Обеспечение повышенной радиационной стойкости микросхем

1.

МИЭТ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИНСТИТУТ НАНО- И МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ
РЕФЕРАТ
по дисциплине «Математические основы теории надежности»
на тему: «Обеспечение повышенной радиационной стойкости микросхем»
Выполнил: студент гр. КТ-31 Аристов И.А.
Проверила: Горшкова Н.М.
Москва, 2025

2.

Цель и задачи
Цель: Определить методы обеспечения повышенной радиационной стойкости
ИС.
Задачи:
1. Определить механизмы влияния радиации на работоспособность ИС.
2. Рассмотреть алгоритм проектирования радиационно стойких ИС
3. Изучить методы защиты интегральных схем от повышенного уровня радиационного
излучения
2

3.

Введение
Современные интегральные микросхемы находят все более широкое применение в радиоэлектронной
аппаратуре различного рода технических объектов, работающих в условиях воздействия проникающей
радиации. Эти условия могут возникать при попадании объекта в зону действия источников
ионизирующего излучения техногенного происхождения или при расположении РЭА вблизи ядерных
силовых и энергетических установок, а на аппаратуру космических объектов воздействуют
ионизирующие излучения космического пространства и радиационных поясов Земли.
3

4.

Основные термины и понятия
Таблица 1 – Основные англоязычные термины по радиационной стойкости.
4

5.

Эффекты от влияния радиации на ИС
Тиристорный эффект или "защелка" (SEL) - Серьезная проблема КМОП-микросхем
при облучении высокоэнергетическими частицами и протонами – включение
присущего структуре такой микросхемы паразитного p-n-p-n тиристора, что может
привести к защелкиванию канала и вызвать катастрофический отказ схемы.
Рис. 1. Виды радиационных воздействий, приводящих к устойчивым и исправимым отказам
5

6.

Эффекты от влияния радиации на ИС
Одиночные сбои (SEU) – наиболее распространенные и наименее опасные результаты
ионизирующего воздействия. Одиночный сбой – это результат появления при ионизации в
важном узле микросхемы (микропроцессоре, полупроводниковой памяти или мощном
транзисторе) свободного носителя, вызывающего изменение состояния этого чувствительного
к воздействию ионов или электромагнитному излучению узла. Неисправность, вызванная
единичным событием, не приводит к серьезному ухудшению функционирования микросхемы и
рассматривается как исправимая ошибка. [2]
6

7.

Алгоритм проектирования радиационно стойких ИС
Обеспечение стойкости элементов РЭА (в том числе ИС) к воздействию ионизирующих излучений
осуществляется на этапе проектирования и экспериментальной отработки в соответствии со
следующим алгоритмом:
1. расчет локальных радиационных условий эксплуатации;
2. расчетная оценка стойкости к воздействию ИИ
по дозовым, перемежающимся и
катастрофическим отказам с использованием данных по функционально-алгоритмическому
построению, принципиальных электрических схем блоков аппаратуры, справочных данных о
стойкости ЭРИ;
3. проверка критерия соответствия требованиям по стойкости и определение блоков аппаратуры,
стойких к воздействию ИИ, блоков, требующих проведения испытаний, и нестойких блоков,
требующих доработки;
проведение испытаний блоков на стойкость к воздействию ИИ ;
4. функционально-алгоритмическая, схемотехническая доработка нестойких блоков и блоков, не
выдержавших испытания, рекомендации по повышению эффективности теневой защиты и
алгоритмическому парированию перемежающихся и катастрофических отказов;
5. сертификация [5].
7

8.

Модульное резервирование и мажоритирование
В данном методе все элементы цифровой вычислительной схемы троируются, а верное значение на выходе
определяется по мажоритарной схеме. Базовая идея данного метода и схема мажоритарного элемента
изображены на рисунке 9, соответственно. Данный метод имеет ряд существенных недостатков. Прежде
всего, он не гарантирует исправление всех ошибок, в случае если они возникнут одновременно в
комбинационных блоках. Также данный метод неэффективен против накапливаемых ошибок.
Резервирование m из n часто называют мажоритированием – голосованием по большинству голосов.
Различают пассивную и активную отказоустойчивость. При пассивной отказоустойчивости отказы
маскируются системой, которая продолжает функционирование и при возникновении определённого
количества отказов. Это требует значительной избыточности – мажоритирования 2 из 3 (парируется 1 отказ –
в одном из 3 каналов, то есть отказ 1 канала)[5].
Рис. 2. Мажоритирование 2 из 3 и мажоритарный элемент МЭ с формированием номера отказа
8

9.

Защита КМОП - инвертора
Сущность данного схемотехнического метода повышения ИС заключается в том, что в конструкцию базового логического
элемента – КМОП-инвертора – вводятся дополнительные «защитные» МОП-транзисторы транзистора T3 и T2, причем nканальный транзистор T3 имеет повышенный уровень легирования области канала, а р-канальный транзистор T2 формируется
с пониженным уровнем легирования канала. Транзисторы T4, T5 выполняют переключательные функции, осуществляя при
необходимости замену (отключение) соответствующих рабочих транзисторов T1 и T6, причем уровни легирования областей
каналов транзисторов VT4 и VT5 рассчитываются таким образом, чтобы при отсутствии ионизирующих излучений транзистор
T4 был всегда открыт, T5 – закрыт [5].
Рис. 3. Схема радиационно-стойкого КМОП – инвертора с многократной защитой: а – схема
радиационно-стойкого КМОП-инвертора; б – зависимость порога переключения от дозы: 1 – без
защиты; 2 – c «защитными» транзисторами.
9

10.

Защита КМОП - инвертора
В процессе воздействия ИИ на микросхему, находящуюся в рабочем режиме, происходит нежелательное изменение пороговых
напряжений основных рабочих транзисторов T1 и T6. При достижении пороговыми напряжениями этих транзисторов
критических значений (с точки зрения помехоустойчивости) переключательный транзистор T4 включает в рабочую цепь тока
«защитный» р-канальный транзистор T3, а в это же время переключательный транзистор T5 выключает рабочий n-канальный
транзистор T6, и инвертор продолжает выполнять свои функции.
Рис. 4. КМОП-инвертор с повышенной радиационной стойкостью: а – схема радиационностойкого КМОП-инвертора; б – зависимость порога переключения от дозы: 1 – стандартный
инвертор; 2 – инвертор с «защитными» транзисторами.
10

11.

Дублирование с параллельным обнаружением ошибок
Этот метод использует дублирование вместе с параллельным обнаружением ошибок (Concurrent Error
Detection, CED), чтобы определить местоположение ошибки. Этот метод использует функции
кодирования и декодирования, чтобы повторно вычислить входные операнды. Эти функции выбираются
таким образом, чтобы на выходе повторно вычисленные операнды, отличались от структуры исходных
операндов в случае возникновения ошибки
Суть метода — обнаружение отказавшего устройства при
параллельном выполнении одной и той же операции. Для этого
сравнивают результаты нескольких устройств и представляют их
уравнениями мажоритарной логики, чтобы выбрать отключаемое
устройство.
Такой метод может быть оправдан только при кратковременном
действии помехи, так как в других случаях он приводит к резкому
росту избыточности и значительной потере быстродействия.
Рис. 5. Метод дублирования с параллельным обнаружением ошибок
11

12.

Заключение
Ввиду того, что современные интегральные схемы находят широкое применение в
космической отрасли, энергетике, технических объектах, работающих в условиях
воздействия проникающей радиации, где предъявляются особо жесткие требования
безотказности элементной базы РЭА, разработка и производство микросхем, устойчивых к
повышенному уровню радиации является крайне актуальной задачей в настоящее время.
Изучены применяемые методы обеспечения повышенной радиационной стойкости
интегральных микросхем путем резервирования – мажоритирования, дублирования с
параллельным обнаружением ошибок, защиты КМОП – инверторов.
12

13.

Список литературы
1.
Юдинцев В. Радиационно-стойкие интегральные схемы. Надёжность в космосе и на земле / В. Юдинцев // Электроника: Наука, Технология,
Бизнес: журнал. – 2007. – № 5. – С. 72–77.
2.
Обеспечение радиационной стойкости цифровых микросхем путём резервирования / С. Ф. Тюрин, А. С. Прохоров. Пермский национальный
исследовательский политехнический университет.
3.
О. Гобчанский / Повышение радиационной стойкости индустриальных средств автоматики в составе бортовой аппаратуры // О. Гобчанский, В.
Попов, Ю. Николаев.
4.
К.И. Таперо, В.Н. Улимов – Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения // БИНОМ, Москва, 2012
5.
Kassouf Ph. Building in rad tolerance – and not as an afterthought. – www.mil-embedded.com/articles/ id/75342
6.
Мироненко Л., Юдинцев В./ Повышение радиационной стойкости интегральных схем. Конструктивные методы на базе промышленной
технологии.
7.
Разработка схемотехнического и конструктивно-технологического базиса микросхем космического назначения / В. К. Зольников, В. И.
Анциферова [и др.] // Современные аспекты моделирования систем и процессов : Материалы Всероссийской научно-практической конференции,
Воронеж, 08 февраля 2021 года / Отв. редактор В.К. Зольников. – Воронеж: Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф.
Морозова, 2021. – С. 219-228.
8.
Создание сбоеустойчивых систем контроля к воздействию тяжелых заряженных частиц космического пространства / В. К. Зольников, И. И.
Струков [и др.] // Современные аспекты моделирования систем и процессов : Материалы Всероссийской научно-практической конференции,
Воронеж, 08 февраля 2021 года / Отв. редактор В.К. Зольников. – Воронеж: Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф.
Морозова, 2021. – С. 234-241.
13