Física da interação da radiação com componentes ... · Física da interação da radiação...
Transcript of Física da interação da radiação com componentes ... · Física da interação da radiação...
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;
62
Radiation Sensitivity Mapping of ICs
Color mapping of sensitive areas
63
Fim
Muito Obrigado...