CIRCUITOS RESISTENTES À RADIAÇÃO
Imageadores APS para Aplicações Espaciais
Pesquisa realizada no Laboratório de Projeto de
Circuitos da COPPE – UFRJ
Antonio C. de Mesquita
São José dos Campos, SP
Sumário
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
10/11/2009
Introdução
Efeitos da Radiação – TID
Técnicas de Projeto
Histórico dos Circuitos Fabricados
Caracterização Elétrica
Resultados
Conclusões
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Introdução
Sensores de Pixel Ativo (APS)
“The CMOS active pixel sensor (APS) is a second generation solid state sensor technology, invented
and developed at JPL.
The goal is the development of a "camera on a chip," which would have a full digital interface.
Only digital power signals and power are input to the chip and only digital data is transmitted off
chip
Miniaturization and simplification of the sensor electronics has high leverage for reducing system
mass, volume and power
A complete imaging system would only require optics, a power supply, a CMOS APS imaging
array with on-chip ADC and a microprocessor to upload the instructions to the imager and
download the image data.
The performance of this technology is comparable to charge-coupled devices (CCDs)”
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Introdução
Aplicações dos Dispositivos APS
Visão computacional e aplicações automotivas
Integração, versatilidade de leitura (Smart Pixels), maior velocidade de
processamento da imagem
Aplicações científicas e biomédicas
Compactação, baixo consumo
Câmeras digitais e aplicações móveis
Baixo consumo, versatilidade de leitura, possibilidade de funções de compressão
de imagem on-chip
Monitoramento e segurança
Baixo consumo, versatilidade de leitura, possibilidade de integração de funções
de tomada de decisão
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Introdução
Aplicações dos Dispositivos APS
Aplicações espaciais
Plataforma
de atitude de satélites:
Sensor de estrelas (Star Tracker) baseado no campo estelar.
Tolerância à radiação
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Efeitos da Radiação
Radiação Ionizante – Dose Ionizante Total (TID)
Variação de
VTH
Corrente
de fuga
Tecnologia 0,6 µm
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Efeitos da Radiação
Radiação Ionizante – Dose Ionizante Total (TID)
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Inversão da polaridade do substrato
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Efeitos da Radiação
Outros efeitos
Danos por deslocamento
Colisões com partículas incidentes deslocam os átomos da malha cristalina para
fora da sua posição normal.
Degradam o tempo de vida dos portadores minoritários, o ganho e as correntes de
fuga nos transistores bipolares.
SEU (Single -Event Upset) Produção de impulsos de carga por partículas que atingem o semicondutor.
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Recuperáveis – mudança de um bit em uma porta lógica.
Não recuperáveis – Latchup (SEL), falhas de hardware (SHE), ruptura de
porta/”queima” (SEGR/SEB)
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Técnicas de Projeto
Três níveis onde é possível melhorar a tolerância à radiação:
1. Processo de fabricação - caro
2. Projeto físico – layout – efetivo para TID
3. Projeto arquitetura – SEU, SEL
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Técnicas de Projeto
Técnicas de layout sugeridas na literatura
P. Gonthier-Martin et al., “Evaluation of Radiation Hardness Design Techniques to Improve Radiation
Tolerance for CMOS Image Sensors Dedicated to Space Applications – AMICSA 2006
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Exemplos da Literatura
N. Scheidegger, H. Shea, E. Charbon e E. Rugi-Grond “Low Cost Earth Sensor based on Oxygen Airglow Final Report”, ESA Contract #20267/06/NL/JA EPFL, Lausanne, Switzerland, June 2008.
10/11/2009
P. Gonthier-Martin et al., “Evaluation of Radiation
Hardness Design Techniques to Improve Radiation
Tolerance for CMOS Image Sensors Dedicated to Space
Applications – AMICSA 2006
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Técnicas de Projeto
Técnicas usadas no LPC
Transistor “dogbone”
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Técnicas de Projeto
ELT vs Dogbone
ELT - assimétrico
DB – simétrico
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Exemplos de Células usando Transistores Dogbone
Porta AND3
(NAND+INV)
Detalhe de um transistor dogbone usado
na extração de parâmetros de modelo de
simulação
Matriz de transistores para extração de parâmetros do modelo EKV
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Técnicas de Projeto
Técnicas usadas no LPC
Anéis de isolamento
Usados para eliminar as correntes de fuga
entre transistores produzidas pela
inversão do substrato abaixo do óxido de
campo.
Entre regiões de difusão N+/ P+
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Espaçador de polisílicio sobre óxido
fino.
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Técnicas de Projeto
Técnicas usadas no LPC
Anéis de isolamento
Usados para eliminar as correntes de
fuga entre Poço-N e difusão P+
Porta AND3
Fotodiodo NWD
(N-Well Diode)
com anel de guarda
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Técnicas de Projeto
Exemplos de blocos funcionais Rad-Hard
Seletor de linha 4bits
Buffer duplo
Variantes de pixel
1 NWD
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4 NWD
Junção rasa ND
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Histórico dos Circuitos Fabricados
APS 1
Tecnologia AMS
(AustriaMicrosystems) 0,6 µm
Objetivo caracterização eletro-óptica
61 Pads
UNIESPAÇO – 2002/04
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Histórico dos Circuitos Fabricados
APS 2
Tecnologia AMS C35 (0,35 µm)
Objetivo caracterização eletro-óptica
Toda a eletrônica (analógica e digital) é
RH
68 Pads
UNIESPAÇO – 2004/06
10/11/2009
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Histórico dos Circuitos Fabricados
APS 3
Tecnologia AMS C35 (0,35 mm)
Objetivo: Protótipo operacional
Apenas o fotodiodo é RH
Estrutura interna
10/11/2009
UNIESPAÇO – 2004/06
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Histórico dos Circuitos Fabricados
APS4 - Digital
Tecnologia AMS C35 (0,35 mm)
Objetivo: APS Digital
Apenas o fotodiodo é RH
Estrutura interna
10/11/2009
UNIESPAÇO – 2007/09
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Histórico dos Circuitos Fabricados
APS 4 – Digital
Nova arquitetura da eletrônica de leitura com faixa dinâmica estendida
Esquema conceitual
Implementação prática
Faixa dinâmica e limites mínimos e máximos para a leitura da fotocorrente e faixa
dinâmica.
D. Stoppa, A. Simoni, and A. Baschirotto, “A 120-dB Dynamic Range CMOS Image Sensor with Programmable Power Responsivity,” Solid-State
Circuits Conference, 2006. ESSCIRC 2006. Proceedings of the 32nd European, 2006, pp. 420-423.
Caracterização Elétrica
Extração dos parâmetros do modelo EKV (ENZ-KRUMMENACHER VITTOZ)
A extração de parâmetros envolve o projeto e fabricação de estruturas de teste
específicas contendo transistores convencionais e resistentes à radiação com
dimensões especificadas pelos procedimentos de extração.
Matrizes
de transistores convencionais e
resistentes à radiação utilizadas na extração
de parâmetros de simulação
Transistores convencionais
Transistores RH
Esquemático
ENZ, C. C., KRUMMENACHER, F., VITTOZ, E. A., 1995, “An Analytical MOS Transistor Model Valid in All
Regions of Operation and Dedicated to Low-Voltage and Low-Current Applications”, Analog Integrated Circuits and
Signal Processing, n. 8, pp. 83-114, July
Caracterização Elétrica
Procedimento utilizado na
extração de parâmetros
1.
Extração de parâmetros do modelo
EKV a partir de curvas medidas de
transistores
convencionais
e
resistentes à radiação não irradiados
e comparação com as curvas
medidas.
2.
Irradiação dos transistores e
extração dos parâmetros EKV em
função das doses utilizadas segundo
o procedimento mostrado na figura.
Caracterização Elétrica
Seção transversal e símbolo de um transistor
MOS
Tensões
nos terminais do dispositivo
referidas ao substrato
Parâmetros de extração do modelo EKV
Caracterização Elétrica
Resistência à radiação
Log ID [A]
25 x 25 µ m
26, 8 x 25 µ m
1,00E-03
1,00E-04
1,00E-05
Log ID [A]
1,00E-06
1,00E-07
1,00E-08
1,00E-09
1,00E-10
Co60
Fonte de
do Laboratório de
Instrumentação Nuclear - LIM da COPPEUFRJ usada nas caracterizações
1,00E-11
0,00
0,30
0,60
0,90
1,20
1,50
1,80
2,10
2,40
2,70
3,00
3,30
0 Krad
500 Krad
Tecnologia 0,35 µm
10/11/2009
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Caracterização Elétrica
Ambiente desenvolvido para a extração de parâmetros
Resultados
Curvas medidas e simuladas de um transistor
convencional “grande” – 16 x 16 µm
Efeito da radiação em um transistor
convencional “grande” – 25 x 25 µm
10/11/2009
Curvas medidas e simuladas de um
transistor RH grande – 26.8 x 25 µm.
Efeito da radiação em um transistor RH
“grande” – 26.8 x 25 µm
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Conclusão
1. Quatro circuitos fabricados ao longo de sete anos gerando a produção de seis teses de
mestrado e 1 de doutorado.
2. Estabelecimento de alguns procedimentos iniciais de caracterização elétrica e teste de
estruturas resistentes à radiação.
3. Estabelecimento de metodologias de projeto físico (layout) de componentes de
estruturas resistentes aos efeitos de TID.
4. Proposição de novas arquiteturas inovadoras para sensores com faixa dinâmica
estendida.
Conclusão
Publicações:
1.
Leo H. C. Braga, Suzana Domingues, J. A Gomes, A. Mesquita, A Signal to Noise Ratio Comparison of High Dynamic
Range CMOS Image Sensors, Proceedings of SPIE Conference Optical Sensors 2009, Vol. 7356-19, 1 -10, Apr. 2009.
2.
Estêvão C. Teixeira, Antônio C. Mesquita, Circuito de Leitura para Sensor de Pixel Ativo com Faixa Dinâmica Estendida,
Anais do XVII Congresso Brasileiro de Automática, Juiz de Fora, MG, 2008
3.
4.
Braga, Leo H. C. ; Domingues, Suzana ; Rocha, Milton F. ; Sá, Leonardo B. ; Campos, Fernando S. ; Santos, Filipe V. ;
Mesquita, Antonio C. ; Silva, Mário V. ; Swart, Jacobus W. , Layout Techniques for Radiation Hardening of Standard
CMOS Active Pixel Sensors. Analog Integrated Circuits and Signal Processing, Springer Netherlands, ISSN0925-1030
1573-1979, Vol. 57, N. 1-2, Nov. 2008.
5.
Braga, Leo H. C. ; Domingues, Suzana ; Rocha, Milton F. ; Sá, Leonardo Bruno de ; Santos, F. V. ; Mesquita, A. ; Silva,
Mário V. ; Campos, F. ; Swart, J. V. . Layout Techniques for Radiation Hardening of Standard CMOS Active Pixel
Sensors. In: 20th Conference on Integrated Circuits and Systems Design, 2007, Rio de Janeiro. Proceedings of the 20th
Annual Conference on Integrated Circuits and Systems Design. New York : The Association for Computing Machinery,
2007.
v.
1.
p.
257-263.
6.
Silva, V. C. ; Dornelles, L. T. ; Canazio, P. P. L. M. ; Santos, F. V. ; Mesquita, Antonio . Radiation-tolerant CMOS APS.
In: Simpósio Brasileiro de Microeletrônica-SBMicro, 2004, Porto de Galinhas. Microelectronics Technology and Devices
SBMICRO 2004, 2004. v. 1. p. 195-200