9.2 Экологичность
В случае соблюдения всех вышеуказанных требований техники безопасности использование ПЭВМ не приводит к выбросам в атмосферу дыма, газов и аэрозолей. При этом не происходит загрязнения почвы твердыми и жидкими отходами, загрязнения окружающей среды болезнетворными микроорганизмами, а также не создается вредных излучений или полей. Таким образом, использование ПЭВМ не нарушает экологии, так как не производит загрязнения биосферы.
9.3 Оценка устойчивости микроконтроллера к воздействию проникающей радиации
9.3.1 Влияние ионизирующего излучения на кристалл микроконтроллера
В настоящее время нет ни одной области науки и техники или отрасли народного хозяйства, в которых достижения радиоэлектроники не играли бы решающей роли в их развитии. Дальнейшее расширение областей применения и нарастания ответственности и сложности задач, выполнение которых возлагается на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА). Все это приводит к усложнению аппаратуры, расширению ее функций, числа внешних воздействующих факторов, оказывающих влияние на ее работоспособность, в том числе поражающих факторов ядерного взрыва. Наряду с такими поражающими факторами ядерного взрыва, как ударная волна и световое излучение, РЭА особенно сильно подвержены воздействию проникающих излучений. Этим объясняется важность решения вопросов повышения устойчивости РЭА к воздействию проникающему излучению при ее конструировании.
Проникающая радиация влияет на работоспособность аппаратуры электроники, воздействуя на свойства материала. Действия проникающей радиации ограничено поглощающими свойствами гамма и нейтронного излучений атмосферой. Радиус действия проникающей радиации не превышает 1 километр.
Разрабатываемый блок необходим для контроля микроконтроллера, который выполнен по 1,2-микронной КМОП технологии. Все элементы контроллера выполнены на одном полупроводниковом кристалле, который закрыт в герметичном керамическом корпусе. По степени интеграции микроконтроллер относится к числу больших интегральных схем (БИС).
Особенности структур малых размеров, выполненных по КМОП технологии, проявляются при облучении проникающими излучениями. Главным образом эти особенности проявляются в изменении пороговых напряжений. С пробными образцами кристалла микроконтроллера были проведены исследования влияния проникающего излучения на изменение порогового напряжения полупроводниковых структур с каналом n-типа. Результаты эксперимента, представленные на рисунке 9.2, наглядно показывают увеличение чувствительности КМОП-структур к g-облучению от источника (облучение проводили при мощности дозы 1,93104Гр/ч при напряжении на затворе +2,7 В для n-канальных транзисторов). Как видно из графика при увеличении дозы облучения пороговое напряжение уменьшается, то есть транзистор будет открываться и при более низких значениях напряжения на затворе. Это приведет к ошибкам в работе микроконтроллера и сбою всей системы, где он установлен.
Рисунок 9.2- Изменение пороговое напряжение полупроводниковых структур с каналом n-типа под действием проникающего излучения.
Уменьшение ширины канала транзисторов также оказывает влияние на чувствительность КМОП-структур к воздействию проникающих излучений. Наблюдается возрастание сдвига порогового напряжения. Этот экспериментальный факт иллюстрируется на рисунке 9.3. В работе проводилось исследование n-канальных транзисторов.
Рисунок 9.3- Изменение порогового напряжения транзисторов с различной шириной канала под действием ионизирующего излучения.
Усиление чувствительности порогового напряжения КМОП-структур при уменьшении длины канала объясняется увеличением напряженности электрического поля в подзатворном диэлектрике, что приводит к росту изменения напряжения насыщения и, следовательно, к сдвигу порогового напряжения при любой дозе облучения. Вклад в увеличение падения напряжения в подзатворном диэлектрике дают электрические поля обедненных областей стока и истока. Кроме того, не исключается «загрязнение» значительной части оксида атомами примеси при формировании областей стока и истока.
В случае уменьшения ширины канала эффект возрастания чувствительности порогового напряжения КМОП-структур к проникающему излучению объясняется влиянием краевого поля на ступеньке толстый оксид - тонкий оксид. Именно это поле вызывает изменение поверхностного потенциала в канале и, следовательно, порогового напряжения: оно больше в узкоканальном транзисторе по сравнению с ширококанальными. При воздействии излучений в толстом оксиде накапливается больший положительный заряд, чем в тонком. Вследствие этого поверхностные потенциалы и пороговые напряжения у узкоканальных и ширококанальных приборов становятся одинаковыми. Однако, поскольку у них различались начальные значения, то сдвиг изменения порогового напряжения у транзистора с узким каналом получается больше, чем у обычных транзисторов.
Кроме того, КМОП БИС на изменение пороговых напряжений накладываются более жесткие требования, чем в КМОП ИС. Сдвиг порогового напряжения иногда не должен превышать 0,3 В. Часто этим объясняется низкая радиационная стойкость некоторых КМОП БИС, при проектировании которых не учитывался радиационный дрейф параметров.
Также важным параметром, влияющим на работоспособность КМОП БИС в условиях проникающих излучений, является напряжение питания. С одной стороны, при увеличении напряжения питания (и, следовательно, величин напряжений на затворах транзисторов) возрастает изменение порогового напряжения. С другой стороны, увеличение напряжения питания расширяет границы допустимых значений пороговых напряжений. Как показывает практика, рабочая область цифровых схем расширяется в большей мере, чем возрастает дрейф пороговых напряжений КМОП-структур. Поэтому с увеличением напряжения питания отказы МОП БИС наступают при больших значениях дозы. Так, например, микроконтроллер в случае Uпит= = 4 В отказал при дозе 100 Гр, а в случае Uпит = 5 В - при 250 Гр.