La tesi doctoral de Daniel Malagón Periánez s'ha desenvolupat a la Universitat de les Illes Balears, el Centre Nacional d'Acceleradors de Sevilla i el CERN de Ginebra 

Al món científic civil, l'enginyeria electrònica va romandre aliena al fenomen d'interacció de radiació en sistemes electrònics fins a la confirmació de la radiació de l'espai. Durant l'era espacial, i a causa de l'ampli ús d'activitats tecnològiques a la ionosfera terrestre i a l'espai exterior, la importància de les fallades provocades per la radiació en l'electrònica va anar augmentant. L'exploració i explotació d'aquests entorns exigeix l'ús de l'electrònica en els seus múltiples vessants, tant en dispositius analògics com en dispositius digitals.

En les últimes dècades, la tecnologia ha experimentat una evolució constant. S'ha produït un escalat tecnològic que permet el disseny i implementació de sistemes més ràpids, més complexos i compactes mitjançant el desenvolupament de tecnologies microelectròniques i nanomètriques. Els efectes de la radiació ionitzant ja no són un problema específic exclusivament relacionat amb aplicacions espacials o aviònica, i s'han convertit en una preocupació important per a la fiabilitat dels dispositius electrònics emergents.

Aquest escalat afecta aspectes que tenen com a efecte col·lateral un augment en la probabilitat que una partícula ionitzant pugui generar la càrrega elèctrica suficient per induir efectes transitoris que afectin el correcte funcionament de circuits electrònics i causar els anomenats Single Event Effects (SEE). Aquests SEE es poden dividir en els anomenats Single Event Upsets (SEU), si produeixen un canvi en l'estat lògic d'un element de memòria, i els anomenats Single Event Transients (SET), si es genera un canvi transitori en el voltatge en un o més nusos d'un circuit combinacional.

Qualsevol partícula ionitzant present a l'ambient de treball d'un circuit pot causar un SEE. Amb l'objectiu de fer un estudi en dispositius tant digitals com analògics, en la tesi doctoral de Daniel Malagón Periánez, defensada a la Universitat de les Illes Balears, es varen usar diferents memòries SRAM com a dispositiu digital i un modulador ΣΔ com a dispositiu analògic per fer un estudi dels efectes de la radiació segons els diferents principis d'operació dels dispositius analògics i digitals.

Les memòries SRAM són elements presents en molts de sistemes electrònics. A més, les dimensions dels dispositius que formen les cel·les SRAM han disminuït en cada generació tecnològica, i el nombre de cel·les utilitzades ha augmentat a un ritme encara més gran. La creixent demanda de memòries en els sistemes complexos en xips ha provocat que una gran part de l'àrea de silici estigui dedicada a les memòries SRAM, per tant, la confiabilitat del sistema depèn en gran manera d'aquests mòduls.

D'altra banda, els convertidors analògic-digital (A/D) són gairebé omnipresents en els sistemes moderns, ja que es requereixen per transformar els senyals del món analògic al domini de processament digital. Això és així tant per als productes electrònics de consum com per a les aplicacions espacials. Qualsevol instrument científic requereix en algun moment un convertidor A/D com ara un modulador ΣΔ. A més, el nombre d'estudis sobre aquest tipus de sistemes sota els efectes de la radiació és gairebé inexistent en la literatura.

La tesi doctoral de Daniel Malagón s'ha centrat en l'estudi de SEU en dos dissenys diferents de cel·les SRAM, i destaca un estudi comparatiu entre les cel·les de grandària mínima amb sis transistors (6T) i amb vuit transistors (8T).

El treball mostra els resultats de l'exposició de les SRAM a diferents entorns operatius com ara una font alfa (experiment realitzat a la Universitat de les Illes Balears); una font de protons (realitzat al Centre Nacional d'Acceleradors, CNA, a Sevilla); una font de neutrons (també al CNA); i un camp mixt d'alta energia (realitzat al Consell Europeu per a la Recerca Nuclear, CERN, Ginebra, Suïssa), aquest darrer es caracteritza perquè conté espectres de partícules més energètiques (fins als GeV) i un conjunt més ampli d'espècies de partícules, incloent pions carregats.

També s'han estudiat els problemes d'estabilitat dels convertidors analògic-digital (A/D) causats per esdeveniments transitoris usant un disseny de modulador ΣΔ, per calcular si, per a nivells raonables de càrrega induïda, la inestabilitat pot ser activada per un SET.

D'una banda, als moduladors ΣΔ es va observar que la inestabilitat pot ser provocada per SET, i es conclou que una altra arquitectura ADC sense retroalimentació només produiria errors transitoris i després es recuperaria sota condicions similars. A més, la recerca va concloure que hauria de dissenyar-se aquest tipus de sistemes, si és possible, afegint algun tipus de circuit auxiliar que detectàs inestabilitat per detectar i reiniciar el dispositiu, si fos necessari.

Com que avui dia s'ha convertit en crucial la disponibilitat de nous dispositius que permetin la possibilitat de detectar partícules en una gamma més àmplia de camps de radiació, per exemple, en entorns sotmesos a alts nivells de radiació com els entorns de física d'alta energia, els resultats de l'exposició a diferents partícules de les memòries SRAM són interessants i nous quant al fet que proposen una possible substitució o afegit de SRAM com a detectors en LHC a causa d'una resolució fins a quatre vegades les memòries usades actualment a les instal·lacions.

En els resultats de l'exposició a radiació de les memòries SRAM al treball de Daniel Malagón s'observa una funcionalitat després de 120 krad, nivells de radiació per sobre dels exposats com a funcionals en altres treballs realitzats pel CERN per a memòries en tecnologies similars, dada de la qual es dedueix una robustesa més gran del disseny proporcionat per la UIB per a aquests casos.

No es varen detectar alteracions en els experiments de radiació realitzats amb neutrons de baixa energia (~30 keV), que són capaços d'interactuar amb els àtoms de Bor-10, normalment present als encapsulatges dels circuits, per la qual cosa es dedueix que les tècniques de fabricació d'encapsulatges actuals els fabriquen amb uns nivells molt baixos d'aquests elements.

A més, es conclou que les SRAM podrien usar-se com a detectors de neutrons, i que la combinació de 6T i 8T podria usar-se com a identificador d'altes i baixes en energies en camps mixtos indefinits, a causa de la identificació d'errors múltiples observats, coneguts com a Multiple Bit Upsets (MBU).

Fitxa de la tesi doctoral

• Títol: A Contribution to the Characterization of Radiation-induced Soft Errors in Sigma-Delta Modulators and SRAM Memories
• Autor: Daniel Malagón Periánez
• Programa de doctorat: Enginyeria Electrònica
• Directors: Sebastià A. Bota Ferragut i Gabriel Torrens Caldentey 

Data de publicació: 20/09/2018