Одиночный эффект прерывания функционирования (SEFI)

Одиночный эффект прерывания функционирования (SEFI) — это тип аномалий в работоспособности функционально сложных БИС, связанный с временной потерей или прерыванием их функционирования. Настоящее определение данного класса обратимых одиночных событий было введено стандартом EIA/JESD57 в 1996 году [88]. Там же подчеркивается, что под SEFI надо понимать одиночный эффект, при возникновении которого восстановление работоспособности не связано с отключением питания, но при этом невозможно выявить схемотехническую и топологическую область для диагностики одиночных сбоев.

В зависимости от функционального класса и индивидуальных особенностей БИС проявления SEFI могут быть различны. Кроме того, некоторые типы БИС могут иметь различные типы SEFI, обусловленные различными механизмами возникновения и характеристиками.

Одним из возможных проявлений SEFI в БИС динамической памяти может быть ее самопроизвольное переключения в «тестовый» режим. В свою очередь в микросхемах электрически перепрограммируемых ПЗУ была найдена область контрольной логики, при возникновении в которой одиночного сбоя, имела место потеря нормального функционирования ИС с выводом необычного выходного кода.

При возникновении одиночных сбоев в аналогоцифровых преобразователях (АЦП) в выходном коде обычно наблюдаются случайные ошибки. Однако в случае возникновения SEFI наблюдается полная потеря функции преобразования.

Одним из распространенных типов SEFI в микропроцессорах является «зависание» (lock-up) — остановка функционирования, при этом для продолжения работы требуется переинициализация (reset).

В различных типах ИС SEFI наблюдали как при воздействии ТЗЧ, так и при воздействии протонов. Обычно пороговые значения ЛПЭ частиц, вызывающих SEFI, сравнимы с аналогичными величинами для одиночным сбоев и составляют 1–10 МэВ×см²/мг. В то же время сечение насыщения для SEFI, как правило, оказываются на несколько порядков меньше, чем для SEU.

Эффект выгорания (SEB)

Эффект выгорания возникает при пролете через полупроводник транзистора отдельной заряженной частицы. Часть сечения полевого транзистора, трек частицы и паразитный биполярный транзистор (BJT) показаны на рис. 5.3 [89, 90].

Механизм эффекта SEB заключается в следующем [91, 92]: заряженная частица, попадая в транзистор, теряет свою энергию, вызывая тем самым появление избыточных электронно-дырочных пар на своем пути за счет ионизации полупроводника. Плотность электронно-дырочных пар достигает очень больших величин в субмикронном диаметре трека частицы. Если полевой транзистор находится в состоянии «off» (неактивное, на затворе потенциал близок к 0) и на сток подано высокое напряжение относительно эмиттера (³ 50 В), то электроны начинают двигаться к области стока, а дырки — к истоковой области, т.е. начинает течь электрический ток от стока к истоку, плотность которого может превышать значение 10⁴ А/см². Этот вертикальный ток течет вдоль трека частицы и вблизи границы раздела диэлектрик-полупроводник горизонтально отклоняется в сторону истока. В результате возникает разность потенциалов на переходе база-эмиттер паразитного транзистора, что в свою очередь, может привести к включению BJT. Если это произойдет, то начнет действовать механизм обратной связи, при котором электроны из эмиттера через базу будут инжектироваться в коллектор [93], поддерживая протекание тока большой величины через полевой транзистор, что в результате приведет к перегреву и выходу его из строя.

Рис. 5.3. Поперечное сечение вертикального полевого n-канального транзистора, трек заряженной частицы и паразитный биполярный транзистор [20]

В отсутствие SEB ток течет через канал полевого транзистора под управлением напряжения на затворе. При возникновении SEB (в момент попадания частицы) ток начинает протекать через паразитный транзистор и, если включается механизм обратной связи, ток через BJT продолжает расти до разрушения транзистора. Более подробная модель показана на рис. 5.4, б [90]. Здесь C_be и C_bc — емкости эмиттерного и коллекторного переходов паразитного биполярного транзистора соответственно.

Обычно мощные МОП-транзисторы состоят из тысяч маломощных транзисторов, соединенных параллельно. На рис. 5.4 [90] представлена модель одного из маломощных транзисторов. Источник тока I_ion служит для имитации импульса тока в момент попадания частицы. Источник тока g_Ic имитирует механизм обратной связи.

Для лучшего понимания данного явления можно воспользоваться схемой, показанной на рис. 5.4, а. Здесь подложка полевого транзистора соединена с базой паразитного транзистора и через резистор R_b с истоком. Ток внутри полевого транзистора может проходить по двум путям: через канал полевого транзистора и через коллектор BJT.

а	б

Рис. 5.4. Модель полевого транзистора (а) и более подробная его модель (б), поясняющие механизм возникновения SEB [90]

Вероятность возникновения SEB зависит от напряжения на стоке, температуры, угла и места попадания частицы, ее линейных потерь энергии, режима работы транзистора [89].
В настоящее время выпускаются транзисторы, стойкие к появлению эффекта SEB. Это достигается путем модифицирования геометрии транзистора и уровней легирования полупроводника, что приводит к уменьшению вероятности включения BJT.