Одиночные события, связанные с импульсной переходной ионизационной реакцией (set)

Эффекты, связанные с импульсной переходной ионизационной реакцией (SET) как правило делят на три группы.

К первой группе относятся так называемые аналоговые одиночные события (ASEE — Analog Single Event Effects). Эти эффекты проявляются в виде возникающих в выходных цепях ИС кратковременных импульсов тока, что может повлиять на работоспособность блоков аппаратуры, в состав которых входят данные ИС [101]. Однако обычно с этими эффектами успешно борются с помощью специальных схемотехнических решений.

Ко второй группе относят эффекты, наблюдающиеся в микросхемах смешанного типа, таких как АЦП или ЦАП. В случае АЦП при попадании высокоэнергетической частицы на выходе возможно генерация ложного цифрового кода порядка полной шкалы напряжения. При попадании частицы в чувствительную область ЦАП также возможно появление на выходе мешающих сигналов порядка полной шкалы напряжения. Однако данные проблемы также могут быть устранены выбором должного схемотехнического решения.

К третьей группе относятся эффекты, наблюдаемые в оптоэлектронных приборах. Причем, если данные приборы используются как дискретные «аналоговые» приборы, то в этом случае наблюдаемые эффекты можно отнести к ASEE. Если же данные приборы используются в системах передачи и обработки информации (оптопары, оптоволоконные системы передачи информации), то появление на выходе фотоприемников сигналов, вызванных попаданием высокоэнергетических частиц, сравнимых по своим амплитудно-временным характеристикам с полезными (передаваемыми) сигналами может привести к искажению передаваемой информации. В этом случае по своему внешнему проявлению возникающий эффект будет аналогичен «цифровым» одиночным событиям.

Следует отметить, что разделение одиночных событий на «аналоговые» и «цифровые» достаточно условно: по внешнему проявлению в работе конкретных ИС. С физической точки зрения причиной возникновения как тех так и других эффектов являются одни и те же процессы [102]: во-первых, высокоэнергетическая частица выделяет в чувствительном объеме прибора энергию, во-вторых, сгенерированный в объеме заряд собирается некоторой областью, и в-третьих, собранный заряд вызывает отклик прибора. Первые два процесса по своей природе являются аналоговыми, и только в зависимости от проявления третьего процесса эффекты классифицируются на аналоговые и цифровые.

5.1.2 Основные параметры чувствительности полупроводниковых приборов и микросхем к одиночным событиям

Каждый из перечисленных выше видов ОС характеризуется следующими параметрами [4, 5, 12, 82, 88, 103–105].

• Сечение эффекта , см², — отношение общего количества проявлений эффекта N в ИС к флюенсу частиц Ф:

. (5.1)

• Пороговая энергия Е₀, МэВ, — минимальная энергия частиц, при которой наблюдаются ОС.

• Пороговый заряд Q₀, пКл — минимальная величина заряда, генерированного частицей в чувствительном объеме ИС, необходимая для возникновения ОС.

• Пороговые линейные потери энергии (ЛПЭ) иона в веществе (L₀), МэВсм²/мг, — минимальные ЛПЭ иона, при которых наблюдается ОС.

• Вероятность возникновения ОС Р — вероятность возникновения хотя бы одного события при заданном флюенсе ОЗЧ.

• Частота возникновения ОС , с^–1, — число ОС в единицу времени.

Для описания одиночных событий принципиальной является статистическая природа взаимодействия излучения с веществом в микрообъемах элементов. Поэтому одиночные события относятся к микродозиметрическим эффектам и для их анализа применяется теория микродозиметрии.

Для оценки вероятности возникновения ОС обычно находится величина сечения , определяемая как количество событий N, отнесенное к интегральному потоку быстрых частиц Ф (см. формулу (5.1)). Для ИС с регулярной логикой, например ИС памяти, часто используется сечение ОС _бит, приходящееся на один бит:

,

где N_бит — информационная емкость ИС памяти (общее количество запоминающих ячеек).

При воздействии на ИС излучения космического пространства ОС, главным образом, возникают вследствие взаимодействия ИС с высокоэнергетическими протонами и тяжелыми заряженными частицами (ТЗЧ) (для авиации также важным фактором, определяющим частоту возникновения ОС, является воздействие высокоэнергетических нейтронов) [4, 5, 82, 88]. Для оценки частоты возникновения ОС при воздействии ОЗЧ КП с заданными энергетическими спектрами необходимо знать зависимость сечения ОС от ЛПЭ ТЗЧ или от энергии протонов. Для ТЗЧ зависимость сечения сбоев от ЛПЭ (L) в области значений ЛПЭ, превышающих пороговые ЛПЭ L₀, как правило, аппроксимируется функцией Вейбулла [4, 5, 82, 88, 103–105]

(5.2)

где ₀, L₀, W, S — параметры аппроксимации; L — ЛПЭ частиц.

Характерный вид зависимости (L) показан на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Характерный вид зависимости сечения ОС от линейных потерь энергии тяжелых заряженных частиц

Параметр L₀ зависимости (5.2) представляет собой пороговые ЛПЭ частиц, приводящих к возникновению ОС. Параметр ₀ является значением сечения ОС, к которому стремится зависимость (L) при L  , и носит название «сечения насыщения». Данные параметры (L₀ и ₀) являются основными параметрами чувствительности ЭРИ к ОС, и обычно определение значений данных параметров является непосредственной задачей экспериментов, проводимых при испытаниях ЭРИ на стойкость к эффектам ОС при воздействии ТЗЧ.

Параметры W и S определяют форму кривой (L) (насколько резко данная кривая выходит на насыщение). Для большинства БИС запоминающих устройств хорошее согласие между экспериментальными данными и результатами аппроксимации зависимости (L) формулой (2) достигается при

S  1,5; (5.3)

W  9,135789 + 1,400938L₀ – 0,0116448L₀². (5.4)

Данные приближения для величин S и W рекомендованы руководящим документом [103], выпущенным министерством обороны. В этом же руководящем документе указывается, что приближением для параметра W, подходящим для более широкого круга БИС (не только БИС запоминающих устройств), является аппроксимационная формула

W  15L₀^0,5(10/₀)^0,22.

Следует отметить, что обычно при использовании формулы (5.4) получаются меньшие значения W, чем при использовании последней аппроксимации. В результате зависимость (L) получается более резкой (выходит на насыщение при меньших значениях L), и оценка частоты возникновения ОС при заданных характеристиках внешних воздействующих факторов получается более консервативной (т.е. несколько занижается стойкость БИС к эффектам ОС при воздействии ТЗЧ).

Рис. 5.7. Характерный вид зависимости сечения одиночных событий от энергии протонов

Зависимость сечения сбоев от энергии протонов (Е_р) в области энергий протонов, превышающих пороговую энергию протонов Е_р0, обычно аппроксимируется формулой Бендела [4, 5, 82, 88, 103–105]

(5.5)

где _р0, E_p0 — параметры аппроксимации; Е_р — энергия протонов.

Характерный вид зависимости (E_p) показан на рис. 5.7.

Параметры Е_р0 и _р0 в (5.5) представляют собой пороговую энергию протонов и сечение насыщения соответственно.

Следует отметить, что зависимость (Е_р) обычно имеет более резкий вид по сравнению с зависимостью (L) (т.е. вид кривой в большей степени приближен к ступенчатому: начальный участок более резкий и насыщение зависимости проявляется более ярко).

При воздействии ТЗЧ частота ОС рассчитывается по формуле

, (5.6)

где _ion(L, ) — распределение плотности потока ТЗЧ КП по линейным потерям энергии L и телесному углу падения ТЗЧ , усредненное за время наблюдения ОС, см^–2с^–1ср^–1(МэВсм²/мг)^–1.

По известным зависимостям (L) и (Е_р) можно рассчитать частоту возникновения ОС в БИС в реальных условиях КП при воздействии ТЗЧ с заданным дифференциальным спектром ЛПЭ и протонов с заданным дифференциальным энергетическим спектром [82, 88]. В случае воздействия изотропного потока ТЗЧ частота ОС рассчитывается по выражению

, (5.6а)

где _ion(L) — распределение плотности изотропного потока ТЗЧ КП по линейным потерям энергии (дифференциальный спектр ТЗЧ по линейным потерям энергии), усредненное за время наблюдения ОС, см^–2с^–1(МэВсм²/мг)^–1.

При воздействии протонов частота ОС рассчитывается по выражению

, (5.7)

где _p(E, Ω) — распределение плотности изотропного потока протонов КП по энергии и телесному углу, усредненное за время наблюдения ОС, см^–2с^–1ср^–1МэВ^–1.

В случае воздействия изотропного потока протонов частота ОС рассчитывается по формуле

, (5.7а)

где _p(E) — распределение плотности изотропного потока протонов КП по энергии (дифференциальный спектр протонов по энергии), усредненное за время наблюдения ОС, см^–2с^–1МэВ^–1.

При дефиците экспериментальной информации часто проводится консервативная оценка частоты возникновения ОС при воздействии ТЗЧ и протонов [36] (в этом случае частота возникновения ОС завышается). Для этого зависимости (L) и (Е_р) представляются как функции ступенчатого вида:

(5.8) (5.9)

В этом случае выражения (5.6), (5.7) принимают следующий вид:

; (5.10) , (5.11)

где _ion(L₀) — плотность потока ТЗЧ (см^–2с^–1) с величиной ЛПЭ L  L₀; _р(Е_р) — плотность потока протонов с энергией Е_р  Е_р0.

Зависимость _ion(L), которая определяется выражением

; (5.12)

представляет собой интегральный ЛПЭ-спектр ТЗЧ. Единица измерения величины _ion(L) — 1 см^–2с^–1.

Зависимость _р(Е_р), которая определяется выражением

, (5.13)

представляет собой интегральный энергетический спектр протонов. Единица измерения величины _р(Е_р) — 1 см^–2с^–1.

Поскольку в реальных условиях эксплуатации космических аппаратов микросхемы, входящие в состав бортовой аппаратуры, подвергаются одновременному воздействию ТЗЧ и протонов, полная частота возникновения ОС будет определяться суммой частот возникновения ОС при воздействии ТЗЧ и протонов [4, 25]:

 = _ion + _p. (5.14)

Вероятность Р возникновения ОС за период времени t рассчитывается по формуле

. (5.15)

Из выражения (5.15) видно, что с увеличением времени облучения вероятность возникновения ОС экспоненциально возрастает и стремится к значению Р = 1.