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Dissertação de Mestrado
DOI
https://doi.org/10.11606/D.43.2019.tde-08112019-144426
Documento
Autor
Nome completo
Saulo Gabriel Pereira Nascimento Alberton
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2019
Orientador
Banca examinadora
Medina, Nilberto Heder (Presidente)
Moralles, Mauricio
Santos, Roberto Baginski Batista
Título em português
Efeitos destrutivos de íons pesados em dispositivos eletrônicos
Palavras-chave em português
Efeitos de radiação em dispositivos eletrônicos
Instrumentação nuclear
Interação da radiação com a matéria
Single-event burnout
Single-event effects
Resumo em português
Desde meados de 1970, sabe-se que dispositivos eletrônicos estão sujeitos a falhas operacionais quando expostos à radiação. Essas falhas operacionais manifestam-se significativamente em ambientes cuja exposição à radiação é bastante intensa, tal como em eletrônica embarcada de satélites, sistemas aviônicos, aceleradores de partículas e reatores nucleares. Efeitos de radiação dominantes em sistemas eletrônicos de aplicação espacial são causados pela penetração de uma única partícula ionizante, e por isso são chamados de Efeitos de Eventos Independentes (Single-Event Effects - SEE). Esses efeitos são causados pela incidência de uma única partícula ionizante com energia suficiente para produzir um grande número de pares elétron-lacuna em um volume sensível do dispositivo eletrônico. Sob movimentos de condução e difusão dentro do dispositivo, os pares elétron-lacuna configuram correntes elétricas que são internamente coletadas, resultando em transientes de circuito, mudanças de estados lógicos, ou até mesmo dano físico permanente no dispositivo. Em dispositivos de potência, os intensos campos elétricos internos podem ser capazes de aumentar as densidades de corrente através de ionização por impacto, resultando em um efeito avalanche até que um colapso inteiramente destrutivo ocorra: um Single-Event Burnout (SEB). Dependências críticas de riscos de efeitos de radiação íon-induzidos em transistores foram medidas usando o arranjo dedicado SAFIIRA do LAFN-USP. Feixes iônicos de 28Si, 35Cl, 48Ti, 56Fe, 63Cu e 107Ag foram utilizados para a realização de medidas de seção de choque de eventos catastróficos do tipo SEB. Foi desenvolvido um arranjo elétrico de aquisição baseado na técnica de limitação de corrente para medidas não-destrutivas desses eventos inteiramente destrutivos. Nesse arranjo, para cada ocorrência de um evento candidato a SEB, a potência disponível capaz de destruir o dispositivo é limitada e o sinal de saída é atenuado e contado, permitindo a realização de medidas indiretas de seções de choque de SEBs e preservando a integridade física do dispositivo eletrônico sob estudo. A caracterização do transistor IRLZ34NPbF resultou na estimativa da profundidade da região sensível do dispositivo 10.1(5) um e na inferência estatística de sua seção de choque de saturação 4.62(17) x 10^(-3) cm^2, indicando que 11.1(6)% da área total do chip semicondutor do dispositivo pode contribuir na ocorrência de efeitos destrutivos do tipo SEB.
Título em inglês
Destructive effects of heavy ions on electronic devices
Palavras-chave em inglês
Nuclear instrumentation
Radiation effects in electronic devices
Radiation interaction in matter
Single-event burnout
Single-event effects
Resumo em inglês
Since the mid-1970s it is known that electronic devices are subject to operational failures when exposed to radiation. These operational failures are very significant in environments where radiation exposure is quite intense, such as space-borne electronics, avionic systems, particle accelerators and nuclear reactors. Dominant radiation effects in electronic circuits in space applications are caused by the individual penetration of a single ionizing particle, and therefore they are called Single-Event Effects (SEEs). These effects are caused by the incidence of a single ionizing particle with enough energy to create a large number of electron-hole pairs within a sensitive volume of the electronic device. Under drift and diffusion movements within the device, the electron-hole pairs configure electric currents which are internally collected, resulting on circuit transients, logical state changes, or even permanent physical damage to the device. In power devices, intense internal electric fields may be able to increase current densities through impact ionization, resulting in an avalanche effect until an extremely destructive collapse occurs: a Single-Event Burnout (SEB). Critical physical dependencies of heavy ion-induced radiation risks in transistors were measured using the SAFIIRA setup at LAFN-USP. 28Si, 35Cl, 48Ti, 56Fe, 63Cu and 107Ag ion beams were used to perform the cross section measurements of catastrophic SEBs. An electrical acquisition setup based on current limiting technique was developed for non-destructive measurements of these entirely destructive events. In this setup, for each occurrence of a SEB candidate event, the available power capable of destroying the device is limited and the output signal is attenuated and counted, allowing indirect SEB cross section measurements and preserving the physical integrity of the electronic devices under study. The characterization of the IRLZ34NPbF transistor resulted in the estimation of the device's sensitive region depth 10.1(5) um and in the statistical inference of its saturation cross section 4.62(17) x 10^(-3) cm^2, indicating that 11.1(6)% of the semiconductor cross-sectional area may contribute to SEB destructive effect ocurrence.
 
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Data de Publicação
2019-12-20
 
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