CC BY
71
БОЙЧЕНКО1 Дмитрий Владимирович, к.т.н.; КЕССАРИНСКИЙ2 Леонид Николаевич; ПЕЧЕНКИНА3 Дарья Витальевна
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА УРОВЕНЬ ДОЗОВОЙ СТОЙКОСТИ АНАЛОГОВЫХ КОММУТАТОРОВ
Исследованы особенности влияния, режима облучения, на радиационное поведение аналоговых ключей и коммутаторов (АКК). Показано существенное влияние режима на уровень радиационной стойкости АКК.
Ключевые слова: дозовый эффект, облучение, аналоговый коммутатор.
The influence of the electrical conditions on analog switches' total dose behavior is investigated. The major difference in analog switches radiation hardness due to irradiation and measurement conditions is revealed.
Keywords: total dose effect, irradiation, analog switch.
Различные аналоговые ключи и коммутаторы широко применяются в системах сбора и обработки информации, в том числе в космической аппаратуре (рис. 1). Однако в представленных в литературе данных по радиационной
ключ), либо передается по другому каналу (мультиплексор).
Влияние режима работы МОП транзистора во время воздействия ионизирующего излучения на его радиационное поведение рассмотрено достаточно
подробно как иностранными [1 3], так и отечественными [4, 5] авторами. Однако современные коммутаторы, помимо основных элементов, также дополняются схемами защиты от перенапряжения, статического пробоя, напряже-
OD
МАХ354
АО [Т EN [7
V- [Г
N01 [7 N02 [У N03 [J N04 [У
сом [7
—1 г~
ЛОГИКА _
*>о-
Тб] А1 15] А2 Й] GND Тз] V+
ЇИ N05 ЇЇ] N06 То] N07 ^9] N08
Рис. 1. Функциональные схемы типичных АКК: а) аналоговый мультиплексор 4-в-1; б) аналоговый ключ;
в) аналоговый мультиплексор 8-в-1
стойкости АКК отсутствует анализ общих закономерностей их радиационного поведения.
Большинство современных АКК построены на основе мощных МОП транзисторов, работающих ключевом режиме. На рис. 2 показана типовая структурная схема канала АКК. В зависимости от уровня управляющего сигнала проходной МОП транзистор находится либо в открытом состоянии
— сигнал передается с входа на выход, либо в закрытом состоянии — сигнал либо не передается (аналоговый
Рис. 2. Структурная схема канала аналогового коммутатора
< - начальник НТК-3 ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»;2 - инженер ИЭПЭ НИЯУ «МИФИ»; 3 - аспирант НИЯУ «МИФИ».
16.01.2012 13:26:52
Рис. 3. Принципиальная схема аналогового ключа MAX4622
О * 103ед.
Рис. 4. Зависимость тока потребления источника положительной полярности ИС MAX4622ESE от дозы облучения
ния обратной полярности, короткого замыкания и т.д. На рис. 3 представлена принципиальная схема аналогового ключа MAX4622 (фирма Maxim).
В данной работе были проведены исследования дозовой деградации широкого набора АКК как отечественного, так и иностранного производства (табл. 1). В процессе облучения контролировались следующие параметры АКК: сопротивление открытого канала, токи утечки аналоговых входа и выхода, токи потребления от источни-
ков положительной и отрицательной полярности. Как показывает практика радиационных исследований, представленный набор параметров является минимально возможным. Каждый из указанных параметров может оказаться критериальным при определении уровня дозовой стойкости АКК [8, 9].
Экспериментальные исследования проводились с использованием как моделирующих установок (линейный ускоритель электронов «У31/33» (НИЯУ
SPEC_2011_SPT-1.indd 49
«МИФИ»), работающий в режиме тормозного гамма-излучения), так и имитационными методами (рентгеновские установки типа «РЕИМ-2» (ОАО «ЭНПО «СПЭЛС»)). Рациональное использование имитационных методов существенно повышает информативность исследований, так как позволяет обойти ограничения моделирующих установок в части электромагнитных наводок и помех.
Для аналоговых коммутаторов режимы работы условно можно разделить на два: «закрытый» — соответствует закрытому состоянию каналов передачи сигнала, «открытый» — соответствует открытому состоянию. Параметры исследуемых микросхем также можно разделить на две группы в соответствии с тем режимом, при котором они измеряются.
Анализ результатов показывает, что режим работы коммутатора в ходе облучения существенно влияет на темпы деградации параметров. Если микросхема облучается в «закрытом» режиме, то наиболее сильно деградируют параметры, измеряемые при «открытом» включении, и наоборот.
Интегральная схема аналоговых ключей МАХ4622ЕЯЕ представляет собой два двойных низкоомных ключа. В ходе эксперимента образцы облучались как в «закрытом», так и в «открытом» состоянии. В «открытом» состоянии измерялось только сопротивление канала. В «закрытом» — все параметры, в том числе токи потребления.
Сопротивление открытого канала ИС МАХ4622ЕЯЕ практически не изменялось от уровня воздействия для обоих режимов облучения. Так как режим измерения всех остальных параметров соответствовал «закрытому» состоянию, образцы, облучавшиеся «закрытыми», показали низкий темп деградации характеристик. В то же время параметры коммутаторов, облучавшихся «открытыми», уже на малых уровнях воздействия превысили максимально допустимые значения. На рис. 4 показана зависимость тока потребления источника положительной полярности ИС МАХ4622ЕЯЕ от величины поглощенной дозы. График наглядно демонстрирует существенную зависимость темпов деградации параметров ИС от режима работы в процессе облучения.
49
16.01.2012 13:26:52
Таблица 1. Объекты исследований
ИС Изготовитель Тип
MAX303ESE + аналоговый ключ
MAX354EWE аналоговый мультиплексор
MAX4508ESE + аналоговый мультиплексор
MAX4508MJE Maxim аналоговый мультиплексор
MAX4622ESE + аналоговый ключ
MAX358EWE аналоговый мультиплексор
MAX4614ESD аналоговый ключ
ADG333ABRZ аналоговый ключ
ADG433ABR аналоговый ключ
ADG436BR аналоговый ключ
ADG452BR Analog devices аналоговый ключ
ADG506AKRZ аналоговый мультиплексор
ADG508FBRN аналоговый мультиплексор
ADG779BKS аналоговый мультиплексор
590КН3 аналоговый мультиплексор
591КН3 ЗАО «Светлана полупроводники» аналоговый мультиплексор
1127КН6 аналоговый мультиплексор
О х 103ед.
Рис. 5. Зависимость тока потребления источника положительной полярности ИС MAX4508ESE от дозы облучения
Микросхема МАХ4508ЕЯЕ представляет собой аналоговый мультиплексор 8-в-1. В процессе облучения также применялись два режима. На рис. 5 приведена зависимость тока потребления источника положительной полярности
ИС МАХ4508ЕЯЕ от дозы облучения. Режим измерения токов потребления данной ИС соответствует закрытому режиму работы ИС. Данный график так же подтверждает ранее описанную закономерность.
Микросхема MAX354EWE — аналоговый мультиплексор 8-в-1. Токи утечки входа и выхода, а также ток потребления от источника отрицательной полярности данной ИС измеряются в «закрытом» режиме работы. Параметры сопротивление открытого канала и ток потребления от источника положительной полярности — в «открытом» состоянии.
На рис. 6, 7 приведены зависимости токов потребления И С МАХ354ЕШЕ от дозы. Результаты показывают, что если ток потребления от положительного источника являлся критериальным параметром для образца, облучавшегося «закрытым», то у образца, облучавшегося «открытым», он практически не менялся в ходе набора дозы. Аналогичные выводы можно сделать и для отрицательного тока потребления.
Следовательно, темп деградации параметров АКК зависит не столько от свойств самой микросхемы, сколько от электрического режима работы ИС в ходе облучения.
Анализ результатов испытаний более чем 15 разных типов АКК показывает существенное различие (до порядка)
s
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
7
—•— обр.№1 «закрытый» обр.№2 «закрытый» обр.№3 «закрытый» обр.№4 «открытый» обр.№5 «открытый»
О — т — - . -Д- . - — ■ / / / /
/_ .О / Р/ !//
у/
У/.' /S,
вА. Д ■ 1 ■ Д ■ Д | ■ Д И Д 1 ■
0 2 4 6 8
Б *103ед.
Рис. 6. Зависимость тока потребления источника положительной полярности ИС MAX354EWE от дозы облучения
5000 40003000S 2000
4 1000
о
• обр.№1 «закрытый» О- ofin.No2 «закрытый» 1 А
т — - -Д- - ■ обр.№3 «закрытый» обр.№4 «открытый» обр.№5 «открытый» .У г
■ у
А
л-1 ,,-д
1ьДД-©*-д*«М
fjm — wx V w
0 2 4 6 8
Б хЮ3ед.
Рис. 7. Зависимость тока потребления источника отрицательной полярности ИС MAX354EWE от дозы облучения
темпов деградации критериальных параметров в зависимости от режима работы в процессе облучения. Облучение в статическом режиме, противоположном режиму измерения критериального параметра, позволяет получить наибольшую дозо-вую деградацию и наименьший уровень параметрической стойкости. В
общем случае для повышения достоверности получаемых экспериментальных данных в процессе облучения необходимо, либо контролировать все критичные режимы работы аналоговых коммутаторов либо проводить измерения только в реальных режимах эксплуатации интегральной схемы ■
SPEC_2011_SPT-1.indd 51
Литература
1. Total-Ionizing-Dose Effects in Modern CMOS Technologies / Barnaby H.J. /
IEEE Trans. Nucl. Sci., 2006. - Vol. NS-53. - № 6. - PP. 3103 - 3121.
2. Radiation-induced, edge effects in deep submicron CMOS transistors / Faccio F, Cervelli G. / IEEE Trans. Nucl. Sci.,
2005. - Vol. NS-52. - № 6. - PP. 2413 -2420.
3. Enhanced TID Susceptibility in Sub-100 nm Bulk CMOS I/O Transistors and Circuits / Barnaby H.J., Holbert K.E.,
McLain M. et al./ IEEE Trans. Nucl.
Sci., 2007. - Vol. NS-54. - № 6. - PP.
2210 - 2217.
4. Никифоров А.Ю., Телец В.А., Чумаков А.И. Радиационные эффекты, в КМОП ИС. - М.: Радио и связь, 1994.
- 164 с.
5. Чумаков А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы.. —
М.: Радио и связь, 2004. - 320 с.
6. Бойченко Д.В., Братко Д.В., Кесса-ринский Л.Н. Исследование радиационного поведения стабилизаторов напряжения разного типа.
/ Научная сессия МИФИ-2008. Сб. науч. трудов. Т. 8 - М.: МИФИ, 2008.
- С.59 - 60.
7. Кессаринский Л.Н., Бойченко Д.В.,
Шведов С.В. Сравнительное исследование радиационного поведения аналоговых ИС./ Электроника, ми-кро- и наноэлектроника. Сб. научн. трудов / Под ред. В.Я. Стенина. - М.:
МИФИ, 2007. - С. 272 - 275.
8. Методы, прогнозирования, эффектов полной дозы в элементах современной микроэлектроники./ Чумаков А.И., Никифоров А.Ю., Скоробогатов П.К. и др. - Микроэлектроника, 2003.
- Том 32. - № 1.
9. Методы испытаний на. стойкость к воздействию радиационных факторов космического пространства и импульсную электрическую прочность./ Никифоров А.Ю., Чумаков А.И., Скоробогатов П.К., Телец В.А.,
Улимов В.Н. и др./ Модель космоса. Научно-информационное издание.
- В 2 т. - Т.2: Воздействие космической среды на. материалы и оборудование космических аппаратов.
- М.: КДУ, 2007.
ШИ
16.01.2012 13:26:53
