universidad complutense de madrid facultad de ciencias físicas departamento física aplicada iii

192 Pages·2014·6.09 MB·Spanish

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS
DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA III (ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA)

TESIS DOCTORAL

EMULACIÓN POR LÁSER DE LA RADIACIÓN CÓSMICA EN MEMORIAS
Y COMPARACIÓN CON LA RADIACIÓN NATURAL E INDUCIDA

MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR

PRESENTADA POR

Carlos Palomar Trives

Director

Juan Andrés de Agapito

Madrid, 2014

© Carlos Palomar Trives, 2014
U C D M
NIVERSIDAD OMPLUTENSE E ADRID
F C F
ACULTAD DE IENCIAS ÍSICAS
D F A III
EPARTAMENTO ÍSICA PLICADA

(ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA)

T D
ESIS OCTORAL

EMULACIÓN POR LÁSER DE LA RADIACIÓN
CÓSMICA EN MEMORIAS Y COMPARACIÓN
CON LA RADIACIÓN NATURAL E INDUCIDA

MEMORIA PARA OPTAR AL GRADO DE DOCTOR EN CIENCIAS FÍSICAS
AUTOR: Carlos Palomar Trives
DIRECTOR: Juan Andrés de Agapito Serrano

Madrid, 2014

AGRADECIMIENTOS
Durante el estudio de ingeniería de telecomunicación siempre me he sentido atraído por
todo lo relacionado con la electrónica. Una vez finalizada, mi interés e insistencia por poder
dedicarme a la investigación y desarrollo en este sector me llevaron a conseguir una beca
FPI (Formación de Personal Investigador) en el grupo de Instrumentación y Sensores (dpto.
de Física Aplicada III. Electricidad y Electrónica) de la Facultad de Físicas de la UCM. El
proyecto al que estuve vinculado (AYA2009-13300-C03-03), cuyo investigador principal fue
Juan Andrés de Agapito Serrano, forma parte de un proyecto coordinado entre el Grupo de
la Fundación Antonio de Nebrija, el Grupo de Instrumentación y Sensores (UCM) y el Grupo
de Gestión de Hardware Dinámicamente Reconfigurable, GHADIR (UCM).

En estos años en los que he pertenecido al grupo de investigación no tengo más que
palabras de agradecimiento a todos sus integrantes. Quisiera agradecer especialmente a
Juan Andrés de Agapito Serrano, director de esta tesis, y a Francisco Javier Franco Peláez
su inestimable esfuerzo, dedicación y ayuda día tras día durante estos cuatro años. A Mari
Fe García Duran, por su colaboración en los diseños de todos los circuitos. Y de manera
especial a Isabel López Calle por todo el trabajo de radiación con iones en Lovaina, en la
toma de datos y preparación del experimento, gracias a ella se ha podido llevar a cabo la
radiación con partículas.

Quisiera hacer una mención especial a Jesús González Izquierdo, responsable técnico
del Centro de Láseres Ultrarrápidos (CLUR), por todo lo que he aprendido junto a él y por la
amabilidad con la que siempre me ha tratado. Sin su ayuda hubiera sido imposible realizar la
radiación con láser de los dispositivos. Ha sido un placer trabajar con él.

También quisiera agradecer a Juan Antonio Maestro y Pedro Reviriego, profesores de la
Universidad Antonio de Nebrija, por sus comentarios sobre la topología de las memorias. Así
como a Juan Antonio Clemente, profesor de la facultad de informática de la UCM, por su
colaboración en los experimentos realizados en la fuente de neutrones GENEPI-2.

Además de las personas citadas, quiero agradecer de forma general a todas aquéllas
con las que he tenido relación en este tiempo en la UCM. En particular a Carmen García
Payo y Antonio Paz, por cómo me acogieron desde el primer día, por los buenos ratos que
hemos pasado y por sus consejos a lo largo de este tiempo. También a Mar Gálvez,
secretaria del departamento, por lo bien que siempre me ha atendido.
Por último, quiero agradecer a mis padres, Domingo e Inmaculada, a mi hermano
Sergio y a Paula el ánimo y apoyo que me han dado tanto en el momento en el que se
presentó la oportunidad de iniciar esta aventura como en el transcurso de ella.
ÍNDICE
- SUMMARY ........................................................................................................................... I

- INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS ......................................................................................... 1

- CAPÍTULO 1. EFECTOS DE LA RADIACIÓN EN DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS.
- INTRODUCCIÓN . ...................................................................................................... 9
- 1.1 RAYOS CÓSMICOS ........................................................................................... 10
- 1.2 EFECTOS EN DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS .............................................. 12
- 1.2.1 Efectos acumulativos .............................................................................. 13
- 1.2.1.1 Dosis total ionizante .................................................................... 13
- 1.2.1.2 Daño por desplazamiento ........................................................... 13
- 1.2.2 Efectos puntuales (SEE) ......................................................................... 14
- 1.2.2.1 Errores leves ............................................................................... 14
- 1.2.2.2 Errores graves ............................................................................ 16

- CAPÍTULO 2. DISPOSITIVOS EXAMINADOS POR IRRADIACIÓN LÁSER. MEMORIAS
SRAM.
- INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 19
- 2.1 DISPOSITIVOS BÁSICOS .................................................................................. 20
- 2.2 DISPOSITIVOS ANALÓGICOS .......................................................................... 21
- 2.3 DISPOSITIVOS DIGITALES ............................................................................... 21
- 2.4 ELECCIÓN DE LAS MEMORIAS SRAM ............................................................ 22

- CAPÍTULO 3. EMULACIÓN DE LA RADIACIÓN CÓSMICA MEDIANTE EL USO DE
LÁSER.
- INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 25
- 3.1 SISTEMA LÁSER DISPONIBLE EN EL CLUR .................................................. 26
3.1.1 Especificaciones del sistema láser ............................................................ 26
i
3.1.2 Descripción del sistema láser .................................................................... 27
- 3.1.2.1 Láser de bombeo del oscilador de femtosegundos ..................... 27
- 3.1.2.2 Oscilador láser de femtosegundos .............................................. 29
- 3.1.2.3 Láser de bombeo del amplificador regenerativo .......................... 29
- 3.1.2.4 Amplificador regenerativo ............................................................ 29
- 3.1.2.5 Amplificador Óptico Paramétrico (OPA) ...................................... 30
- 3.2 CARGA DEPOSITADA ....................................................................................... 30
- 3.3 ABSORCIÓN LINEAL Y NO LINEAL ................................................................. 31
- 3.4 PREPARACIÓN DEL EXPERIMENTO ............................................................... 33
- 3.4.1 Circuito de control de las memorias ........................................................ 33
- 3.4.2 Desencapsulado de las memorias SRAM a radiar .................................. 34
- 3.4.3 Dimensionado de las memorias desencapsuladas .................................. 36
- 3.4.4 Montaje experimental y sistema de adquisición de datos ........................ 37
- 3.4.5 Proceso de irradiación láser del dispositivo ............................................. 43
- 3.5 RESULTADOS EXPERIMENTALES DE IRRADIACIÓN .................................... 45
- 3.5.1 Elección de los parámetros de radiación ................................................. 45
- 3.5.2 Mapa de sensibilidad. Energías umbral ................................................... 46
- 3.5.2.1 Memoria CY. ............................................................................... 48
- 3.5.2.2 Memoria AS ................................................................................ 53
- 3.5.3 Sección eficaz ......................................................................................... 56
- 3.5.3.1 Memoria CY ................................................................................ 57
- 3.5.3.2 Memoria AS ................................................................................ 59
- 3.5.4 Topología. Análisis de MCUs e interleaving ............................................ 61
- 3.5.4.1 Memoria CY ................................................................................ 63
- 3.5.4.2 Memoria AS ................................................................................ 67
- 3.5.4.3 Topología .................................................................................... 70
- 3.6 CONCLUSIÓN .................................................................................................... 71

ii
- CAPÍTULO 4. EFECTO DE LA RADIACIÓN NATURAL.
- INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 73
- 4.1 NUESTRA ATMÓSFERA ................................................................................... 78
- 4.1.1 Radiación ambiental a 10.000 m de altitud .............................................. 80
- 4.2 BANCO DE MEMORIAS DE 350 nm ................................................................. 82
- 4.2.1 Preparación del experimento ................................................................... 82
- 4.2.1.1 Bloque de alimentación ............................................................... 83
- 4.2.1.2 Módulo principal .......................................................................... 83
- 4.2.1.3 Comunicación con el usuario ...................................................... 84
- 4.2.1.4 Flujo del programa ...................................................................... 85
- 4.2.2 Resultados .............................................................................................. 87
- 4.2.3 Conclusión .............................................................................................. 89
- 4.3 BANCO DE MEMORIAS DE 90 nm ................................................................... 89
- 4.3.1 Preparación del experimento ................................................................... 89
- 4.3.2 Resultados. ............................................................................................. 91
- 4.3.3 Conclusión .............................................................................................. 93
- 4.4 EXPERIMENTOS EN GENEPI-2 ........................................................................ 94
- 4.4.1 Preparación del experimento ................................................................... 94
- 4.4.2 Características de la fuente de neutrones GENEPI-2 .............................. 96
- 4.4.3 Resultados .............................................................................................. 99
- 4.5 CONCLUSIÓN .................................................................................................. 100

- CAPÍTULO 5. EFECTO DE LA RADIACIÓN INDUCIDA POR PARTÍCULAS.
- INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 103
- 5.1 LET Y CARGA DEPOSITADA .......................................................................... 104
- 5.2 PREPARACIÓN DEL EXPERIMENTO ............................................................. 106
- 5.2.1 El ciclotrón. Descripción ........................................................................ 106
- 5.2.2 Circuitos de control y placa con las memorias a radiar .......................... 111
iii
- 5.2.3 Procedimiento ....................................................................................... 115
- 5.3 RESULTADOS ................................................................................................. 116
- 5.3.1 Curva de Weibull. Influencia del ángulo de incidencia ........................... 117
- 5.3.2 Dependencia del patrón escrito ............................................................. 125
- 5.3.3 Identificación de errores ........................................................................ 126
- 5.4 CONCLUSIÓN .................................................................................................. 128

- CAPÍTULO 6. COMPARACIÓN DE RESULTADOS.
- INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 131
- 6.1 APROXIMACIÓN DE LA SECCIÓN EFICAZ.................................................... 132
6.1.1 Memoria CY ............................................................................................ 132
6.1.2 Memoria AS ............................................................................................ 135
- 6.2 ANÁLISIS DE LOS EFECTOS DE LA RADIACIÓN CON LÁSER E IONES .... 137
- 6.2.1 Micro latch-up........................................................................................ 137
- 6.2.2 Sensibilidad con respecto al patrón ....................................................... 138
- 6.3 CARGA DEPOSITADA ..................................................................................... 140
- 6.4 CONCLUSIÓN .................................................................................................. 141

- CONCLUSIONES ............................................................................................................ 143

- APÉNDICE 1: TABLAS CORRESPONDIENTES AL ANÁLISIS DE DIRECCIONES DE
LAS MEMORIAS CY Y AS ................................................................................................ 147
- APÉNDICE 2: ERRORES GENERADOS EN LAS MEMORIAS CY Y AS DURANTE LOS
ENSAYOS CON IONES ..................................................................................................... 157
- APÉNDICE 3: NÚMERO DE ERRORES OBTENIDO CON LÁSER PARA DIFERENTES
ZONAS Y ENERGÍAS EN LAS MEMORIAS CY Y AS ...................................................... 161

- BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................... 165
- PUBLICACIONES RELACIONADAS .............................................................................. 181
iv
SUMMARY

Presently, the compatibility of the electronic devices or systems onboard satellites and
space missions with the effects produced by cosmic radiation must be performed by carrying
out experiments using the real radiation. By mean of this experiment, the device is subjected
to radiation, either neutrons or charged particles, and the effect produced in the technology is
studied. However, this entails two drawbacks. The first is the high cost of these experiments,
since an hour at a radiation center costs several thousand of euros. The other problem is that
the results are valid for that particular technology and this particular source of radiation. If
you want to characterize other device or another environment, it is necessary to repeat the
experiment. Faced with these problems, it is proposed as an alternative method of evaluation
the test of electronic devices by laser irradiation.

Specifically, we will focus on the study of these phenomena on memory devices, since
they are often used in space applications, and most of the times they contain critical data.
But not only the abundance of memories does attractive their study, but also their own
technological features. Currently, the memories have a high degree of integration. This
causes that the radiation effect is more apparent, and therefore, the need to study these
effects and possible techniques to avoid it more important.

Trying to identify the behavior of SRAMs under radiation, we present three different
tests:

i) Using a laser as an alternative way of simulating radiation. The aim is to emulate the
errors in semiconductor memories by pulsed laser that acts as an ion. The memories were
tested in a laser facility (CLUR - UCM) in order to obtain a sensitivity map, which allows
identify potential error areas and how many errors occur simultaneously, and other
characteristics as interleaving, type of error, etc. This requires very delicate steps:
decapsulate the memory, design test boards for the circuit under test. The characterization
system is made by mean of two shutters, in order to get the incidence of a single pulse on
the memory. Then, it is necessary to design an acquisition system data, set the energy laser
and laser optical path and automatically controlling the position in the XY plane where the
I