Promieniowanie, a elektronika – wpływ i ochrona

Urządzenia elektroniczne są narażone na oddziaływanie promieniowania pochodzącego z różnych źródeł. Generalnie można je podzielić na trzy kategorie: naturalne kosmiczne, w przypadku gdy elektronika pracuje poza atmosferą ziemską, naturalne ziemskie i sztuczne, będące wynikiem działalności człowieka, m.in. w medycynie, przemyśle oraz obronności.

Promieniowanie w kosmosie

W kosmosie można wyróżnić trzy typy promieniowania: strumień, przede wszystkim protonów, galaktycznego promieniowania kosmicznego, promieniowanie słoneczne, które ma trzy źródła: wiatr słoneczny (strumień fotonów, elektronów, protonów, jonów helu oraz niewielkiej ilości cięższych jonów), rozbłyski słoneczne i koronalne wyrzuty masy, generujące zlokalizowane strumienie cząstek o znacznie wyższych energiach niż wiatr słoneczny i pasy radiacyjne. Te ostatnie stanowią nagromadzenie cząstek uwięzionych w polu magnetycznym planet.

Stopień narażenia urządzeń elektronicznych na działanie promieniowania w kosmosie zależy od tego, w jakiej odległości od Ziemi znajduje się pojazd kosmiczny, na pokładzie którego pracują. Najbezpieczniejsza pod tym względem jest niska orbita okołoziemska (Low Earth Orbit, LEO), gdzie ekranowanie zapewniane przez ziemskie pole magnetyczne jest najskuteczniejsze. Poza tym znaczenie ma również czas, przez jaki pracują w takim środowisku, konstrukcja pojazdu kosmicznego oraz częstość i siła zjawisk, takich jak burze słoneczne, które wystąpią podczas trwania danej misji kosmicznej.

Źródła naturalne i sztuczne

Na Ziemi wyróżnić można dwa główne źródła problemów w działaniu urządzeń elektronicznych spowodowane promieniowaniem. Są to: cząstki alfa emitowane w wyniku rozpadu naturalnie występujących zanieczyszczeń radioaktywnych znajdujących się w śladowych ilościach w materiałach stosowanych do produkcji i pakowania elektroniki oraz wysokoenergetyczne promieniowanie neutronowe. Drugie jest produktem ubocznym reakcji jądrowych między wysokoenergetycznymi protonami promieniowania kosmicznego z jądrami azotu i tlenu w atmosferze. Jest ono problemem przede wszystkim w lotnictwie.

W zastosowaniach medycznych narażenie na promieniowanie występuje najczęściej w sprzęcie diagnostycznym i leczniczym, takim jak aparaty rentgenowskie, czy w terapii wiązką protonów. Wysokie dawki promieniowania gamma i strumienie elektronów są również wykorzystywane do sterylizacji, na przykład narzędzi chirurgicznych i implantów. W przemyśle z kolei elektronika jest narażona na oddziaływanie promieniowania m.in. w elektrowniach jądrowych i na zwykłych liniach produkcyjnych, gdzie w kontroli jakości korzysta się z aparatów rentgenowskich. Sprzęt wojskowy z kolei powinien być przede wszystkim odporny na oddziaływanie promieniowania towarzyszącego eksplozji bomby atomowej. Ochrony przed promieniowaniem wymaga też wyposażenie łodzi podwodnych z napędem nuklearnym.

Jak promieniowanie wpływa na elektronikę?

Wyróżnia się dwa typy efektów oddziaływania promieniowania na urządzenia półprzewodnikowe: krótkotrwałe przejściowe SEE (Single Event Effects), czyli losowe, natychmiastowe zakłócenia, wywołane przejściem pojedynczej cząstki i efekty większych dawek promieniowania. Drugie powodują trwałe pogorszenie parametrów urządzenia, które kumuluje się w czasie z powodu przewlekłej ekspozycji na promieniowanie, ostatecznie prowadząc do awarii. W tej kategorii wyróżnia się dwa typy zjawisk: TID (Total Ionizing Dose) i DDD (Displacement Damage Dose). TID charakteryzuje energia pochłonięta przez jednostkę masy napromieniowanego materiału. Wyrażana jest w radach.

SEE klasyfikuje się jako niszczące i nieniszczące. Drugie powodują zauważalne zdarzenia lub zmianę stanu wyjściowego albo danych, lecz nie uszkadzają ani nie niszczą samego elementu obwodu dotkniętego oddziaływaniem promieniowania. W układach logicznych i analogowych bez pamięci zakłócenie takie jest przejściowe i samoczynnie się naprawia, zaś funkcjonalność obwodu powraca do normy po krótkim czasie po usunięciu nadmiaru ładunku.

Gdy SEE wystąpi w układzie cyfrowym sekwencyjnym, pamięci lub układzie analogowym z pamięcią (na przykład układzie próbkująco-pamiętającym), zakłócenie ładunku spowodowane promieniowaniem może zmienić stan danych. Kolejne zapisy do urządzenia usuną błędny stan, ale dopóki tak się nie stanie, dane są błędne i trwałe i mogą powodować awarie systemowe, jeśli uszkodzony stan jest odczytywany i używany w innych obwodach. Do tej kategorii zaliczane są m.in. SEE typów: SET (Single Event Transients ), SEU (Single Event Upsets), SEFI(Single Event Functional Interrupts), SEL (Single Event Latchups). Destrukcyjne SEE też powodują zauważalnie błędny stan wyjściowy lub błędy danych, lecz w tym przypadku również sam element obwodu jest uszkodzony albo zniszczony.

Podatność różnych materiałów

Jednym ze skutków oddziaływania promieniowania jonizującego z materią jest wytworzenie ładunku elektrycznego. W przewodnikach i materiałach półprzewodnikowych nadmiar ładunku będący skutkiem ekspozycji na promieniowanie jonizujące jest w dużym stopniu kompensowany przez rekombinację i/lub rozpraszany przez dyfuzję. Dzięki temu w takich materiałach w krótkim czasie zostaje usunięty. Choć krótkotrwały stan przejściowy, w którym nadmiar ładunku występuje, może wywołać wiele skutków SEE, to ostatecznie żaden ładunek nie jest kumulowany ani przechowywany. TID zatem nie jest problemem. Inaczej jest w materiałach izolacyjnych, przykładowo w dwutlenku krzemu (SiO₂), który jest popularnym izolatorem w urządzeniach półprzewodnikowych – wykonuje się z niego bramki tranzystorów MOS i wykorzystuje jako materiał izolacyjny w technologii MOS i bipolarnej. Energia pochłonięta przez urządzenie na skutek ekspozycji na promieniowanie powoduje wiele negatywnych efektów w izolatorach. Te pogarszają parametry urządzenia, a w dłuższej perspektywie potencjalnie i jego funkcjonalność. DDD z kolei definiuje się jako defekty sieci krystalicznej spowodowane jej zderzeniami z cząsteczkami.

W kosmosie urządzenia elektroniczne są narażone na problemy spowodowane zarówno kumulacją dawek promieniowania, jak i zdarzenia SEE. Promieniowanie występujące na Ziemi naturalnie jest z kolei przyczyną głównie zdarzeń SEE, szczególnie typu SEU (Single Event Upset), jak zamiana zawartości komórki pamięci czy zatrzaskiwanie (latchup). W zastosowaniach medycznych oraz przemysłowych głównym problemem jest TID, natomiast w sprzęcie wojskowym można się spodziewać wszystkich typów negatywnych efektów oddziaływania promieniowania.

Ochrona przed promieniowaniem

 

Rys. 2. Taka konstrukcja zapobiega zdarzeniom SEU

W przemyśle i medycynie można wyróżnić trzy podstawowe metody ograniczające oddziaływania promieniowania: skrócenie czasu ekspozycji, zwiększenie odległości – przykładowo w przypadku izotropowego źródła promieniowania jego strumień maleje wraz z kwadratem odległości od źródła oraz ekranowanie. W środowisku kosmicznym, w którym, jeśli chodzi o czas ekspozycji i odległość od źródła promieniowania, wpływ jest ograniczony, podstawowym sposobem jest stosowanie osłon ekranujących. Korzysta się z barier z metalowych, ceramicznych płyt albo obudów – szczegóły materiałowe i konstrukcyjne zależą od typu promieniowania i jego energii. Ograniczeniem w przypadku pojazdów kosmicznych jest masa i rozmiary ekranu – dlatego popularnym materiałem jest m.in. lekkie aluminium. Jeżeli ekranowanie nie wchodzi w grę, struktury półprzewodnikowe należy chronić przez zmniejszenie ich wrażliwości na tytułowe oddziaływanie. W tym celu stosuje się dwa podejścia, niezależnie albo łącznie.

Modyfikacja procesów i konstrukcji

 

Rys. 3. Dwa rdzenie pracują niezależnie, a ich wyjście jest porównywane, co pozwala szybko wykryć nieprawidłowości

pierwszym wprowadza się modyfikacje w procesie produkcji struktur półprzewodnikowych. Nie zawsze jest to możliwe, gdyż procedury bazowe są zwykle zoptymalizowane pod kątem sprzętu produkcyjnego i parametrów docelowych podzespołów. Przez to możliwości wprowadzania zmian są zazwyczaj ograniczone. Mimo to podejmuje się takie próby. Przykład to zastąpienie standardowego podłoża podłożem o większej przewodności – użycie silnie domieszkowanego materiału znacząco zmniejsza podatność na zjawiska SEE. Metoda ta sprawdza się w strukturach CMOS, lecz już niekoniecznie w BiCMOS.

Druga grupa technik obejmuje wprowadzanie zmian w konstrukcji struktur półprzewodnikowych. Przykładem jest zwiększanie wymiarów tranzystorów, co zapewni większy prąd kompensujący ładunek wytworzony na skutek oddziaływania promieniowania. Kolejne rozwiązanie polega na zastosowaniu podwójnych fizycznie odseparowanych tranzystorów sterujących komórkami stanu. Zapobiega to zdarzeniom SEU. Naturalnie taka konstrukcja znacząco zwiększa powierzchnię oraz pobór mocy. Jedną z najskuteczniejszych metod radzenia sobie z błędami danych jest zastosowanie dodatkowych obwodów do wykrywania i korygowania tych błędów. Sprawdza się również podejście redundantne, w którym kluczowe bloki funkcyjne są dublowane, a stan ich wyjść porównuje się ze sobą w celu szybkiego wykrycia anomalii.

Monika Jaworowska