Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Многоуровневое иерархическое моделирование поведения цифровых ЭКБ при воздействии радиационных и электромагнитных излучений 23
1.1. Оценка полей ионизирующих и электромагнитных излучений, воздействующих на ЭКБ 23
1.1.1. Энерговыделение ионизирующих излучений и основные радиационные эффекты 23
1.1.2. Поля электромагнитных излучений 27
1.1.3. Параметры ОИН, наводимые ЭМИ на выводах ГШ и ЭКБ 29
1.2. Структура системы расчетно-экспериментального моделирования радиационных эффектов при воздействии радиационных и электромагнитных излучений 32
1.2.1. Иерархия уровней модельного описания 32
1.2.2. Экспериментальные методы моделирования радиационных воздействий на ГШ и ЭКБ 37
1.3. Особенности расчетного моделирования с учетом радиационных воздействий на ГШ и ЭКБ на различных уровнях модельного описания 41
1.3.1. Физико-топологический уровень 42
1.3.2. Электрический уровень 45
1.3.3. Функционально-логический уровень 48
1.4. Специфика радиационного поведения цифровых ЭКБ и сравнительная оценка основных характеристик 50
1.5. Показатели работоспособности цифровых ЭКБ в условиях возникновения радиационных эффектов различных классов 57
1.6. Использование многоуровневого подхода для оценки показателей-стойкости ЭКБ на стадии разработке и производства 58
1.7. Краткие выводы и постановка задач 67
Глава 2. Функционально-логическое моделирование качества функционирования современной цифровой ЭКБ при воздействии радиационных и электромагнитных излучений 70
2.1. Взаимосвязь вероятностных и порядковых моделей при моделировании радиационного поведения ЭКБ на функционально-логическом уровне описания 71
2.1.1. Топология моделирующих сред и уровней модельного описания 72
2.1.2. Структура порядковых моделей цифровых ЭКБ при радиационном воздействии. Метод модельных траекторий 75
2.1.3. Алгебраическая модель описания радиационного поведения ЭКБ на функционально-логическом уровне 79
2.2. Автомат Брауэра 83
2.2.1. Автомат Брауэра комбинационных цифровых устройств 84
2.2.2. Последовательностный автомат Брауэра 88
2.2.3. Особенности прогнозирования радиационного поведения ЭКБ табличным методом 90
2.2.4. Особенности прогнозирования радиационного поведения ЭКБ схем-но-логическим методом 91
2.3. Особенности прогнозирования радиационного поведения ЭКБ методом скалярных индексов сравнения 93
2.4. Функционально-логическое моделирование микропрограммных устройств в условиях возникновения радиационных и электромагнитных излучений 99
2.5. Краткие выводы 102
Глава 3. Методы моделирования радиационного поведения цифровой ЭКБ на функционально-логическом уровне описания 105
3.1. Система параметров для оценки качества функционирования работоспособности ЭКБ 105
3.2. КФП для базовых логических элементов ЭКБ при различных видах воздействия 107
3.3. Расчет статических КФП логических элементов ЭКБ при стационарном облучении 113
3.4. Расчет КФП «отжига» логических элементов ЭКБ при стационарном облучении 113
3.5. Расчет динамических процессов в асинхронных автоматах с памятью при стационарном облучении 117
3.6. Расчет КФП логических элементов ЭКБ при импульсном облучении 119
3.7. Пример построения КФП КМОП инвертора 121
3.8. Краткие выводы 123
Глава 4. Прогнозирование и обеспечение работоспособности цифровой ЭКБ при воздействии радиационных излучений 125
4.1. Особенности построения функционально-логических моделей логических элементов и узлов ЭКБ при описании радиационных эффектов различных классов 125
4.1.1. Построение функционально-логических моделей логических элементов биполярных ЭКБ в условиях возникновения долговременных изменений статических параметров, обусловленных эффектами смещения 125
4.2. Построение функционально-логических моделей элементов КМОП ЭКБ в условиях возникновения долговременных изменений статических параметров, обусловленных эффектами ионизации 133
4.3. Построение функционально-логических моделей элементов КМОП ЭКБ в условиях возникновения релаксационных процессов заряда после облучения, обусловленных эффектами ионизации 138
4.4. Построение функционально-логических моделей элементов ЭКБ в условиях возникновения переходных ионизационных эффектов 140
4.5. Построение функционально-логических моделей элементов цифровых ЭКБ в условиях возникновения долговременных изменений динамических параметров 143
4.6. Краткие выводы 145
Глава 5. Расчетно-экспериментальное моделирование стойкости цифровой ЭКБ к воздействию электромагнитных излучений современных источников 147
5.1. Методы определения стойкости ЭКБ к воздействию ЭМИ 147
5.1.1. Основные эффекты воздействия ЭМИна ЭКБ 147
5.1.2. Характер повреждения и уровни стойкости ЭКБ к воздействию наводки от ЭМИ 149
5.2. Особенности воздействия ОИН на ПП и ЭКБ современных технологий 155
5.3. Особенности воздействия ЭМИ современных и перспективных источников и оценка возможных наведенных сигналов 159
5.4. Физико-математические модели воздействия ЭМИ на типовые ППиЭКБ 163
5.4.1. Доминирующие механизмы и модели повреждения ПП и ЭКБ
при воздействии одиночных импульсов напряжения 164
5.4.1.1. Первичные эффекты 164
5.4.1.2. Вторичные эффекты 174
5.4.1.3. Подпороговые и скрытые эффекты 181
5.4.2. Параметры и критерии стойкости ПП и ЭКБ к воздействию одиночных импульсов напряжения 182
5.5. Методы моделирования воздействия ЭМИ на 1111 и ЭКБ 185
5.5.1. Моделирование на физико-топологическом уровне 185
5.5.2. Моделирование на электрическом уровне 187
5.5.3. Электротепловая макромодель биполярного транзистора 187
5.5.4. Функционально-логические модели элементов ЭКБ в условиях воздействия электромагнитного излучения 190
5.6. Краткие выводы 195
Глава 6. Методическое обеспечение испытаний и экспериментальные исследования радиационного поведения цифровой ЭКБ 197
6.1. Методическое обеспечение проведения экспериментальных исследований цифровых ЭКБ на основе теоретических и экспериментальных методов моделирования 197
6.2. Расчетно-экспериментальная методика исследований ионизационной реакции и реакции от ЭМИ ЭКБ на функционально-логическом уровне описания 204
6.2.1. Построение функционально-логических моделей 204
6.2.2. Построение критериальных функций принадлежности 206
6.2.3. Функционально-логическая модель автомата Брауэра 207
6.2.4. Информационные функции 208
6.3. Особенности испытаний ЭКБ различных технологий 209
6.3.1. Выбор системы основных доминирующих параметров ЭКБ при воздействии излучения 209
6.3.2. Условия проведения эксперимента 212
6.4. Особенности методик проведения испытаний ЭКБ при воздействии радиационных излучений и одиночных импульсов напряжения 213
6.4.1. Особенности моделирования радиационных эффектов в ЭКБ на функционально-логическом уровне описания при воздействии рентгеновского излучения 215
6.4.2. Особенности лазерного моделирования эффектов воздействия ИИ на ЭКБ на функционально-логическом уровне 218
6.4.3. Особенности контроля электрической прочности функционально сложной ЭКБ к одиночным импульсам напряжения 223
6.4.4. Технические средства для оценки импульсной электрической прочности ЭКБ к воздействию одиночного импульса напряжения 226
6.4.5. Типовая методика проведения испытаний ЭКБ для оценки импульсной электрической прочности к воздествию одиночного импульса напряжения 230
6.5. Результаты испытаний ЭКБ к остаточным радиационным эффектам 232
6.5.1. Результаты испытаний КМОП, n-МОП, КМОП/КНС ЭКБ при воздействии стационарного ИИ 232
6.5.2. Результаты радиационных испытаний ТТЛ, ТТЛШ, И2Л ЭКБ при воздействии ионизирующего и нейтронного излучений 237
6.6. Результаты испытаний ЭКБ при воздействии импульсного радиационного излучения 241
6.6.1. Результаты испытаний КМОП, КМОП/КНС ЭКБ при воздействии импульсного ИИ 241
6.6.2. Результаты радиационных испытаний И2Л, И2Л/ТТЛ, ТТЛШ ЭКБ при воздействии импульсного ИИ 245
6.7. Результаты испытаний КМОП, КМОП/КНС, БиКМОП ЭКБ при воздействии одиночных импульсов напряжения 248
6.8. Краткие выводы 256
Заключение 261
Литература 264
Приложение 1 279
- Иерархия уровней модельного описания
- Структура порядковых моделей цифровых ЭКБ при радиационном воздействии. Метод модельных траекторий
- Построение функционально-логических моделей элементов КМОП ЭКБ в условиях возникновения долговременных изменений статических параметров, обусловленных эффектами ионизации
- Характер повреждения и уровни стойкости ЭКБ к воздействию наводки от ЭМИ
Введение к работе
Диссертация посвящена решению важной научной проблемы - созданию и развитию методов и средств теоретического и экспериментального моделирования работоспособности современных изделий микроэлектроники при воздействии радиационных и электромагнитных излучений на основе аппарата нечетких функций, позволяющих решить важную народнохозяйственную задачу определения и обеспечения радиационной стойкости перспективной электронной компонентной базы (ЭКБ) устройств вычислительной техники и систем управления военного, космического и другого специального назначения.
Актуальность работы связано с тем, что в современных и перспективных системах управления, предназначенных для работы в условиях воздействия радиационных и электромагнитных излучений различного физического происхождения, широко используются современные функционально-сложные изделия микроэлектроники. Применение традиционных подходов к оценке и прогнозированию таких устройств, основанных на анализе деградации электрических характеристик, во многих случаях не применим в силу трудоемкости и невозможности учета всех возможных факторов, влияющих на показатели радиационной стойкости.
Переход на функциональный уровень с одной стороны, расширяет возможности анализа, но с другой стороны, приводит к потере важной для потребителя информации о поведении объекта на электрическом уровне (на уровне параметров). Поэтому возникла необходимость разработки новых методов, основанных на многоуровневом иерархическом подходе и учитывающих специфику современной ЭКБ.
Анализ поведения ЭКБ к воздействию дестабилизирующих радиационных факторов показал невозможность их создания без использования различных систем моделирования ЭКБ, обеспечивающих необходимую адекватность описания и точность расчета. Методы и средства автоматизированного проектирования сложных объектов, как правило, строятся по иерархическому принципу. За последние годы сформировалась определенная структура уровней иерархии и в микроэлектронике. Необходимость учета воздействия радиационных и электромагнитных излучений вносит в процедуру моделирования дополнительные сложности.
Использование традиционного подхода прогнозирования радиационной стойкости ЭКБ заключается в выделении уровней описания объекта и моделирования его поведения на каждом из них, сталкивается с рядом ограничений, вызванных отсутствием формальной связи между алгебраической структурой моделей различных уровней описания. Такие ограничения вызваны следующими факторами: сложностью ЭКБ, многообразием физических эффектов, вызывающих неоднозначную и нестабильную работу, а также наличием зависимости радиационной стойкости от режимов работы.
Типичной для задач, связанных с обеспечением качества функционирования ЭКБ, является трехуровневая иерархия, включающая функционально-логический, электрический и физический уровни модельного описания. Анализ и моделирование радиационного поведения ЭКБ на физическом и электрическом уровнях описания дает детальную оценку поведения объекта, однако он не эффективен вследствие ограниченных возможностей физических, а так же электрических моделей и больших размерностей решаемых задач. При переходе на функционально-логический уровень моделирования имеет место существенное сокращение сложности задачи и объема вычислений. Так, например, моделирование ионизационной реакции цифровых ЭКБ на функционально-логическом уровне с использованием VHDL-моделей дает выигрыш по времени моделирования воздействия импульсного ИИ по сравнению со "SPICE" от 380 раз (для 4-х разрядного сумматора) до 6000 раз (при моделировании 16-разрядного микропроцессора). При этом потеря в точности моделирования не превышает 15% по времени событий.
Однако сложившаяся процедура моделирования не всегда позволяет достичь намеченного результата при анализе радиационного поведения современной ЭКБ.
Основными недостатками существующих сегодня приемов реализаций иерархического подхода для решения задач радиационной стойкости являются:
1). Взаимная независимость функционально-логического уровня относительно электрического не позволяет отразить в явном виде зависимость радиационно-чувствительных параметров ЭКБ от уровня и характера воздействия;
2). Предположения о пороговом и недетерминированном характере отказов ЭКБ, в то время как радиационные отказы ЭКБ являются детерминированными и не носят пороговый характер отказа. Такие отказы являются следствием непрерывных физических процессов в полупроводниковых материалах ЭКБ при облучении.
Таким образом, существующие недостатки приводят к трудностям анализа радиационного поведения ЭКБ в рамках стандартной иерархии модельного описания. Они обусловлены физикой происходящих при облучении ЭКБ процессов. Так, например: модели функционально-логического уровня представляют собой детерминированные модели конечных цифровых автоматов (элементами носителя в этом случае являются формальные логические переменные или абстрактные непрерывные функции времени); модели электрического уровня описываются с помощью физических законов (уравнения Максвелла, законы диффузии и т.п.), связанных с переносом электрического заряда и влиянием электрических, магнитных и радиационных полей на параметры рассматриваемых ЭКБ (физический смысл элементов носителя для этого уровня – токи и напряжения, концентрация носителей заряда и т.п.); на физическом уровне используются, как правило, вероятностные модели, описываемые дифференциальным уравнением Шредингера, кинетическим – Больцмана, а элементами носителя являются координаты частиц в обычном пространстве или в пространстве волнового вектора.
Преодоление таких ограничений возможно посредством совместного использования и сопоставления моделей, имеющих не только разнообразную математическую структуру, но и оперирующих переменными различной физической природы.
В этой связи автором предложено решение важной и актуальной научной задачи, направленной на повышение достоверности анализа и прогнозирования радиационной стойкости ЭКБ на основе использования аппарата нечетких функций. Разработаны методы моделирования радиационного поведения ЭКБ на основе критериальных функций принадлежности (КФП), которые являются исходными для нахождения взаимосвязи между моделями функционально-логического и электрического уровней при решении задачи оценки радиационной стойкости. Решение этих задач представляется возможным путем введения новых классов функционально-логических моделей цифровых устройств на основе автомата Брауэра. Такие модели сочетают в себе как основные преимущества традиционных логических моделей, так и моделей, обеспечивающих возможность задания в них в явной форме зависимостей радиационного поведения элементов цифровых устройств от режима работы, конструктивно-технологических, схемотехнических и архитектурных реализаций. К особенности автомата Брауэра относится то, что входными воздействиями являются не только электрические сигналы, но и радиационные переменные другой физической природы, не интерпретированные в рамках общепринятых моделей электрического или функционально-логического уровня описания. Использование функционально-логических моделей радиационного поведения цифровых устройств, типа автомата Брауэра, позволяет ввести на этом уровне моделирования систему обобщенных показателей (индексы сравнения), отражающих характер нарушения их работоспособности при облучении и относительный вклад в него отдельных элементов, входящих в состав анализируемого объекта.
На каждом из уровней иерархического моделирования реализуется комплекс методов и средств как экспериментального, так и математического моделирования. При этом данные экспериментального моделирования соответствующего уровня являются исходными для корректировки параметров моделей и реализуются системой экспериментальных методов на базе физических имитаторов, основанные на применении имитирующих воздействий различной физической природы. В этом случае следует отметить, что возникающие при облучении в ЭКБ радиационные эффекты приводят к адекватному изменению электрических и функционально-логических характеристик, возникающих в реальных условиях эксплуатации.
В этой связи расчетно-экспериментальные методы определения показателей стойкости ЭКБ к воздействию радиационных и электромагнитных факторов заключаются в совместном использовании моделей и экспериментальных результатов определения доминирующих эффектов в ЭКБ.
Появившиеся и развитые в последние годы методы имитационного моделирования радиационных эффектов открывают в этом плане новые возможности. Использование имитационного воздействия обеспечивает значительное снижение стоимости и увеличение производительности проводимых испытаний при сохранении необходимого соответствия и достоверности результатов, полученных на моделирующих физических установках. При этом появляется возможность существенного расширения экспериментальных данных, получаемых непосредственно в процессе проведения испытаний ЭКБ. В этом случае происходит значительное улучшение технико-экономических характеристик за счет сокращения объема испытаний на моделирующих физических установках.
Поэтому, в настоящее время существует актуальная научная проблема, заключающаяся в разработке нового поколения методов и средств расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения ЭКБ при воздействии ионизирующих и электромагнитных излучений, основанных на использовании аппарата нечетких функций и направленных на повышение радиационной и электромагнитной стойкости перспективной ЭКБ устройств вычислительной техники и систем управления объектов специального назначения.
Настоящие исследования проводились с 1980 по 2011 год в МИФИ, НИЯУ МИФИ и ЭНПО СПЭЛС, итогом которых и является данная работа.
Состояние вопроса. Основы исследования физики радиационных эффектов в полупроводниковых приборах и изделиях электронной техники были заложены Н.А. Ухиным, Е.А. Ладыгиным, Ф.П. Коршуновым, В.С. Вавиловым, а также представлены в целом ряде отечественных и зарубежных работ. Современные исследования радиационной стойкости ЭКБ показывают, что разнообразие технологий ЭКБ, особенности схемотехнического и конструктивного исполнения микросхем, их функциональная реализация и условия применения приводят к существенному различию в характере поведения конкретных ЭКБ под действием радиации. Методы и средства моделирования в этой области отражены в работах Т.М. Агаханяна, Е.Р. Аствацатурьяна, Д.В. Громова, А.Ю. Никифорова В.С. Першенкова, В.Д. Попова, П.К. Скоробогатова, А.И. Чумакова, И.И. Шагурина и других российских и зарубежных ученых.
Решение задач прогнозирования радиационных отказов и разработка методов повышения радиационной стойкости БИС и СБИС возможны только на основе средств автоматизированного проектирования. Основы теории и использования САПР для целей радиационной электроники заложены в работах А.Я. Архангельского, Н.Г. Левшина и ряда других авторов. Можно констатировать, что используемые модели компонентной базы описывают по существу различные аспекты поведения одного и того же объекта, их на практике упорядочивают в определенной последовательности, сводя к иерархически организованной структуре уровней модельного описания: физический, электрический и функционально-логический.
Результаты исследований влияния поверхностных радиационных эффектов в структуре диэлектрик – полупроводник на свойства КМОП элементов и ЭКБ получили развитие в работах В.С. Першенкова, В.Д. Попова, А.Ю. Никифорова, В.А. Тельца, А.И. Чумакова, Дж. Митчелла, а также в целом ряде других отечественных и зарубежных работ.
В работах Л.О. Мыровой, А.З. Чепиженко, Л.У. Рикетса обобщены исследования в области воздействий ионизирующих и электромагнитных излучений. В трудах А.И. Чумакова рассмотрены основные радиационные эффекты в полупроводниковых приборах и ЭКБ при воздействии радиационных факторов космического пространства. Впервые с единой позиции проанализированы отказы и сбои, вызываемые отдельными ядерными частицами, обобщены методы защиты от них.
Возможности использования аппарата нечетких функций в области моделирования поведения ЭКБ при воздействии радиационных излучений были продемонстрированы в работах: Е.Р. Аствацатурьяна, В.А. Беляева, В.Л. Зайцева, П.К. Скоробогатова, Н.С. Трушкина, автора диссертации.
Поэтому возникла необходимость развития предложенных методов и средств, а также распространения их на современные изделия микроэлектроники, которые основаны на расширении возможностей функционально-логического моделирования, реализованного на модели нечеткого цифрового автомата Брауэра. Такой подход позволяет формализовать задания межуровневых связей функционально-логического и электрического при решении задачи прогнозирования радиационного поведения ЭКБ.
Цель диссертации - повышение достоверности анализа и прогнозирования радиационной стойкости изделий микроэлектроники на основе комплексного развития методов и средств расчетно-экспериментального моделирования на функционально-логическом уровне описания при воздействии радиационных и электромагнитных излучений; создание теоретических положений и технических средств для определения критериальных функций принадлежности по выбранной модели и выявление их взаимосвязи с моделями двух уровней.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
- обоснованием использования иерархического подхода организации структуры уровней модельного описания, включающего переменные не только электрического и логического уровней, но и характеристики радиационного воздействия на ЭКБ;
- выделением доминирующих механизмов, приводящих к изменению электрических параметров ЭКБ при воздействиях ионизирующих излучений и мощных одиночных импульсов напряжения и разработкой механизма их учета на вышележащих уровнях;
- выбором и обоснованием использования теории нечетких множеств для построения математических моделей ЭКБ при воздействии радиационных и электромагнитных излучений, позволяющего ввести в модель конечного автомата дополнительные истинностные переменные - КФП и тем самом расширить набор базисных операторов, значение переменных которых принадлежат непрерывному множеству [0, 1];
- созданием и реализацией расчетно-экспериментального метода определения КФП логических элементов и ЭКБ по виду радиационного воздействия и выбранной модели физического и электрического уровней иерархического описания и выявления их взаимосвязей;
- разработкой методик математического моделирования работоспособности ЭКБ на функционально-логическом уровне описания на основе использования аппарата нечетких функций при воздействии ионизирующих и электромагнитных излучений;
- развитием и реализацией математических моделей с использованием критериальных функций принадлежности (КФП) и автомата Брауэра, позволяющих учесть радиационные факторы;
- развитием расчетно-экспериментальных методик определения доминирующих показателей стойкости ЭКБ для построения КФП при воздействии ионизирующих и электромагнитных излучений;
- адаптацией к функционально-логическому уровню описания базовых методик и аппаратных средств для имитационного моделирования доминирующих механизмов воздействия стационарного ИИ, импульсного ИИ и электромагнитного излучения на ЭКБ;
- проведением расчетной и экспериментальной проверки созданного математического обеспечения для оценки работоспособности ЭКБ при воздействии ИИ на базе разработанных методик исследований и внесением изменений в параметры моделей ЭКБ электрического уровня;
- разработкой методов повышения точности прогнозирования радиационной стойкости цифровой ЭКБ с целью обеспечения заданных требований по стойкости при воздействии ионизирующих и электромагнитных излучений.
Научная новизна и значимость диссертации:
1. На основе математического аппарата теории нечетких множеств и критериальных функций принадлежности разработаны оригинальные методы построения функционально-логических моделей радиационного поведения ЭКБ, дающие возможность определить взаимосвязь между моделями разных уровней (функционально-логического и электрического), что позволило учесть особенности радиационного поведения электрических характеристик ЭКБ на функционально-логическом уровне описания.
-
Впервые на базе метода КФП предложен новый класс функционально-логических моделей цифровых устройств (автоматы Брауэра), сочетающий в себе достоинства традиционных логических моделей схемного типа и моделей, обеспечивающих возможность задания в них в явной форме зависимостей, учитывающих радиационное поведение элементов цифровых устройств от режима работы, конструктивно-технологических, схемотехнических и архитектурных особенностей их реализации.
-
На основе автомата Брауэра, предложены индексы сравнения, характеризующие систему обобщенных показателей, отражающих степень соответствия статических или динамических критериальных параметров электрического уровня описания выбранному разработчиком критериальному отношению. При этом, в качестве показателя работоспособности выбирается отношение, устанавливающее соответствие результатов функционирования устройства при заданных: предыстории облучения, структуре входных данных и режимах работы некоторой эталонной функции при нулевом уровне воздействия.
-
Разработаны оригинальные алгоритмы расчета статических КФП, КФП «отжига» логических элементов и ЭКБ при стационарном облучении, импульсных КФП, КФП, отражающие динамические процессы в асинхронных автоматах при стационарном облучении и позволяющие использовать их в соответствии с типом излучения и выбранными критериальными параметрами для определения уровня стойкости.
-
Разработаны методические основы расчетно-экспериментального моделирования проведения исследований ЭКБ на стойкость к воздействию стационарного, импульсного и электромагнитного излучений, позволяющие существенно повысить достоверность проведения экспериментальных исследований, снизить погрешности и, на этой основе, в несколько раз сократить объем и продолжительность испытаний на моделирующих установках и имитаторах. Полученные расчетным путем критические и доминирующие параметры ЭКБ дали возможность целенаправленно разрабатывать методики испытаний, которые позволили рекомендовать разработанные методы прогнозирования в качестве необходимого этапа при проведении испытаний ЭКБ на стойкость к остаточным, переходным эффектам и импульсной электрической прочности.
Практическая значимость и внедрение результатов работы:
1. Научные результаты диссертации использованы на практике при разработке и обеспечения радиационной стойкости на предприятиях «НИИМЭ и Микрон», ОАО «НПП Сапфир», ОАО «Ангстрем», ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.А. Седакова, Секции приклодных проблем при Президиуме РАН, ОАО «ЭНПО СПЭЛС» и др., которые позволили улучшить радиационную стойкость цифровых ИС: БИС ППЗУ 556РТ7 к воздействию специальных факторов с характеристиками 7.И7 (7.С4) до группы 2Ус, БИС ППЗУ 1622 РТ5, ПЗУ 1656РЕ4 с характеристиками 7.И7 (7.С4) до группы 3Ус, БИС КМОП/КНС ОЗУ 1604РУ1/2, 1620РУ1/2, Б1620РУ2-2, Б1620РУ54-2, 1620РУ7Т с характеристиками 7.И6 (7.С5) в том числе микросхемы серий: 1284, 1100, 1825, 1890, 1886, 1878, 1287, 1446, 1508, 5508, 5525, 5801, 5659, 5107, 5600 и др; базовые матричные кристаллы серий: 5511БЦ1У и НБЦ1501Ти др.; микросхемы памяти серий: 1620, Б1620, 1638, 1645, 1636, 1640 и др. до уровня безотказной работы соответствующей требованиям ТЗ и ТУ.
-
Разработаны, апробированы и внедрены на базовых предприятиях оборонной промышленности и в организациях МО РФ методики испытаний различных перспективных ЭКБ на моделирующих установках и лабораторных имитаторах, которые позволяют учитывать особенности ЭКБ на основе метода КФП, осуществляющей взаимосвязь между моделями разных уровней. Разработанные методики испытаний позволяют улучшить технико-экономические характеристики ЭКБ за счет повышения оперативности испытаний и обеспечения точности экспериментальных результатов.
-
Проведена серия испытаний различных типовых КМОП, КМОП/КНС, КМОП/КНИ, n-МОП, ТТЛ, ТТЛШ, И2Л ЭКБ при воздействии ионизирующих излучений и мощных одиночных импульсов напряжения, подтвердивших достоверность разработанных расчетно-экспериментальных методов и моделей определения показателей стойкости анализируемой элементной базы с точностью, определяемой адекватностью параметров модели электрического уровня описания и погрешностью дозиметрии.
-
Впервые проанализирована и экспериментально определена система параметров для оценки стойкости ЭКБ на функционально-логическом уровне описания к воздействию одиночных импульсов напряжения (ОИН) основными источниками которых являются: электромагнитное излучение естественного и искусственного происхождения; электрические разряды; разряды, вызванные накоплением заряда в элементах космических аппаратов при воздействии излучений, исследованы и систематизированы зависимости критериальных параметров работоспособности ЭКБ (цифровых устройств) на кремниевых, КНИ, КНС и GaAs структурах – всего более 30 типов изделий и тестовых структур.
-
На основе метода КФП для кремниевых, КНИ, КНС, GaAs ИС проведен теоретический анализ адекватности и достоверности методик испытаний и измерения параметров. С учетом полученных результатов разработаны методики имитационных испытаний для определения фактических показателей импульсной электрической прочности (ИЭП) по критерию параметрических отказов, что позволило расширить диапазон справочных данных и повысить достоверность испытаний. Показано, что показатели ИЭП зависят от предельно-допустимых значений амплитуды, длительности и формы ОИН, группы выводов испытуемых изделий, конструктивно-технологических параметров структур. Апробация проведена в ходе сравнительных испытаний на имитаторах различных классов.
-
Разработаны и обоснованы методы и рекомендации по повышению стойкости ЭКБ, обеспечивающие использование ЭКБ с предельными уровнями стойкости (ГОСТ РВ 20.39.414.2-98) на основе отбора типов ЭКБ с оптимальными параметрами базовых структур, режимов и условий эксплуатации. Результаты исследований внедрены в «НИИМЭ и Микрон», ОАО «НПП Сапфир», ОАО «Ангстрем», ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.А. Седакова, Секции приклодных проблем при Президиуме РАН, ОАО «ЭНПО СПЭЛС» и др. в ходе разработки более 10 серий радиационно-стойких ИС. Материалы диссертации использованы при подготовке межотраслевого методического руководства МО РФ (Инв. № 12/186) по методам оценки и обеспечения радиационной стойкости, а также более чем в 30 НИР и ОКР по исследованию и созданию радиационно-стойких изделий микроэлектроники и систем на их основе.
-
Результаты диссертации использованы в учебном процессе НИЯУ МИФИ при постановке учебных курсов «Общая электротехника и электроника», «Автоматизированное проектирование электронных устройств», а также были использованы при подготовке лабораторного практикума по курсам «Организация микропроцессорных систем» и «Общая электротехника и электроника».
Апробация результатов работы.
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на 2-х Международных, 15 Всесоюзных и Всероссийских, 21 региональных, межотраслевых и отраслевых конференциях, совещаниях и семинарах, в том числе: на I межотраслевом совещании «Создание ППП и ИС устойчивых к воздействию внешних факторов для особо надежной не резервируемой РЭА», г. Винница, 1982 г.; на « ХII совещании по координации НИР на ИЯР», г. Алма-Ата, 1982 г.; на I Всесоюзном совещании-семинаре «Математическое моделирование и экспериментальное исследование электрической релаксации в элементах ИС», г. Гурзуф, 1983 г.; на ХХХ научной конференции МИФИ «Физическая электроника, электронные приборы и установки, и электрофизические установки и ускорители», г. Москва, 1983 г.; на II межотраслевом совещании «Проблемы создания ППП и ИС, устойчивых к воздействию внешних факторов для особо надежной РЭА», г. Душанбе, 1984 г.; на ХХХI научной конференции МИФИ «Физическая электроника, электронные приборы и установки, и электрофизические установки и ускорители», г. Москва, 1985 г.; на II Всесоюзном совещании-семинаре «Математическое моделирование и экспериментальные исследования электрической релаксации в элементах ИС, г. Одесса, 1986 г.; на Совещании-семинаре «Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЭРИ, элементов и материалов к воздействию ИИ ЯВ», г. Москва, 1986 г.; на ХХХII научной конференции МИФИ «Радиационная электроника и микроэлектроника», г. Москва, 1987 г.; на III межотраслевом совещании-семинаре «Вопросы обеспечения радиационной стойкости ЭРИ, элементов и материалов к воздействию ИИ ЯВ» г. Баку, 1987 г.; на ХV Всесоюзном совещании по использованию ИЯР, г. Обнинск, 1988 г.; на V межотраслевом совещании «Создание ППП и ИС устойчивых к воздействию внешних факторов», г. Москва (НПО «Взлет»), 1988 г.; на IV межотраслевом совещании-семинаре «Проблемы создания полупроводниковых приборов и ИС, стойких к воздействию внешних факторов (ВВФ)» г. Винница, 1998 г.; на VII Международной конференции по микроэлектроники «Микроэлектроника-90», Белорусь, 1990 г.; на V Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы радиационной и электромагнитной стойкости радиоэлектронной аппаратуры и электрорадио изделий», г. Челябинск-70, 1990 г.; на V межотраслевом совещании-семинаре «Проблемы создания полупроводниковых приборов, ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ», г. Петрозаводск, 1991 г.; на VI межотраслевом семинаре «Радиационные процессы в электронике», г. Москва, 1994 г.; на международной конференции «Proceedings of the Third Workshop on Electronics for LHC Experiments», London, 1997; на научной сессии МИФИ «МИФИ-1998 - 2009», г. Москва, 1998, 1999, 2002, 2004, 2005, 2006, 2008, 2009 гг.); на Российской научной конференции «Радиационная стойкость электронных систем – Стойкость 1998 - 2009» г. Лыткарино, 1998, 1999, 2001, 2003, 2005, 2006, 2009, 2010 гг.; на научно-технической конференции «Электроника, микро- и наноэлектроника», гг. Пушкинские горы, Гатчина, Петрозаводск, 2001, 2006, 2008 г.; на Российской научно-технической конференции «Аппликативные вычислительные системы (АВС` 2008)», г. Москва, 2008 г.
Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 96 научных трудах, из которых 63 опубликованы, в том числе: 1 межотраслевое методическое руководство МО РФ (№ 12/186), 2 учебных пособия, 26 статей, из них 17- входящие в перечень ВАК РФ, более 38 тезисов докладов на международных, Всесоюзных, Российских конференциях и семинарах.
Основные результаты диссертации вошли в отчетные материалы по 30 госбюджетным и договорным НИР и ОКР.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Содержит 341 страницы печатного текста (включая приложения), 44 таблицы, 186 рисунка и библиографию, включающую 197 наименований.
Автор защищает:
-
Метод расчетно-экспериментального моделирования радиационного поведения ЭКБ на основе иерархически организованной структуры уровней модельного описания, включающей автомат Брауэра для формирования нечетких логических функций с целью повышения достоверности моделирования радиационной стойкости.
-
Метод построения функционально-логических моделей радиационного поведения ЭКБ, дающий возможность формализовать задания межуровневых связей (функционально-логического и электрического) и позволяющий учесть особенности радиационного поведения электрических характеристик ЭКБ на функционально-логическом уровне моделирования.
-
Модели и результаты моделирования радиационного поведения ЭКБ различных типов и сложностей при описании остаточных, переходных радиационных эффектов и эффектов воздействия электромагнитного излучения. Методики расчета КФП, которые определяются раздельно для каждого вида излучения и учитывают характер протекания физических процессов в ЭКБ.
-
Функционально-логические модели цифровых устройств (автоматы Брауэра), которые отличаются от традиционных, введением дополнительных истинностных переменных – КФП, приводящих к расширению набора базисных операторов. Это позволило перейти к модели, где значения переменных принадлежат непрерывному множеству [0, 1] и обеспечить возможность задания в них в явной форме зависимостей радиационного поведения ЭКБ цифровых устройств от режима работы, конструктивно-технологических, схемотехнических и архитектурных особенностей их реализации.
-
Новый класс параметров - индексы сравнения, характеризующие радиационную стойкость ЭКБ с позиции их функционально-логического описания.
-
Алгоритмы расчета КФП логических элементов ЭКБ: при стационарном и импульсном облучении, послерадиационном «отжиге» и алгоритм расчета КФП, отражающих динамические процессы, для обеспечения заданных уровней показателей стойкости полупроводниковой компонентной базы.
-
Методику определения и уточнения параметров моделей с помощью использования имитационных методов моделирования стационарного, импульсного ИИ и электромагнитного излучения, включающих: анализ работы ЭКБ, основанный на использовании аппарата нечетких функций с целью определения параметрических и функциональных отказов ЭКБ, рекомендации по обеспечению адекватности моделирования с использованием данной методики.
-
Результаты применения расчетно-экспериментальных методов определения стойкости ЭКБ к воздействию ионизирующих и электромагнитных излучений, подтверждающие обоснованность применения предложенных методов и моделей на широком классе ЭКБ.
Иерархия уровней модельного описания
Разработка методов моделирования радиационного поведения ПП и ЭКБ сталкивается со значительными проблемами, связанными с разнообразием ти-пономиналов и многообразием физических эффектов, вызывающих нестабильную работу, что приводит к необходимости совместного использования и сопоставления моделей, имеющих не только разнообразную математическую структуру, но и оперирующих переменными различной физической природы. Учитывая, что все эти модели описывают по существу различные аспекты поведения одного и того же объекта, их на практике упорядочивают в определенной последовательности, сводя к иерархически организованной структуре уровней модельного описания. Опыт проведенных исследований позволяет заключить, что система моделирования радиационных эффектов должна формироваться как единая система, где в качестве уровней иерархии обычно выделяют физический, электрический и функционально-логический. На каждом из уровней реализуется комплекс методов и средств как экспериментального, так и математического моделирования. При этом данные экспериментального моделирования соответствующего уровня являются исходными для корректировки моделей и реализуются системой экспериментальных методов на базе моделирующих установок (МУ) и имитаторов [31 - 33].
Необходимость использования иерархического подхода обусловлена также тем, что требования к функционированию ПП и ЭКБ задаются в форме соответствия электрических и функциональных параметров нормам ТУ, в то время как параметры воздействующих факторов задаются в форме спектрально-энергетических характеристик ИИ. Иными словами, модели функционирования элементов и модели взаимодействия ИИ с материалами ПП и ЭКБ принадлежат к различным уровням модельного описания. Структура иерархии изображена на рис. 1.5. Такая иерархия не является жестко фиксированной, поскольку в зависимости от каждого конкретного случая возникает необходимость либо использования ограниченного набора моделей и лишь для некоторых уровней, либо расширения иерархии за счет введения дополнительных модельных уровней. К примеру, разработчики ПП и ЭКБ, как правило, не используют системно-алгоритмический уровень, однако широко используют физико-топологические модели, не рассматриваемые обычно проектировщиками устройств вычислительной техники и систем управления.
Физико-топологическое [34] моделирование имеет целью определение пространственных и временных зависимостей переменных (потенциалов, концентраций электронов и дырок) при заданных электрофизических и конструктивно-топологических параметрах приборов и данном характере воздействия излучения. Физический уровень используется для определения структуры моделей электрического уровня и расчета радиационных изменений их параметров, а также для выработки критериев, предъявляемых к источникам ИИ.
Элементами носителей моделей электрического уровня являются токи, заряды и напряжения, связанные между собой в общем случае уравнениями Максвелла, а в более частном - законами Кирхгофа. Различают электрические модели элементов и схем. Электрические модели элементов 1111 и ЭКБ выражают связь между токами, зарядами и напряжениями через параметры данного элемента. В качестве параметров моделей используются сопротивления, емкости, индуктивности и т.п.
Модели функционально-логического уровня чаще всего представляют в виде детерминированных и вероятностных моделей конечных цифровых автоматов или непрерывных линейных и линейно-импульсных систем управлениями. Элементами носителей модели в этом случае являются формальные логические переменные (символы алфавита конечного автомата) или непрерывные функции времени.
На системно-алгоритмическом уровне, в зависимости от исследуемых свойств объектов, используются детерминированные модели типа рекурсивных функций и т.п., либо вероятностные обобщенные модели типа моделей массового обслуживания, информационных, надежностных, лингвистических и т.п. На данном уровне не отражается специфика аппаратурной реализации объекта исследования, а учитываются только особенности алгоритмов его работы, поэтому вопросы моделирования радиационного поведения ПП и ЭКБ на этом уровне обычно не рассматривают.
Существенная особенность многоуровневого иерархического моделирования радиационного поведения ПП и ЭКБ связана с тем, что в отличие от традиционных задач математического моделирования электронных устройств, входными воздействиями для системы, в данном случае, являются не только электрические сигналы, но и радиационные переменные существенно другой физической природы, не интерпретируемые в рамках общепринятых моделей электрического или функционально-логического уровней описания [35].
Основными проблемами, затрудняющими на сегодняшний день практическую реализацию концепции многоуровневого иерархического моделирования, являются, во-первых, взаимная независимость моделей различных уровней и, во-вторых, сложность идентификации их параметров в пределах каждого уровня. Это затрудняет, с одной стороны, формализацию процедуры задания межуровневых связей, нарушая тем самым целостность системы сквозного моделирования, а с другой, не позволяет обеспечить необходимую достоверность моделирования [35].
Взаимная независимость моделей приводит к тому, что связь между моделями различных уровней осуществляется через вспомогательные отношения и константы. Поскольку конкретный тип иерархии и структура межуровневых связей определяется не только свойствами объекта, но и спецификой анализируемой задачи, то решение проблемы невозможно только в классе предметных моделей без привлечения формальної! конструкции, отражающих логические аспекты описания анализируемой системы конкретным исследователем. Роль такой конструкции выполняет алгебраическая модель теории качества функционирования, через которую реализуется количественное сопоставление оценок, полученных из соподчиненных, в рамках фиксированной иерархии, вспомогательных критериальных отношений Rjj предметных моделей Мпі разных уровней в масштабах единой истинностной шкалы.
Применительно к рассматриваемой задаче это означает, что связь между моделями "сверху-вниз" осуществляется через целевые функции g; [36], которые определяют взаимосвязь между критериями качества функционирования Щ на различных уровнях. Эту связь можно представить в виде схемы, изображенной на рис. 1.6. При этом в качестве Щ используются критерии качества функционирования, доминирующие при рассмотрении интересующих разработчика свойств электронного устройства. Глобальные критерии параметрического или вероятностного типов формируются на верхнем уровне иерархии и по мере перехода к нижним уровням конкретизируются в виде частных критериев [35 -37].
Структура порядковых моделей цифровых ЭКБ при радиационном воздействии. Метод модельных траекторий
Анализ поведения цифровой ЭКБ в условиях воздействия дестабилизирующих факторов показывает, что использование математических моделей, адекватно отражающих функционирование ЭКБ, заключается в необходимости совместного использования и сопоставления моделей, имеющих различную математическую структуру и физическую интерпретацию. Если учесть, что все они описывают поведение одного и того же объекта, их можно упорядочить и разделить на два класса модельного описания. В первом случае для описания функционирования ЭКБ в условиях воздействия внешних факторов используется модель цифрового автомата с привлечением аппарата теории вероятности [90, 154]. Общим для булевых надежностных сетей, к которым относятся модели подобного класса, является то, что в пространстве состояний, построенных для внутренних элементов ЭКБ, выполняются аксиомы булевой решетки. В случае, когда необходим учет радиационных механизмов отказа ЭКБ, построение функционально-логической модели такого класса предполагает переход от аксиоматики булевой решетки к аксиоматике векторной решетки с соответствующей заменой алгебраических операций (объединение и пересечение множеств на булевом вероятностном пространстве) на операции «минимум», «максимум» и «дополнение»:
Отсутствие аксиомы «исключенного третьего» или «условия дополнительности» булевой алгебры АпА 0, A\JA X В аксиоматике векторной решетки, приводит к тому, что характеристическая функция ju не выбирается произвольно, а определяется конкретным характером доминирующих физических процессов, приводящих к отказу, значение которой лежит в интервале [0,1] При этом функционально-логическая модель, построенная с момощью математического аппарата алгебры Брауэра [85], опирается на указанную систему аксиом, что позволяет сохранить преимущества булевых функционально-логических моделей.
Такой подход позволяет оперировать расширенной базой входных воздействий для любых переменных не только электрического или логического уровней описания функционального состояния, но и существенно другой физической природы.
Анализ различных способов математического описания качества функционирования ЭКБ показывает, что они формируются из элементов трех различных классов формальных представлений моделирующих сред: предметной, сигнатурной и синтаксической. Адекватное отображение поведения ЭКБ при различных воздействиях на неё реализуется покрытием исходной модели исправного объекта Mj множествами моделей из перечисленных сред, что возможно при введении на элементах сигнатурной модели различного рода отношений: порядка, сходства, эквивалентности и т. д. [110].
Элементы носителей и алгебраические конструкции предметной модели зависят от выбранного математического аппарата, соответствующего данному уровню описания объекта исследования. Для классификации уровней предпочтительней использовать формально-логические методы описания объекта (ОБ), которые используют модели типа сигнатурной и синтаксической. Взаимосвязь алгебраических и логических способов описания ОБ приводит к наличию в предметной моделирующей среде алгебраических конструкций модели и пропозициональных логических матриц.
Пусть для Thj (ОБ) (формальные теории с формальным языком исчисления, разрешенным множеством аксиом исчисления и правилами вывода) локализована, согласованная с ней ПМІ (пропозициональная логическая матрица), такая, что В (множество модальностей) является частично упорядоченным множеством с отношением порядка Sl В Ch; (ОБ) (главные отношения) выделим Мею, для которой Thj (ОБ) семантически непротиворечива и, задав отношение слабого модельного порядка (- ), построим уровень модельного описания с порождающей моделью Мсо. Если т, (MCj0) - множество всех подмножеств
MCjK і - го уровня (острый конус), то для всех МПік, согласованных с элементами острого конуса, все отношения МПю, согласованной с MCj0, будут главными. Таким образом, уровень модельного описания интерпретируется как элемент счетной базы топологического пространства моделей, а МИ - моделирование представляется как способ покрытия свойств ОБ топологическим пространством моделей. Топология же конкретного уровня может быть определена через базис острых конусов (подуровней), построенных на подмоделях порождающей модели через гомоморфизмы из подмодели в модель по главным отношениям.
Отношение модельного порядка упорядочивает модели по полноте описания наблюдаемых свойств ОБ с точки зрения выбранной Th. При этом, в зависимости от целей, разработчик может выбрать Th; по-разному, формируя на {Мп} свою порядковою топологию, т. е. свое ПМ;. Таким образом, объединение Мп и ПМ в единой математической модели приводит к системе подуровней с топологией критериального порядка, отличной от исходной базовой топологии уровня. Критериальный порядок вложен в базовый и Мщ должны быть интерпретируемы как в базовой Th0, так и критериальной Тпь Tho и Thk могут существенно отличаться, а конкретные отношения Thk в общем случае не выводимы в Tho, т. е. их следует отнести к вспомогательным отношениям Мпу.
Построение функционально-логических моделей элементов КМОП ЭКБ в условиях возникновения долговременных изменений статических параметров, обусловленных эффектами ионизации
Обеспечение безопасного функционирования ЭКБ требует учета влияния ЭМИ различной природы. Как известно, основными источниками ЭМИ являются: электромагнитные излучения естественного и искусственного происхождения; электростатические разряды; разряды, вызванные накоплением заряда в ЭКБ космических аппаратов при воздействии излучений [20].
Возникающие при этом физические эффекты можно разделить на две основные группы: непосредственные и косвенные. К непосредственным эффектам относятся явления, связанные с влиянием компонент электромагнитного ПОЛЯ на процессы переноса заряда в полупроводнике (гальваномагнитные, эффекты поля и т.п.). Косвенные эффекты обусловлены воздействием на элементную базу токов и напряжений, возникающих в электрических соединительных цепях аппаратуры под действием электромагнитной наводки от ЭМИ [32, 131].
К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных и моделей, описывающих воздействие так называемого «гладкого» или «низкочастотного» ЭМИ на элементную базу. Спектральная плотность энергии «гладкого» ЭМИ ЯВ такова, что большая часть энергии импульса сосредоточена в области частот до 10ь Гц, что соответствует длине волны излучения около 3 м. Это означает, что «гладкое» ЭМИ ЯВ является квазистационарным по отношению к характерным размерам ЭКБ, а также в отношении размеров относительно небольших блоков аппаратуры. Исследования, проведенные к настоящему времени [31] показывают, что в большинстве практических случаев непосредственным влиянием квазистационарного электромагнитного поля с напря-женностями электрической компоненты до 100 кВ/м и магнитной - до 600 А/м на параметры элементной базы можно пренебречь.
Поэтому современные нормативные документы [26] не предъявляют к ЭКБ требований по стойкости к ЭМИ, а указывают на необходимость проведения определительных испытаний с целью оценки фактического уровня стойкости изделий к воздействию одиночных импульсов напряжения (ОИН), вызванных ЭМИ. В этих условиях задача анализа влияния ОИН, наводимых ЭМИ на ЭКБ, сводится к двум более частным: - определению параметров косвенной помехи (наводки), создаваемой ЭМИ на электрических межсоединительных цепях электронных устройств, в том числе на выводах ЭКБ; - анализу поведения элемента (ПП или ЭКБ) под действием наведенных ОИН.
Задача определения параметров наводки решается с помощью эквивалентных генераторов наводки и их импедансов по отношению ко всем выводам исследуемой ЭКБ. Отличительной особенностью наведенных ЭМИ токов и напряжений является их сильная зависимость от положения аппаратуры относительно направления векторов электрического и магнитного полей, конфигурации и взаимного расположения электрических цепей и контуров, номиналов элементов схем, качества экранирования и способа заземления.
Точный расчет параметров генераторов наводки с учетом параметров поля, ориентации и сложной внутренней геометрии устройства крайне затруднителен. Поэтому на практике оценивают сигналы, наведенные на самых протяженных соединительных элементах, подключенных к наиболее чувствительным выводам элементов, для самой неблагоприятной ориентации поля ЭМИ (вызывающей появление максимальных наведенных сигналов).
Решение задачи анализа поведения элемента основана на решении систем нелинейных уравнений, описывающих поведение ЭКБ на электрическом и физическом уровнях под действием наводки. Результатом решения второй задачи является определение реакции исследуемой ЭКБ на наведенные сигналы и анализ на этой основе его импульсной электрической прочности (ИЭП).
Формы импульсов перегрузки различны в зависимости от конфигурации линии и вида нагрузки и могут иметь апериодический одно- и двухполупериод-ный или колебательный затухающий характер. При этом полная длительность импульсов перегрузок может достигать десятков мкс для кабельных соединений длиной в десятки метров при нагрузках, имеющих комплексный характер. В то же время практически всегда в форме импульсной электрической перегрузки имеется первый полупериод, определяющий амплитуду, длительность импульса и фронта. Соотношение длительности фронта первого полупериода перегрузки к длительности импульса составляет приблизительно 1:10 для неэкранирован-ных линий и 1:20 для экранированных линий. Эта форма импульса, как правило, хорошо аппроксимируется суммой двух экспонент или трапециидальной формой. Длительность импульса первого полупериода в зависимости от вида воздействующего ЭМИ колеблется от 10...15 не до 100...150 не [34]. Эквивалентный импеданс источника наводки может лежать в интервале от единиц до сотен Ом.
Все эффекты, возникающие в ЭКБ при воздействии ОИН, наведенных ЭМИ, можно условно разбить на группы в соответствии с классификацией, представленной нарис. 5.1 [132].
При этом диапазон возможных амплитуд импульсов широк - от единиц вольт до киловольт. Поэтому характер процессов, происходящих в ЭКБ современных технологий не описывается в рамках одной модели повреждения, а носит комплексный характер. По времени, характеру развития и влиянию на параметры ЭКБ эффекты подразделяются на первичные и вторичные, а первичные и вторичные делятся на переходные и остаточные.
Первичные эффекты развиваются за счет энергии самого ОИН непосредственно во время его действия. К первичным эффектам следует отнести: сбой и потерю информации в элементах, тепловой разогрев, пробой подзатворного диэлектрика, лавинный и туннельный пробои. Для развития вторичных эффектов необходимо накопление энергии во внутреннем объеме области полупроводника.
По характеру влияния на параметры элементов первичные и вторичные эффекты делятся на обратимые (переходные) и необратимые (остаточные). Переходные эффекты вызывают временную потерю работоспособности ЭКБ под действием наведенных токов и напряжений, проявляющуюся в форме сбоя (ложного срабатывания), изменения внутреннего состояния элемента, выхода режима за допустимые пределы и т.п. В этом случае после воздействия наводки происходит восстановление работоспособности элемента через время tlip (время потери работоспособности) [156]. Остаточные эффекты (эффекты повреждения) могут носить параметрический характер (выход одного или группы параметров за допустимые пределы) или форму катастрофического отказа. Таким образом, влияние ОИН на параметры ЭКБ проявляется в следующих формах: время потери работоспособности; деградация электрических параметров; снижение надежности; катастрофический отказ. Все эффекты, возникающие в 1111 и ЭКБ при воздействии ОИН, наведенных ЭМИ, можно условно разбить на группы в соответствии с классификацией, представленной нарис. 5.1 [132]. Для развития вторичных эффектов необходимо накопление энергии во внутреннем объеме области полупроводника, для чего необходимо некоторое время (например, нагрев области полупроводника до точки плавления при вторичном пробое). Энергия для развития вторичного эффекта может обеспечиваться самим сигналом наводки и (или) заимствоваться из внутренних источников (источник питания, накопительные конденсаторы). Характер развития вторичных эффектов может носить регенеративный и нерегенеративный характер. В частности, регенеративный характер имеет срабатывание паразитных четы-рехслойных структур под действием таких нарушений режима работы, как перенапряжение или воздействие импульсов с высокой скоростью изменения напряжения (эффект dU/dt). Механизмы повреждения ЭКБ под действием наведенных сигналов достаточно подробно описаны в литературе [31, 131, 133]. Анализ физических эффектов в ЭКБ под действием импульсов напряжения позволил установить, что катастрофические отказы в приборах связаны с перечисленными ниже параметрами сигналов, воздействующих на внутренние элементы ЭКБ и их уровнями [134, 135].
Характер повреждения и уровни стойкости ЭКБ к воздействию наводки от ЭМИ
Рассмотренные выше необратимые эффекты носят четко выраженный пороговый характер, что позволяет характеризовать стойкость к ним одним критериальным параметром (уровнем воздействия) в качестве которого выступает мощность, напряжение и т.п. в зависимости (или в независимости) от длительности импульса воздействия. Результатом необратимого эффекта является, как правило, катастрофический отказ, который проявляется на уровне электрических и/или функциональных параметров. Доказательством правомерности такого подхода служит большой объем накопленных экспериментальных данных на различных ПП и ЭКБ, подтверждающих пороговый характер отказа [20, 138].
Однако в последние годы появились факты, свидетельствующие о том, что и при подпороговых уровнях воздействия происходит изменение параметров приборов. Так, в частности, в условиях обратимого лавинного или туннельного пробоя была обнаружена деградация параметров приборов. Оказалось, что после нахождения n-p-п и p-n-р транзисторов в режиме пробоя эмиттерного перехода при ограничении величины тока пробоя возрастает базовый ток [20, 40]. Относительное изменение базового тока линейно растет со временем пребывания в режиме пробоя, причем даже при длительности импульсов 1 - 10 мкс наблюдается заметная деградация коэффициента передачи тока базы, что исключает ионный механизм данного эффекта. Показано, в частности, что при пробое эмиттерного перехода на границе раздела Si-Si02 вблизи мест выхода эмиттерного перехода р-n перехода на поверхность кристалла образуются поверхностные состояния, которые обусловлены бомбардировкой поверхности быстрыми электронами, образовавшимися при лавинном размножении. Увеличение скорости поверхностной рекомбинации вследствие появления новых поверхностных состояний приводит к росту соответствующей составляющей базового тока и спаду коэффициента передачи тока.
Деградация параметров в случае обратимого лавинного пробоя может иметь место в МОП транзисторах за счет влияния горячих носителей. Часть горячих электронов, проникающих в окисный слой (процесс 1 на рис. 5.15) и при захвате на ловушки может вызывать необратимое локальное изменение порогового напряжения транзистора. Результатом деградации параметров может быть отказ 1111 и ЭКБ, связанный с выходом параметров за пределы допустимых уровней или нарушением функционирования внутренних элементов.
Помимо явных параметрических изменений были обнаружены так называемые скрытые или латентные эффекты [165]. Они происходят при уровнях воздействия ниже порогов повреждения и не обнаруживаются при электрических измерениях. Их влияние сказывается на снижении надежности работы приборов при дальнейшей эксплуатации. Одной из физических причин существенного (до 104 - 106 раз) снижения остаточного ресурса 1111 и ЭКБ после воздействия импульса электрического перенапряжения являются механические перенапряжения, приводящие к появлению в кристалле дислокаций и трещин. Снижение надежности может быть также связано с влиянием горячих носителей заряда, образующихся в МОП приборах при пробое и вызывающих деградацию окисла. С повышением степени интеграции необходимость учета влияния скрытых эффектов на надежность ЭКБ возрастает.
Возможности проявления тех или иных эффектов в конкретных 1111 или ЭКБ определяются особенностями их технологии и внутренней структуры. Возможности аналитических методов ограничиваются тем обстоятельством, что высокий уровень воздействующих электрических сигналов требует использования нелинейных электрических моделей элементов, адекватных в широком диапазоне токов и напряжений (до порога повреждения). Зависимость времени потери работоспособности от конкретной схемы включения ПП и ИС и формы воздействующих сигналов затрудняет определение показателей стойкости по данной группе эффектов для отдельных приборов и требует анализа поведения электронного устройства в целом.
Поэтому анализ поведения относительно сложных ПП и ЭКБ под действием сигналов, наведенных ЭМИ, требует, как правило, использования численных методов моделирования на различных уровнях описания поведения объекта.
Под стойкостью ПП и ЭКБ к ОИН понимается свойство прибора выполнять свои функции после воздействия на его выводы импульса (импульсов) перенапряжения с заданными параметрами. Для определения количественной меры стойкости (по уровню воздействия) вводят понятие критерия стойкости, под которым понимают признак или граничное условие, связанное с параметрами, определяющими функционирование 1111 и ЭКБ. Это могут быть допустимые пределы изменения выходных логических напряжений, допустимое увеличение входного тока утечки и т.п. С точки зрения влияния на параметры ПП и ИС все рассмотренные выше физические эффекты воздействия импульсов электрических перенапряжений проявляются в следующих формах (см. рис. 5.1): - временная потеря работоспособности; - деградация параметров (электрических); - снижение надежности; - катастрофический отказ. Обратимые (переходные) эффекты вызывают лишь временное нарушение функционирования ПП и ИС, которое характеризуется временем потери работоспособности. Деградация параметров выражается в выходе параметров приборов за нормы ТУ. Анализ поведения ИС при воздействии ОИН показывает, что более конструктивным подходом, в рамках существующих моделей по двум классам отказов, является либо параметрический, выражающийся в изменении электрических параметров (рис. 5.27, а, в), либо катастрофический, который сопровождается тепловым вторичном пробоем (рис. 5.7, 5.9 б). Поэтому в разных диапазонах воздействия ОИН модель качества функционирования ИС может описываться как нечетким цифровым автоматом Брауэра, так и вероятностным надежностным автоматом.
Полученные результаты в целом соответствуют ФЛМ описания параметрических и функциональных отказов за счет энергии воздействующего ОИН. Взаимное сопоставление нечеткости (и.(и0шь г)) и неопределенности (f(UoiiH, г)) позволяет сделать вывод о возможности применения минимаксных моделей в моделировании данной группы эффектов в классе нечетких и вероятностных моделей.
В общем случае при анализе стойкости приборов приходится рассматривать всю совокупность параметров ПП и ИС, определяющих их функционирование, включая статические, динамические и функциональные параметры. Однако в каждом классе приборов и в каждом конкретном случае возможно обоснованное сокращение числа контролируемых параметров. Накопленный к настоящему времени опыт работы по исследованию влияния перенапряжений на различные ПП и ИС позволяет выделить наиболее значимые (критериальные) параметры, которые необходимо контролировать в первую очередь при проведении испытаний.
