Все понимают, что радиация нарушающим работу электронных устройств и даже способна полностью выжечь некоторые чипы. Следовательно электроника, которая, как ожидается, будет подвергаться её воздействию, должна быть защищена от этого. Давайте рассмотрим примеры методов защиты радиоприборов от излучений вызванных авариями на АЭС, ядерных взрывов и другой подобной угрозы.
Электронные устройства подвергаются воздействию излучения от различных источников. В целом их можно разделить на 3 категории: естественные космические, где электроника работает вне атмосферы Земли, естественные земные и искусственные, возникшие в результате деятельности человека, то есть в медицине, промышленности и обороне.
Радиация в космосе
В космосе существует 3 вида излучения: поток протонов, галактические космические лучи, солнечное излучение, имеющее тоже три источника: солнечный ветер (поток фотонов, электронов, протонов, ионов гелия и небольшого количества более тяжелых ионов), солнечные вспышки и корональные вспышки масс, генерирующие локализованные струи частиц с гораздо более высокими энергиями, чем солнечный ветер и радиационные пояса. Последние представляют собой скопление частиц, захваченных магнитным полем планет.
Степень облучения электронных устройств в космосе зависит от расстояния от Земли до космического корабля, на котором они работают. Наиболее безопасной в этом отношении является Низкая околоземная орбита (НОО), где наиболее эффективно экранирование, обеспечиваемое магнитным полем Земли. Кроме того важны время работы в той среде, конструкция космического корабля, частота и сила солнечных бурь, происходящих во время данной космической миссии.
Естественные и искусственные источники
Есть два основных источника проблем в работе электронных устройств, вызванных радиацией на Земле. К ним относятся альфа-частицы, испускаемые в результате распада встречающихся в природе радиоактивных загрязнителей, обнаруженных в следовых количествах в материалах, используемых для производства и упаковки электроники, и высокоэнергетическое нейтронное излучение. Второе является побочным продуктом ядерных реакций между высокоэнергетическими протонами космических лучей с ядрами азота и кислорода в атмосфере. Это проблема особенно важна в авиации.
В медицине облучение чаще всего происходит в диагностическом и терапевтическом оборудовании, таком как рентгеновские аппараты, или в протонно-лучевой терапии. Высокие дозы гамма-излучения и электронные лучи также используются для стерилизации хирургических инструментов и имплантатов. С другой стороны, в промышленности электроника подвергается воздействию радиации, то есть на атомных электростанциях и обычных производственных линиях, где для контроля качества используются рентгеновские аппараты. Военная техника тоже должна быть устойчива к воздействию радиации, сопровождающей взрыв атомной бомбы. Атомные подводные лодки нуждаются в защите от радиации с реактора.
Как излучение влияет на электронику
Имеется 2 типа радиационных воздействий на полупроводниковые приборы: кратковременные переходные SEE (Single Event Effects), то есть случайные немедленные возмущения, вызванные прохождением одиночной частицы, и воздействие более высоких доз радиации. Последние вызывают необратимое ухудшение параметров устройства, которое со временем накапливается из-за хронического воздействия радиации, что в конечном итоге приводит к выходу из строя. В этой категории есть также два типа явлений: TID (общая ионизирующая доза) и DDD (доза повреждения смещения). TID характеризуется энергией, поглощаемой единицей массы облучаемого материала. Выражается в советах.
SEE классифицируется как разрушающий и неразрушающий. Последние вызывают заметные события или изменение базовой линии или данных, но не повреждают и не разрушают сам затронутый элемент схемы. В логических и аналоговых микросхемах без памяти нарушение является кратковременным и самовосстанавливающимся, а функциональность возвращается к норме через короткое время после удаления избыточного заряда.
Когда SEE происходит в последовательной цифровой схеме, памяти или аналоговой схеме, возмущение заряда из-за излучения может изменить состояние данных. Последующие записи в устройство удалят ошибочное состояние, но до тех пор, пока это не произойдет, данные будут ошибочными и постоянными, и могут вызвать сбои системы, если поврежденное состояние будет прочитано и использовано в других цепях. Типы SEE: SET (переходные процессы с одним событием), SEU (сбои с одним событием), SEFI (функциональные прерывания с одним событием), SEL (с одним событием). Деструктивный EEE также вызывает заметно ошибочное состояние вывода или ошибки данных, но в этом случае также повреждается или разрушается сам элемент схемы.
Восприимчивость различных материалов
Одним из эффектов взаимодействия ионизирующего излучения с веществом является генерация электрического заряда. В проводниках и полупроводниковых материалах избыточный заряд, возникающий в результате воздействия ионизирующего излучения, в значительной степени компенсируется за счет рекомбинации или рассеивается за счет диффузии. Благодаря этому в таких материалах он быстро удаляется. Хотя кратковременный переходный процесс при котором возникает избыточный заряд может иметь много эффектов EEE, в конечном итоге заряд не накапливается и не сохраняется. Таким образом, TID не является проблемой.
Иная ситуация в изоляционных материалах, например в диоксиде кремния, который является популярным изолятором в полупроводниковых приборах — из него изготавливают затворы МОП-транзисторов и используют в качестве изоляционного материала в МОП- и биполярной технике. Энергия, поглощаемая устройством в результате воздействия радиации, вызывает множество негативных эффектов в изоляторах. Это ухудшает параметры устройства и, в конечном итоге, его функциональность. DDD, в свою очередь, определяется как дефекты решетки, вызванные ее столкновениями с молекулами.
В космосе электронные устройства подвержены проблемам как из-за кумулятивных доз радиации, так и из-за событий EEE. Излучение возникающее естественным образом на Земле, в свою очередь, вызывает в основном события SEE, особенно типа SEU (Single Event Upset), такие как изменение содержимого ячейки памяти. В военной технике можно ожидать всех видов негативных последствий радиационного облучения.
Радиационная защита электроники
В промышленности и медицине можно выделить 3 основных способа ограничения воздействия радиации: сокращение времени воздействия, увеличение расстояния — например, в случае изотропного источника излучения его поток уменьшается пропорционально квадрату расстояния от источника, и экранирование. В космической среде, где воздействие ограничено с точки зрения времени и расстояния до источника излучения, использование экранирования является основным подходом.
Используются барьеры из металла, керамических пластин или корпусов – материал и детали конструкции зависят от вида излучения и его энергии. Ограничением в случае космического корабля является вес и размер экрана, поэтому популярным материалом, среди прочего, будет легкий алюминий. Если экранирование не вариант, полупроводниковые структуры должны быть защищены за счет снижения их чувствительности к воздействию. Для этого используются два подхода, независимо друг от друга или в сочетании.
Модификация процессов и структур
Первая вносит модификации в производство полупроводниковых структур. Это не всегда возможно, так как базовые уровни обычно оптимизируются для производственного оборудования и конечных точек компонентов. В результате возможности для внесения изменений обычно ограничены. Тем не менее такие попытки предпринимаются. Примером может служить замена стандартной подложки на подложку с более высокой проводимостью — использование высоколегированного материала значительно снижает подверженность. Этот метод хорошо работает в структурах CMOS.
Вторая группа методов связана с внесением изменений в структуру полупроводников. Примером может служить увеличение габаритов транзисторов, что позволит обеспечить больший ток для компенсации заряда создаваемого излучением. Другим решением будет использование двойных физически разделенных транзисторов, управляющих ячейками состояния. Это предотвращает возникновение событий SEU. Естественно, такая структура значительно увеличивает площадь поверхности и энергопотребление.
Таким образом, одним из наиболее эффективных методов борьбы с ошибками данных выступает использование дополнительных схем для обнаружения и исправления этих ошибок. Также допустим избыточный подход, при котором ключевые функциональные блоки дублируются, а состояние их выходов сравнивается друг с другом для быстрого обнаружения аномалий.