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Analysis of Total ionizing dose effects in 0.35μm CMOS technology transistors
No full textEste trabalho apresenta um estudo sobre a degradação de parâmetros elétricos de transistores CMOS tecnologia 0,35 μm, fabricados com o processo AMS C35B4, devido aos efeitos de dose total ionizante. Os efeitos de dose total são resultado do acúmulo de cargas em estruturas dielétricas de dispositivos semicondutores; em transistores MOS, este acúmulo de carga afeta parâmetros elétricos como a tensão de limiar, subthreshold swing, ruído 1/f, corrente de fuga e mobilidade efetiva dos portadores de carga. Com o objetivo de mensurar o impacto dos efeitos de dose total em transistores CMOS 0,35 μm, foi realizado um ensaio de irradiação, submetendo-se transistores de uma tecnologia comercial à radiação ionizante e realizando a caracterização destes dispositivos para diferentes doses totais acumuladas. Os resultados obtidos indicam a degradação dos transistores devido aos efeitos de dose total, bem como apontam a influência da polarização dos dispositivos durante o ensaio de irradiação nesta degradação. Estes resultados podem ser utilizados para, através de simulação elétrica de circuitos, estimar a tolerância à dose total de uma determinada topologia de circuito ou sistema.This work presents a study on the degradation of electrical parameters of 0,35 μm CMOS transistors, fabricated with an AMS C35B4 process, due to total ionizing dose (TID) effects. The TID effects are the result of the trapping of charges in dielectric structures of semiconductor devices; in MOS transistors, this charge trapping affects electrical parameters such as threshold voltage, subthreshold swing, 1/f noise, leakage current and carrier effective mobility. In order to measure the impact of TID effects on electrical parameters of 0,35μm CMOS transistors, an irradiation test was performed, exposing transistors from a commercial technology to ionizing radiation and characterizing these devices under different total doses. The results obtained in this work indicate transistor degradation due to TID effects, as well as the impact of device polarization during the irradiation test on transistor degradation. These results may be used, through electrical simulation of circuits, to estimate the impact of TID effects on the operation of a circuit or system
Estudo e simulação de ruído em circuitos e dispositivos MOS
Get PDFA redução das dimensões dos dispositivos semicondutores para escalas submicrométricas impõe diversos desafios no projeto de circuitos integrados. O impacto das variações intrínsecas afetando parâmetros elétricos cresce em importância à medida que a área dos dispositivos adentra a faixa nanométrica. Dentre essas variações estão flutuações nas tensões e correntes de terminal causadas pelas diferentes formas de ruído intrínseco dos dispositivos MOS. Este trabalho apresenta um estudo sobre o impacto do ruído elétrico no desempenho de circuitos MOS. Um novo modelo para simulação do Random Telegraph Signal (RTS) no domínio do tempo é utilizado. Uma metodologia de simulação para contabilizar o ruído térmico em simulações transientes também é proposta. A partir desses modelos de simulação de dispositivos, o trabalho de pesquisa analisa o impacto da variabilidade de parâmetros elétricos em nível de circuito. As simulações focam na caracterização da pureza espectral em osciladores em anel de sinal diferencial. Diversas topologias são apresentadas e posteriormente comparadas em termos do jitter no período de oscilação.The shrinking of semiconductors devices dimensions to submicron scales introduces many challenges in integrated circuit design. The impact of intrinsic variability affecting electrical parameters increases in importance as transistors enter the nanometric range. Among these variations are fluctuations in terminal voltages and currents caused by different forms of intrinsic noise of MOS devices A new model for Random Telegraph Signal (RTS) simulation in time-domain is utilized. A simulation methodology to account for thermal noise effects in transient simulations is also proposed. Using these simulation models, this research work analyses the impact of electrical noise at circuit level. The simulations focus on the characterization of spectral purity in differential ring oscillators. Different topologies are presented and compared in terms of jitter in the period of oscillation
Sensor de corrente transiente para detecção do SET com célula de memória dinâmica
Get PDFEsta dissertação trata do projeto e avaliação de um novo circuito sensor de corrente com célula de memória dinâmica para a detecção de correntes transientes em circuitos integrados CMOS, provocadas pela incidência de partículas ionizantes. As propostas previamente existentes na literatura são avaliadas e suas deficiências são apontadas. É apresentada a topologia e o modo de funcionamento do novo circuito, juntamente com o detalhamento do projeto das versões destinadas à monitoração dos transistores PMOS e NMOS. É apresentado o layout do circuito final em tecnologia 130 nm, destinado à prototipação pelo programa MOSIS, contendo os sensores, os transistores-alvo, os estágios de saída e os circuitos de proteção contra os efeitos da eletricidade estática necessários. Os resultados obtidos através de simulação mostram que o novo circuito proporciona uma redução na área de silício necessária para a implementação, bem como um menor consumo de corrente quiescente em relação às propostas anteriores.This dissertation deals with the design and evaluation of a new current sensor circuit with dynamic memory cell intended to detect transient currents caused by incidence of ionizing particles in CMOS integrated circuits. Circuits previously proposed are analyzed and their drawbacks are pointed out. The new circuit topology and working principle is presented, along with the detailed design of the versions intended to monitoring PMOS and NMOS transistors. The final circuit is laid out in a 130 nm technology, intended to be prototyped through the MOSIS program. The complete design contains the sensor circuits, target transistors, output stages and electrostatic discharge protection circuitry. Results obtained by post layout simulation shown that the new circuit provides a reduction on silicon area and a smaller quiescent current consumption compared to previous circuits
Estudo da histerese em transistores de filmes finos de nanopartículas de Óxido de Zinco
No full textNas últimas décadas, o interesse na eletrônica flexível tem aumentado. Sistemas que apresentam benefícios, tais como: baixo custo, melhor desempenho, transparência, confiabilidade e melhores credenciais ecológicas, estão sendo extensivamente pesquisados por vários grupos. Os transistores de filmes-finos possuem potencial para alcançarem essas características. Dispositivos baseados em óxido de zinco (ZnO) tem atraído pesquisadores devido as suas propriedades elétricas, sensoriais e ópticas. Neste trabalho, nanopartículas de ZnO foram utilizadas como semicondutor ativo e cross-linked PVP (polivinilfenol) e PECVD-SiO2 (plasma enhanced chemical vapor deposition silicon dioxide) como dielétricos de porta para integrar transistores de filmes-finos. Este processo de integração tem por objetivo os pré-requisitos de baixo custo e baixa temperatura (<200°C). Por esta razão, a utilização de técnicas de integração simples, como o spin-coating ou a técnica de sidewall-etchback, foram utilizadas. Infelizmente, existem problemas relacionados à confiabilidade em dispositivos baseados em ZnO, entre eles a degradação no tempo ou a histerese. Após uma investigação experimental da histerese na característica de transferência, um modelo qualitativo para o comportamento observado é proposto. Observou-se que a direção da histerese é afetada pela variação da temperatura quando o dielétrico polimérico é usado. Baseando-se na caracterização dos transistores, a polarização do PVP, as armadilhas na superfície das nanopartículas e na interface com o dielétrico, bem como a liberação de moléculas de oxigênio da superfície das nanopartículas foram atribuídas como as principais causas da histerese. Além disso, uma flutuação discreta da corrente é observada em testes de estresse devido à captura e liberação de portadores em determinados caminhos de corrente no transistor, semelhante a random telegraph signal (RTS), relatado em MOSFET nanométricos. Este resultado suporta o hipotético mecanismo de transporte de elétrons (caminhos de percolação) em filmes compostos por ZnO nanoparticulado.During the last decades, the interest in flexible electronics has arisen. Systems that present benefits such as low cost, improved performance, transparency, reliability and better environmental credential are being extensively researched by several groups. Thin-film transistors (TFT) have good potential concerning these technologies. Therefore, zinc oxide (ZnO) based devices have been attracting researchers for its electrical, sensory and optical properties. In this work, ZnO nanoparticles were used to integrate thin-film transistors, in which cross-linked PVP (Poly(4-vinylphenol)) and PECVD-SiO2 (plasma enhanced chemical vapor deposition silicon dioxide) were used as gate dielectric layer. The complete integration process targets low cost and low temperature requirements (< 200°C). For this reason, simple process techniques as spin-coating or sidewall-etchback were used. Unfortunately, there are different reliability concerns in ZnO devices, among them aging or hysteresis. An experimental investigation of the hysteresis in the transfer characteristic is performed, and a qualitative model for the observed behavior is proposed. It was observed that the hysteresis direction is affected by temperature variation when the polymeric dielectric is used. The PVP bulk polarization, the traps in nanoparticles and at the polymeric dielectric interface, as well as the desorption of oxygen molecules in the surface of the nanoparticles, were attributed as the main cause of the hysteretic behavior. Moreover, capture and release of charge carriers by traps at determined current paths in the transistor lead to discrete current fluctuations in stress tests, similar to random telegraph signal (RTS) reported in nanoscale MOSFET. This result supports the hypothesis of charge transport mechanism (percolation paths) in nanoparticulate ZnO
Metodologia de análise da variabilidade em FPGA
Get PDFEste trabalho visa propor uma metodologia de análise da variabilidade do tempo de atraso de propagação no FPGA. Para alcançar esse objetivo são utilizados três circuitos diferentes: o circuito 1 mede a diferença de atrasos de dois circuitos, o circuito 2 identifica o atraso menor de dois circuitos e, por fim, o terceiro circuito que consiste do oscilador em anel. Cada circuito foi avaliado individualmente numa estrutura BIST, implementada nos FPGA XC3S200-FT256 e EP2C35F672C6. Os métodos utilizados para análise dos dados foram a média móvel, o plano de mínimos quadrados e o teste t-student. A metodologia permitiu mostrar a variabilidade within-die e suas componentes sistêmica e randômica.This work aims to propose a methodology of analysis of variability of propagation-delay time in FPGA. To achieve this goal three different circuits are implemented: the circuit 1 measures the delay difference of two logic paths, the circuit 2 identifies smallest delay of two logic paths, and finally the third circuit consists of a ring oscillator. Each circuit has been assessed individually in a BIST structure, implemented in FPGAs XC3S200-FT256 and EP2C35F672C6. The methods used for data analysis were the moving average, least-squares plane and the t-student test. The methodology has allowed to evaluate the within-die variability and its systemic and random components
Simulação elétrica do efeito de dose total em células de memória estática (SRAM)
Get PDFNesta dissertação é apresentado o estudo da célula SRAM estática de 6 transistores, com tecnologia CMOS, sendo utilizada em ambiente exposto à radiação. Foi verificado, através de simulação com o Hspice (HSPICE, 2009; KIME, 1998) e com a análise de Monte Carlo, o seu comportamento com relação à dose de ionização total (Total Ionization Dose, TID), a qual altera a tensão de limiar (threshold voltage, Vth) e a corrente de fuga, não sendo utilizada nenhuma técnica de fabricação especial para tolerância à radiação. Na simulação foi observado o comportamento da célula com relação ao tempo de atraso de escrita, à margem de ruído de leitura e ao consumo de energia. As simulações incluem as tecnologias de 130nm e 350nm sendo, portanto, possível comparar os efeitos de radiação citados em ambas, para verificar qual é a mais naturalmente resistente a radiação, verificando se está coerente com resultados divulgados na literatura. Para simular o efeito de dose, altera-se a tensão de limiar (threshold voltage, Vth) com a análise de Monte Carlo e, para a corrente de fuga, adiciona-se uma fonte de corrente entre o dreno e fonte de cada transistor. Os valores de Vth e corrente de fuga foram obtidos nas referências (HAUGERUD, 2005) para a tecnologia 130nm e (LACOE, 1998) para a tecnologia 350 nm. As simulações mostram que o comportamento foi coerente com resultados já conhecidos, em que a tecnologia mais antiga (350nm) tem alterações mais significativas do que a tecnologia mais atual, em relação à TID.This work presents the study of the static RAM (SRAM) cell with 6 transistor, using CMOS technology, under radiation environment. The electrical behavior of the cell is evaluated using SPICE simulation (HSPICE, 2009; KIME, 1998) and applying Monte Carlo analysis. The effect of total ionization dose is analyzed through the modeling of threshold voltage shifts and leakage currents. The case study processes of this work do not use any special fabrication steps to make the circuit tolerant to radiation. The behavior of the cell related to write propagation time, read noise margin and energy consumption is evaluated through scripts written to support the simulation campaign. The simulations were performed for both 130nm and 350nm technologies, making possible to compare which one is more resistant to radiation. To further explore the dose effect in the case where the radiation does not affect all transistors in exactly the same way, the threshold voltage (Vth) of the transistors is varied randomly in the Monte Carlo analysis. To consider the leakage current, it is added a current source between drain and source of each transistor. The values of Vth and leakage current were obtained in reference (HAUGERUD, 2005) for the 130nm and in reference (LACOE, 1998) for the 350nm technology. The simulations show that the behavior was consistent with results already known, in which the older technology (350nm) is more significant changes then the most current technology, for the TID
Projeto de um amplificador operacional cmos de dois estágios e simulação elétrica do efeito de dose total
Get PDFEste trabalho tem o objetivo de, inicialmente, fazer uma análise das fontes de radiação relevantes para aplicações de circuitos integrados em ambientes aeroespaciais. Em seguida se discute o efeito da radiação ionizante sobre estes circuitos integrados. Para o estudo do caso foi realizado o projeto de um amplificador operacional de dois estágios para as tecnologias de 350nm e 130nm, no qual foi testado, através de simulação elétrica, o efeito de dose ionizante total, verificando seu impacto sobre o desempenho destes. O efeito da dose total foi testado inicialmente de maneira simples, alterando-se os valores da tensão de limiar (VTh), bem como adicionada corrente de fuga em cada transistor, para o valor de radiação testado, conforme dados disponíveis na literatura. Em seguida foi realizada a análise de pequenos sinais para ambos os amplificadores, com o objetivo de verificar a degradação de desempenho. Em um segundo momento se repetiu a análise de pequenos sinais, porém juntamente com a análise de Monte Carlo, também em ambos os amplificadores. A análise de Monte Carlo permitiu verificar o comportamento do amplificador no caso em que há uma componente aleatória no impacto da radiação sobre o desempenho do circuito. Isto é, a situação em que os parâmetros dos transistores não são afetados (alterados) de maneira idêntica. Por fim, através da simulação elétrica, foi possível identificar as partes do amplificador operacional mais sensíveis à radiação, relacionando as com o descasamento dos transistores casados devido a radiação.This work aims at, initially, make a brief review on the main radiation sources of relevance for integrated circuits operating in aero-space environments. The effect of ionizing radiation on MOS devices is also discussed. The design of a two stages operational amplifier of 350nm and 130nm technology is also performed. The response of the operational amplifier to total ionizing dose (TID) will be evaluated trough electric simulation. This effect will be initially evaluated in a simple way, that is, changing its threshold voltage (Vth) values and adding a leakage current in each transistor, according to the data found in the literature. Then the small signal analyses of is performed in both amplifiers, in order to evaluate the performance degradation. In a second moment the small signal analyses is repeated but now in the context of Monte Carlo simulations, in order to evaluate the situation in which the radiation does not change the parameters of all transistors by exactly the same amount. Finally, further electrical simulations are performed in order to identify the components of the operational amplifier that are most sensitive to radiation relating to the mismatch of transistors married due to radiation
Modeling and characterization of the propagation of transient pulses caused by ionizing radiation
No full textA propagação de eventos transientes na lógica combinacional é estudada através da simulação elétrica do circuito, utilizando-se o simulador Hspice. Uma das fontes de falhas transientes é o pulso transiente causado por partículas ionizantes que atingem o circuito. O estudo é centrado nas propriedades de mascaramento elétrico das portas lógicas. Estuda-se a propagação do pulso transiente através de cada estágio da lógica até que alcance um elemento da memória. A partir do estudo das propriedades de mascaramento elétrico, propõe-se um modelo simples para a degradação e ampliação de um pulso transiente enquanto este é propagado através de uma cadeia de portas lógicas. O modelo considera as propriedades elétricas das portas, utilizando como parâmetro principal da modelagem o tempo de propagação (atraso) da porta lógica. O modelo é computacionalmente eficiente e adequado para implementação em ferramentas de auxilio de projeto automatizadas, como ferramentas de timing analysis. A ferramenta timing analysis poderia então executar um algoritmo para percorrer todos os nós de um circuito, determinando os nós mais sensíveis, ajudando a estimar e reduzir a taxa de falhas transientes do circuito. Visando no futuro, testar o modelo e o comportamento de circuitos combinacional sobre efeito de partículas radioativas, foram estudadas algumas arquiteturas existentes capazes de medir a largura dos pulsos transientes nos circuitos combinacionais on-chip, para compararmos com o modelo analítico proposto e os comportamentos elétricos obtidos através de simulação Hspice.Single Event Transients in Combinatorial Logic are studied using spice-level circuit simulation. The study is centered on the electrical masking properties of the gates. The propagation of the transient through each stage of logic until it reaches a memory element is characterized. Both duration and amplitude of the transient pulse are attenuated as it propagates through the logic gates. A simple, first order model for the degradation of a transient pulse as it is propagated through a chain of logic gates is proposed. The model considers the electrical properties of the logic gates through which the pulse propagates. The model is computationally efficient and intended to be implemented in a timing analysis tool. The timing analysis tool could then implement an algorithm to traverse all circuit nodes, determining the most sensitive nodes, helping to estimate and reduce the soft error failure rate of the whole circuit. Aiming at the future, test the model and the behavior of combinatorial circuits effect on radioactive particles, was studied some existing architectures capable of measuring the width of transient pulses in combinatorial circuits on-chip, to compare with the proposed analytical model and the electrical behaviors obtained by Hspice simulation
Análises dos transistores de porta flutuante : modelamento e impacto do efeito de doses total ionizante
Get PDFNesta dissertação é apresentado o estudo dos transistores de porta flutuante (Floating Gate Transistor - FG Transistor), sua modelagem, e a análise do efeito da dose de ionização total (Total Ionizing Dose- TID) sobre os transistores FG. Para isto foi procurado e implementado um modelo de simulação elétrica do transistor FG em condições de leitura (análise DC), baseado no cálculo quantitativo da tensão na porta flutuante em função das tensões nos terminais do transistor, no valor de carga armazenado na porta flutuante e nos coeficientes de acoplamento capacitivo que apresentam este tipo de dispositivos. Para a análise do efeito TID, a tensão limiar do transistor MOS foi variada usando o método de simulação Monte Carlo, tendo em conta as variações da tensão limiar que apresentam os transistores FG submetidos na radiação ionizante. O estudo obteve como resultado a confirmação da perda de carga do FG à medida que é incrementada a dose de radiação, o que implica uma alteração na característica de retenção de carga que caracteriza as células de memórias não voláteis (Non Volatile Memory - NVM).In this dissertation work, a study of the the floating gate Transistor (FG transistor) performed. The focus in the electrical modeling, and the analysis of the impact of the Total Ionizing Dose (TID) on the electrical performance of the device. Aiming electrical level simulation, different electric simulation models for the FG transistor in read conditions (DC analysis) were evaluated and the model best suited for implementation into the simulation tool was selected. The selected model is based on Floating Gate voltage calculation as a function of polarization voltage of the FG transistor terminals, the stored charge value in the Floating Gate and the capacitive coupling coefficient presented by this device. For the TID analysis the threshold voltage of the MOS transistor was shifted by means of a Monte Carlo simulation method, considering the threshold voltage variations when the FG transistor is subjected to the ionizing radiation.The analysis lead to the confirmation that the loss charge stored in the FG increases with the radiation dose, affecting the retention characteristics of the memory cells
Analysis of total ionizing dose effects in CMOS analog circuits
No full textEste trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento de circuitos analógicos CMOS quando sujeitos aos efeitos de dose total ionizante. Os efeitos de dose total são resultado da interação entre a radiação ionizante e as camadas dielétricas dos dispositivos semicondutores, provocando o acúmulo de cargas nestas estruturas e a degradação dos parâmetros elétricos dos dispositivos. Com o objetivo de mensurar estes efeitos em circuitos analógicos CMOS, realizou-se um ensaio de irradiação, submetendo-os à incidência de radiação ionizante – proveniente de uma fonte 60Co – até a acumulação de 490 krad de dose. Como objeto de estudo, foram utilizadas sete referências de tensão, um regulador de tensão e uma fonte de corrente, fabricados em tecnologia CMOS de 130 nm (IBM CM8RF). Os resultados obtidos demonstram a degradação do desempenho destes circuitos em virtude dos efeitos de dose total, apontando também, diferentes níveis de sensibilidade entre as topologias utilizadas. Tais resultados obtidos podem ser utilizados para o estudo de técnicas de tolerância aos efeitos de dose total para as diferentes topologias analisadas.This work presents a study on the behavior of CMOS analog circuits when subjected to total ionizing dose effects. The effects of total dose are the result of interaction between the ionizing radiation and the dielectric layers of semiconductor devices, causing charge buildup in these structures and affecting electrical parameters of the devices. In order to measure these effects in CMOS analog circuits, an irradiation test was performed, subjecting these circuits to the incidence of ionizing radiation – from a 60Co source – up to 490 krad of dose. Several circuits were employed as object of this study, including seven voltage references, one voltage regulator, and one current source, all fabricated in a CMOS 130 nm technology (IBM CM8RF). The obtained results demonstrated a performance degradation of these circuits due to total dose effects, showing different levels of sensitivity for the employed topologies. These results can be used for the research on tolerance techniques for total dose effects in the different topologies analyzed
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