tolerantní 3) Radiačně odolné

Výroba radiačně odolných přístrojů

LITERATURA: SPIELER, H.: Introduction to Radiation-Resistant Semiconductor Devices and Circuits. Lawrence Berkeley National Laboratory, 1996. http://www-physics.lbl.gov/~spieler/radiation_effects/rad_tutor.pdf. DOLEŽAL, Z.: Polovodičové detektory v jaderné a subjaderné fyzice - Text k prednášce JSF101p1a. Karlova Univerzita, 2007. http://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/~dolezal/teach/semicon. CLAYES, C. SIMOEN, E.: Radiation Effects in Advanced Semiconductor Materials and Devices. Springer, 1st edition, 2002. INIEWSKI, K.: Radiation Effects in Semiconductors. CRC Press, 1st edition, 2011. DOSTÁL, P.: http://www.scienceworld.cz/technologie/bez-ochranneho-destnikuse-pocitacum-nezije-lehko-4483/?switch_theme=mobile DOSTÁL, P.: Ochrana elektroniky ve vesmíru. Vesmír, 2000, č. 79 (červenec), s. 392