CC BY
46
Известия ТРТУ
Специальный выпуск
Секция конструирования электронных систем
УДК 621.3.049.77.001.66
В.Б. Блохина
МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ КМОП-СБИС
Специализированные интегральные микросхемы (ИМС) в настоящее время являются неотъемлемой частью различного рода технических объектов, работающих в условиях воздействия ионизирующих излучений. Среди ИМС ведущее место заняли КМОП ИМС, которые обладают малой потребляемой мощностью при высоком быстродействии и помехоустойчивости. В данной работе рассматривается метод повышения радиационной стойкости .
При воздействии ионизирующего излучения на МОП-структуру в подза-творном диэлектрике накапливается положительный заряд дырок, который приводит к уменьшению пороговых напряжений п- и р-канальных транзисторов ип0, Цо, что проявляется в сдвиге статической передаточной характеристики, уменьшении напряжения переключения и помехоустойчивости.
Предлагается ввести в схему КМОП-инвертора резервные п-
-
канала и р-канальные МОП-транзисторы с пониженным уровнем легирования, которые бы компенсировали влияние радиации на КМОП-инвертор. На рис. 1 приведены электрическая схема КМОП-инвертора с повышенной ра, -ния для напряжений питания 3.3В.
Н^УТ1 |нЫУТ3
УТ4
УТ2
I
I !±; ут5
___| ^ УТ6
1.8 1.6 1.4 1.2 £1.0 в 0.8 ^ 0.6 0.4 0.2 0
10
\ V2
1
\
\
10'
10* в,Гр
10
10
а б
Рис.1. КМОП-инвертор с повышенной радиационной стойкостью: а - схема радиационно стойкого КМОП-инвертора; б - зависимость порога переключения от дозы: 1 - без резервирования;
2 - с резервированием
и
пит
и
и
вых
О
вх
Секция конструирования электронных систем
В данной схеме УТ1, УТ6 являются рабочими транзисторами, УТЭ, УТ2 -резервными, а транзисторы УТ4, УТ5 - ключевыми, осуществляющими замену рабочих транзисторов резервными. В исходном состоянии (в отсутствие ионизирующих излучений) уровни легирования областей каналов УТ4, УТ5 рассчитываются таким образом, чтобы транзистор УТ4 был закрыт, а УТ5 -.
При достижении пороговыми напряжениями рабочих транзисторов УТ1, УТ6 критических значений, с точки зрения обеспечения заданной помехоустойчивости, ключевой транзистор УТ4 подключает резервный р-канальный транзистор УТЭ, а УТ5 отключает рабочий п-канальный транзистор УТ6.
На рис. 2 приведена электрическая схема КМОП-инвертора с повышенной радиационной стойкостью с кратностью резервирования К=2, а также зависимости порога переключения КМОП-инвертора от дозы излучения для напряжений питания Э.Э В. В данной схеме транзисторы УТ1, УТ10 - рабочие, УТ2, УТ6 - резервные для п-канального транзистора УТ10, а УТЭ, УТ7 - резервные для р-канального транзистора УТ1, транзисторы УТ5, УТ9 - ключи для п-канальных транзисторов УТ6, УТ10, а транзисторы УТ4, УТ8 - ключи для р-канальных транзисторов УТЭ, УТ7.
Отличительной особенностью предложенного метода повышения радиационной стойкости КМОП-СБИС с помощью резервирования транзисторных структур является автоматическое тестирование и замена рабочих транзисторов резервными посредством воздействия ионизирующего излучения.
П:
УТ1
п
г
ь=»ІУТ3
ГК
|£ут4
УТ7
УТ8
|кбпУТ2 Ік^іУТб
—11— ' 11—її
^ УТ5 ^ УТ9 І К-, УТ10
I---1 1__( ,
2.0
1.8'
1.6
1.4
І1-2-С.
і і.оь ^ 0.8 0.6 0.4 0.2
0^ 10"
—\
2\
1 \ \
10л
О,Гр
10
10'
а б
Рис.2. Схема радиационно стойкого КМОП-инвертора с кратностью резервирования К=2: а - схема радиационно стойкого КМОП-инвертора; б
- зависимость порога переключения от дозы: 1 - без резервирования; 2 -
с резервированием
и
пит
U
U
ЗЫХ
Основным недостатком метода является параллельное соединение затворов рабочих и резервных транзисторных структур, приводящее к увеличению входной емкости элементов и задержки переключения. Для устранения указанного недостатка необходимо резервировать не отдельные транзисторы, а блоки СБИС, или предусматривать резервные кристаллы СБИС с соответствующими уровнями легирования областей каналов МОП.
