научная статья по теме МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ КФП ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ОТКАЗОВ БИС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ РАДИАЦИОННЫХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ КФП ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ОТКАЗОВ БИС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ РАДИАЦИОННЫХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 39, № 2, с. 113-125

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ В МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ НА ОСНОВЕКРЕМНИЯ

УДК 621.3.049.77 : 539.1.043

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ КФП ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ОТКАЗОВ БИС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ РАДИАЦИОННЫХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ

© 2010 г. В. М. Барбашов

ЭНПО Специализированные электронные системы bmbar@spels.ru Поступила в редакцию 14.08.2009 г.

Рассмотрены методы построения критериальной функции принадлежности (КФП) для обеспечение стойкости БИС к радиационным и электромагнитным излучениям на функционально-логическом уровне описания, основанные на модели нечеткого цифрового автомата Брауэра. Принципиальным отличием данного метода от традиционных является возможность учета в явной форме в функционально-логических моделях БИС зависимости их стойкости от вида воздействия, режима работы, функционального состояния, схемотехнических решений. Даны алгоритмы и рекомендации по методам прогнозирования радиационных эффектов в БИС от электромагнитного, стационарного и импульсного излучений.

1. ВВЕДЕНИЕ

Функциональная сложность современных БИС, многообразие радиационных эффектов в элементах приводит к необходимости совместного использования и сопоставления моделей, имеющих не только разнообразную математическую структуру, но и оперирующих переменными различной природы. Сильная зависимость характера их проявления в схеме от режима работы, технологии изготовления элементной базы и способа их схемотехнической реализации приводит к необходимости использования функционально-логического моделирования качества функционирования при воздействии радиационных и электромагнитных излучений. Все эти модели описывают различные аспекты поведения одного и того же объекта и основаны на модели нечеткого цифрового автомата Брауэра (АБ). Исходные параметры в модели АБ — критериальные функции принадлежности [1].

2. СИСТЕМА ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ БИС

При использовании функционально-логических моделей, формализованных на основе теории нечетких множеств, основная задача связана с выбором метода построения соответствующих КФП. При этом прогнозирование стойкости БИС к различным радиационным эффектам требует множество КФП, соответствующих каждому типу излучения и выбранных критериальных параметров БИС.

Классификация КФП от вида воздействия показана на рис. 1.

С точки зрения изменений характеристик от вида воздействия и особенностей поведения БИС КФП (ц) делятся на группы и определяются раздельно для каждого типа ИИ (стационарное, импульсное). В большинстве конкретных случаев можно выделить доминирующий параметр или группу параметров БИС, изменение значений которых по отношению к пределам установленных норм приводит к нарушению работы устройства во время и после действия ИИ. В нормативно-технической документации принято деление параметров БИС на три основные группы: статические, динамические и функциональные. Поэтому и КПФ целесообразно делить на аналогичные группы и определять раздельно для каждого типа ИИ. В случае стационарного ИИ, при определении функционирования БИС во время облучения, КФП делятся на статические и динамические. После действия ИИ для определения КФП следует ориентироваться на характер физических процессов, происходящих в БИС после облучения (эффект отжига) [2—3]. В этом случае КФП элементной базы БИС описывается статическими и динамическими характеристиками с учетом их изменения после действия ИИ.

При анализе переходных эффектов в случае однородного равновесного энерговыделения в зависимости от концентрации неравновесных носителей п и от длительности импульса ИИ КФП делятся на две группы:

Вид воздействия

Стационарное излучение

Импульсное излучение и ЭМИ

Статическое КФП

СПХ

?здФ)

- - - — V" — — — — — — — — — —

Динамическое КФП КФП для переходных

КФП отжига ионизационных эффектов

и ЭМИ

УБР

ВПР

гимп >> густ.реж.

СПХ + В =

гимп << густ.реж

СПХ

КФП

отжига

СПХ X Кд

спх + в ¡(г)

Рис. 1. Классификация КФП от видов воздействия на ИС.

1. КФП уровня бессбойной работы (УБР), где различают два основных случая:

— диапазон "длинных" импульсов ИИ, где п не зависит от длительности импульса и равна стационарному значению п, которое, в свою очередь, определяется мощностью дозы ИИ, временем жизни и геометрическими размерами областей базы элементов БИС [1]:

лст = дртХ (W/L), (1)

где: д0 — фактор ионизации; Ру — мощность поглощения дозы; т — время жизни неравновесных носителей; X — коэффициент собирания носителей; Ж, Ь — толщина рассматриваемой области и диффузионная длина неосновных носителей;

— диапазон "коротких" импульсов ИИ (ги <§ Тгр) характеризуется линейной зависимостью п = /(ги) и полностью определяется мощностью дозы и длительностью импульса [4]:

п = 4о РУи, (2)

где: — длительность импульса ИИ.

Значение коэффициента пересчета для расчета статических переключательных характеристик (СПХ) в диапазоне "коротких" и "длинных" импульсов ИИ для "короткого" импульса оценивается из (1), (2):

К = Цвых _М_

ивых (пст)

где: ивых — выходное напряжение логического элемента (ЛЭ) БИС.

В этом случае статическая переключательная характеристика при "коротком" импульсе ИИ описывается следующим соотношением для ЛЭ БИС:

/СПХ = К |_ЦвЬ1Х(ивх)],

2. КФП времени потери работоспособности (ВПР).

Проведенный анализ показывает, что время восстановления работоспособности БИС (?вос) и время "отжига" при возможных дозовых эффектах (?отж) адекватно отражают поведение БИС после воздействия ИИ на функционально-логическом уровне ее описания. В этом случае КФПотж БИС эквивалентна КФПвпр и описывается следующим соотношением:

Ивпр = Иотж = К(Тобл^обл + Т отжИотж),

где: Цвпр, Иотж - КФП; Т^Тотж - время облучения и отжига соответственно; К — коэффициент, характеризующий условие облучения БИС (актив, пассив, режимы функционирования).

Полученные виды и типы КФП, позволяют без трансформации логических структур и логики функционирования БИС перейти к анализу и оценке радиационной стойкости БИС на функционально-логическом уровне их описания.

3. ПОСТРОЕНИЕ КФП ДЛЯ БАЗОВЫХ

ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ БИС ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ ВОЗДЕЙСТВИЯ

При прогнозировании радиационной стойкости БИС на функционально-логическом уровне их описания особо актуальна проблема выбора метода построения КФП и разработка соответствующего математического аппарата.

В [5] предлагается параметрическое представление КФП. В соответствии с данным методом, вид функции ц(В, г) задается аксиоматически с последующей аппроксимацией. Так, например, в условиях возникновения остаточных радиационных эффектов в транзисторных структурах БИС в случае

ц(В, г) ~ ехр г; 7°, 7^ = 0, тогда при 7^ < 1ВЪЖ < 7° имеет место соотношение:

гр

Ц/(7в

7гр, 7гр ^

, В) = ехр

/ 71 - 7 \

± гр * вых

70 - 7

V гр вых У

где: 7гр, 7гр — граничные выходные токи транзистора БИС, отвечающие за единичное и нулевое состояние элемента; 7вых — ток выходного электрода транзистора, соответствующий неопределенному логическому состоянию элемента (рис. 2).

Такое представление функций принадлежности является компактным, обеспечивает простоту построения их на практике, однако связано с исследованием адекватности используемых функций аппроксимации (ехр, Ln и т.д.) и, соответственно, аналитических описаний функции принадлежности. При этом, такое представление функции в общем случае является неопределенным и, как правило, не приводит к необходимой точности при описании поведения цифровых устройств и тем самым ограничивает область применения этого метода.

Исследования асимптотических оценок вероятностных и порядковых моделей качества функционирования показали тесную взаимосвязь между радиационной стойкостью и внутренней неоднородностью ее элементов по этому показателю. В соответствии с [1] нечеткая логика Заде, которая по своим свойствам является моделью со структурой метрических решеток де Моргана, может быть задана мерой внутренней неопределенности состояний системы при разных В по отношению к критерию г^,

I0

гр

гр

^гр)

0

Л)

Рис. 2. Построение критериальной функции принадлежности.

определяющему область работоспособности и являющемуся показателем размытости й (г)).

Показатель размытости й (г) - это строго возрастающий с увеличением размытости нечеткого множества (ц) симметричный и аддитивный функционал, принимающий максимальное значение в точке ц = 0.5 и определяющийся соотношением:

(Кг,) = 0(^(В)), где: С — строго возрастающая функция на [0; 0.5] и С(0) = ОД = 0, = С(ц(В)).

Следует отметить, что поскольку частным случаем G является функция Шеннона

Ош(Р) = (Р ~р(г - Р){р-г)),

то й(г)) представляет в теории нечетких множеств характеристику, аналогичную электронной в теории информации, и удовлетворяет условию й = 0. В соответствии с [6] для метрических решеток нечетких множеств показатель размытости может быть представлен в следующей форме:

вых

й() = т_р(0,Р) - р(гфг0] = тгр(гфг) = 2тр(А, Д, 5) = тК

где: т - нормированный множитель; Р - базовый ду двумя нечеткими множествами гц и гц; г0 5 - подноситель модели уровня (гфг^; р - расстояние меж- множество уровня 0.5.

При этом, используя геометрическую трактовку показателя размытости как функцию расстояния симметричной метрики Хемминга [7], что соответ-

ствует линейному росту функции О на [0, 0.5], он определяется соотношением:

й(Р, в) = |цр(х) - цв(х)| йх,

где: ц р(х) и ^в(х) — функции принадлежности элементов нечетким множествам Р и О соответственно;

а, Ь — граница области определения функций принадлежности.

В этом случае можно записать, что:

й(Р) = -2- (Ц р(г) -Ц р(т)|йт, Ь - а •>

где: р — функция принадлежности подмножества, янии от данного нечетного подмножества (подмно-расположенная на наименьшем евклидовом рассто- жества уровня 0.5) [7]:

ц р(т) =

0, если цр(т) < 0.5

1, если цр(т) > 0.5 0, если цр(т) = 0.5,

где: при d(P) = 0 в случае нулевой нечеткости Таким образом, показатель размытости нечеткого (^е [0,1]) и d(P) = 1 в случае максимальной не- множества Р определяется величиной коэффици-четкости (Др(т) = 0, если цр(т) = 0.5) м

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»