- Raggi cosmici (p, Nuclei,..) - Vento solare (p,e) - Solar flare Il ciclo solare dura circa 11 anni ( 7 di minimo e 4 di massimo). - Particelle intrappolate ( Fasce di Van Allen). Sono principalmente elettroni di qualche MeV e protoni,intrappolati appunto nelle fasce di Van Allen. EFFETTI DELLA RADIAZIONE SUI DISPOSITIVI ELETTRONICI

UNITA’ DI MISURA - Nel sistema MKS l’unità di misura è il Gray (Gy)  1 Gy = 1 J / 1 kg Ma esistono altre unità di uso comune:  1 rad = 100 erg/g 1 Gy = 100 rad

Negli esperimenti che si svolgono presso acceleratori, gli effetti di radiazione dipendono da: - Luminosità della macchina; - Tipo di particelle utilizzate; - Energia dei fasci; - Distanza dal punto di interazione del componente. E’ maggiore la radiazione a LHC o nello spazio ? Dipende dal punto a cui ci troviamo. Lo spazio presenta una dose totale Pari a quella dei calorimetri in CMS. Invece la quantità di neutroni nello Spazio è molto modesta se confrontata a quella di LHC: lo spazio è equivalente Alle pareti di roccia dei pozzi degli esperimenti a LHC.

Radiation Levels in ATLAS Detector zone Total dose [rad] Neutrons (1 MeV eq.) [n/cm 2 ] Charged hadrons (> 21 MeV) [n/cm 2 ] Pixels112 M1.47· ·10 15 SCT Barrel7.9 M1.4· ·10 14 ECAL (barrel) 5.1 k1.7· ·10 11 HCAL4582.5· ·10 10 Muon det.24.3 k3.8· ·10 11 During the experiment lifetime (10 years)

Simulations show high radiation levels over 10 years Up to 50 Mrad and MeV n eq /cm 2 Radiation Environment in LHC Experiments TID/Gy/yr ATLAS

DANNI DA RADIAZIONE - Dose totale accumulata ( Total dose) - Danni dovuti al singolo evento(SEE): - Single event upset (modifica temporanea di una cella di memoria 0  1,1  0); - Single event transient; - Single event latch-up (aumento della corrente dovuta a un corto circuito tra l’alimentazione e il gnd ( possibile distruzione del dispositivo. Originate da LET ≥100 MeV cm -2 /mg). Gli atomi vengono spostati dalla posizione originaria, con conseguente modifica delle proprietà elettriche del materiale. La particella incidente sposta cioè gli atomi di silicio nel reticolo cristallino creando difetti che alterano le caratteristiche elettriche del cristallo. Tre effetti: Formazione di stati intermedi che facilitano la transizione degli elettroni da banda di valenza a quella di conduzione DISPLACEMENT DAMAGE. Due tipi di danno:

Quando una particella ionizzante attraversa un MOSFET crea coppie elettrone-lacuna. La parte più sensibile è l’ossido ( SiO 2 ). Gli elettroni grazie all’elevata mobilità vengono riassorbiti velocemente, mentre le lacune restano intrappolate soprattutto nell’ossido. L’energia richiesta per la creazione di una coppia in Si è 18 eV e il numero di coppie create in SiO 2 è pari a 8.1*10 12 cm -2 rad -1. I principali effeti della total dose sono: 1) Cambio della V th 2 )Aumento della corrente di leakage : a) su nmosfet  voltage shift negativo  difficile spegnere il MOSFET. Aumento della off-state current b) inter device leakage. Ingnorabile prima dell’irradiazione può causare il failure del circuito c) bird’s beak leakage: overlap tra lo spessore dell’ossido e il gate. Mette ON il dispostivo. 3) Degradation del ritardo

gate source drain I ds = g * V ds g è la transconduttanza Se applico una tensione tra s e d, Vds non ho passaggio di corrente. Se applico Tensione tra g e s, Vgs ho un plot del genere : V gs (V) I ds (A) MOSFET

Tramite un pull up e un pull down si può realizzare un inverter. Vantaggio: tira pochissima corrente. Adatto ad alti livelli di integrazione CMOS ( Complementary MOS)

In un CMOS la parte più sensibile alle radiazioni è l’ossido di gate Tox gate source drain Le moderne tecnologie tendono a fare Tox piccolo: - Mosfet accesi sono come piccoli resistori. Più piccoli sono meglio è - Mosfet piccoli si adattano a circuiti più densi. - Costi minori ( aumenta il numero di chip/wafer). In altre parole se l’ossido diventa più sottile allora la quantità di carica intrappolata Nel’ossido diminuisce in funzione del volume dell’ossido. I Voltage shift diventano trascurabili anche per irrradiazioni notevoli. Ma esistono Ancora problemi legati al leakage paths d-s e leakage tra transistor adiacenti. In genere la tecnologia a 0.25  m implementa un Tox di circa 5 nm I ds = g * V ds g è la transconduttanza

source drain source drain source drain n n n n nn nm Electron tunneling + Lacune intrappolate nei difetti del reticolo (mancanza di un O (O3-Si) oppure difetti All’interfaccia) Charge trapping

Legame debole, agisce come trap Trappola positiva Trappola positiva o negativa Q ot (oxide trapped charge) Q it (interface traps) Si0 2 Si O

Nei Mosfet di tipo n le lacune sono vicino alla barriera SI/SiO2, nel mosfet di Tipo p le lacune sono più interne ( meno grave) source drain source drain - L’effetto netto per un N-Mosfet è che la tensione di soglia ha uno shift negativo, In quello di tipo P uno shift positivo ( tensione più alta).

Tox(nm) N.S. Saks et al., IEEE TNS, Dec and Dec Damage decreases with gate oxide thickness Quindi bisogna andare verso le piccole scale di integrazione. Ad esempio 0.25  m Significa tox di circa 5 nm. E’ il primo building block di una soluzione rad toll RT per LHC Alla Total ionizing dose (TID). TID RT = ↓ T OX Es:per 5 nm se ho 1 Mrad,  V= 10mV

Per motivi costrutti sullo stesso wafer vengono messi milioni di transistor. Un CMOS viene separato da quello seguente tramite uno strati di Se questo Si carica positivamente ( come il gate oxide) allora si crea un canale per il Trasporto di elettroni  leakage tra un MOSFET e l’altro. Paticolarmente importante in strutture del tipo “bird beak”. “Field oxide”. Cmos nCmos n+1 La soluzione è il cosiddetto ENCLOSED LAYOUT TRANSISTOR (ELT) Leakage between divices

Drogaggio p GUARD RINGS Guard p+ TID RT = ↓ TOX + Guard rings

Nella regione lo strato di ossido, per motivi costruttivi, è spesso maggiore di quello del gate (bird beak). A causa del danno da radiazione nell’ossido si ha una corrente tra drain e source (frecce nere). E’come se ci fosse un transistor parassita. Correnti parassite source-drain

Tecnologia rad-hard (3) Layout enclosed Layout lineare Eliminare l’ossido di isolamento tra source e drain occupa maggiore spazio librerie dedicate limite dei valori possibili di W/L TID RT = ↓ TOX + Guard rings + ELT

0.7  m

Prerad and after 13 Mrad 0.25  m technology - W/L = 30/0.4 - ELT