[cat] Aquesta tesi es centra en els anomenats Single-Event Effects (SEE) causats per la recol·lecció
de càrrega degut a l'impacte d'una partícula energètica en un node d’un circuit microelectrònic.
En les últimes dècades la tecnologia microelectrónica ha experimentat un escalat constant
permetent el disseny i implementació de sistemes més ràpids, més complexos i compactes.
Aquest escalat ve acompanyat per la disminució de la tensió d'alimentació i la reducció de les
mides dels transistors, fenòmens que tenen per efecte col·lateral un augment en la probabilitat
de que una partícula ionitzant que interactua amb el substrat semiconductor puga generar la
càrrega suficient per induir efectes transitoris que afectin el correcte funcionament del circuit
electrònic i causar aquests SEEs. D'aquesta forma, els efectes de la radiació ionitzant ja no són
un problema específic exclusivament relacionat amb aplicacions espacials o aviònica,
convertint-se en una preocupació important per a la fiabilitat dels dispositius electrònics
emergents.
Aquests SEEs es poden dividir en els anomenats Single-Event Upsets (SEU) si produeixen un
canvi en l'estat lògic d'un element de memòria i els anomenats Signle-Event Transients (SET) si
es genera una variació transitòria en el voltatge d’un o més nusos en un circuit combinacional.
Ambdós SEEs es produeixen degut a la generació de parells electró-forat com a conseqüència
de les interaccions de partícules amb la xarxa cristal·lina de silici que forma el susbstrat dels
dispositius d’estat sòlid en els circuits integrats. Les partícules alfa, neutrons, protons, ions
pesats i altres partícules ionitzants poden interactuar amb dispositius d'estat sòlid i afectar així el
seu comportament. Aquest efecte sols es produeix quan la càrrega recol·lectada sobrepassa un
determinat valor llindar (càrrega crítica), la qual depèn de la tecnologia de fabricació, del
disseny a nivell de circuit, disposició dels components i de les característiques transitòries de la
corrent induïda.
Aquesta tesi s'ha centrat en l'estudi dels SEUs en dos dissenys diferents de cel·les SRAM,
ressaltant un estudi comparatiu entre les cel·les de mida mínima de sis transistors (6T) i de vuit
transistors (8T). D'aquesta manera, el treball aquí presentat mostra els resultats de l'exposició de
les SRAMs a diferents entorns operatius tals com una font alfa, una font de protons, una font de
neutrons i un camp mixt d'alta energia, caracteritzat aquest últim per contindre espectres de
partícules més energètiques, (fins als GeV) i un conjunt més ampli d'espècies de partícules
(incloent pions carregats). També s'estudia l'estabilitat dels convertidors analògic-digitals (A/D) per SET, utilitzant un
disseny de modulador ΣΔ per a calcular si per a nivells raonables de càrrega induïda, la
inestabilitat pot ser activada per SET.
[spa] Esta tesis se centra en los llamados Single-Event Effects (SEE) causados por la generación de
carga eléctrica debido al impacto de una partícula energética en un nodo de un circuito
fabricado con tecnología microelectrónica.
En las últimas décadas la tecnología ha experimentado una evolución constante permitiendo el
diseño e implementación de sistemas más rápidos, más complejos y compactos mediante el
desarrollo de tecnologías microelectrónicas nanométricas. Este escalado viene acompañado con
la reducción de la tensión de alimentación y de las medidas de los dispositivos, aspectos que
tienen como efecto colateral un aumento en la probabilidad de que una partícula ionizante pueda
generar la carga eléctrica suficiente para inducir efectos transitorios que afecten el correcto
funcionamiento de circuitos electrónicos y causar estos SEEs. De esta manera, los efectos de la
radiación ionizante ya no son un problema específico exclusivamente relacionado con
aplicaciones espaciales o aviónica, convirtiéndose en una preocupación importante para la
fiabilidad de los dispositivos electrónicos emergentes.
Estos SEEs se pueden dividir en los llamados Single-Event Upsets (SEU) si producen un
cambio en el estado lógico de un elemento de memoria y los llamados Single-Event Transients
(SET) si se genera un cambio transitorio en el voltaje en uno o más nudos de un circuito
combinacional. Ambos SEEs se producen debido a la generación de pares electrón-hueco como
consecuencia de las interacciones de partículas ionizantes con la red cristalina del silicio que
forma el substrato de los dispositivos de estado sólido de los circuitos integrados. Las partículas
alfa, neutrones, protones, iones pesados y otras partículas ionizantes pueden interactuar con
dispositivos de estado sólido y afectar así su comportamiento. Este efecto sólo se produce
cuando la carga recolectada en un nudo sobrepasa un determinado valor umbral (carga crítica),
la cual depende de la tecnología de fabricación, del diseño a nivel de circuito, emplazamientto
de sus dispositivos y de las características transitorias de la corriente inducida.
Esta tesis se ha centrado en el estudio de SEUs en dos diseños diferentes de celdas SRAM,
resaltando un estudio comparativo entre las celdas de tamaño mínimo con seis transistores (6T)
y con ocho transistores (8T). De esta manera, el trabajo aquí presentado muestra los resultados
de la exposición de las SRAMs a diferentes entornos operativos tales como una fuente alfa, una
fuente de protones, una fuente de neutrones y un campo mixto de alta energía, caracterizado este
último por contener espectros de partículas más energéticas, (hasta los GeV) y un conjunto más
amplio de especies de partículas (incluyendo piones cargados) También se estudia los problemas de estabilidad de los convertidores analógicos a digitales (A /
D) causados por eventos transitorios, usando un diseño de modulador ΣΔ para calcular si, para
niveles razonables de carga inducida, la inestabilidad puede ser activada por un SET.
[eng] This thesis focuses in the so-called Single-Event Effects (SEE) caused by the charge collection
due to the impact of an energetic particle in a sensitive circuit node in microelectronic circuits.
In the last decades, electronic technology has experienced a constant evolution allowing the
design and implementation of faster, more complex and more compact systems by the
development of modern microelectronic nanometer technologies. This scaling entails the
decrease of the supply voltage and transistor sizes, which has as a collateral effect: the increase
of the probability of a particle to generate enough charge to induce transient effects in one or
more circuit nodes affecting the proper operation of electronic circuits. In this way, ionizing
radiation effects are not a specific problem exclusively related to the space or avionic
applications anymore. In fact, they have become a major concern for reliability and
dependability of emerging electronic devices.
These SEEs can be divided into: i) the so-called Single-Event Upsets (SEU), if there is a change
in the logic state of a memory element, and ii) the so-called Single-Event Transients (SET), if a
voltage transient in a combinational circuit is generated. Both SEEs are produced because the
collection effects related to electron-hole pairs generated by particle interactions with silicon
lattice that forms the substrate of the solid-state devices in integrated circuits. Alpha particles,
neutrons, protons, heavy ions and other ionizing particles may interact with solid-state devices
impacting their behavior. This effect only occurs when the collected charge surpasses a given
threshold value (critical charge) that depends on the specific fabrication technology, circuit level
design, layout, and induced current transient characteristics.
This thesis has focused on the study of SEUs on two differently-designed SRAM cells,
proposing a comparative study between minimum-sized six transistors (6T) bit-cells, and eight
transistors (8T) minimum-sized bit-cells. In this way, the work presented here shows results of
SRAMs exposure to different operational environments such as an alpha source, a proton
source, a neutron source, and a high-energy accelerator mixed-field. The latter is characterized
by more energetic particle spectra (extending beyond the GeV range) and a broader set of
particle species (including charged pions).
In addition, the instability effects in analog-to-digital (A/D) converters due to single effects has
also been studied. The study has been performed using a design of a ΣΔ modulator to calculate
if, for reasonable levels of induced charge, instability can be triggered by SET.