La resistencia a la radiación es el acto de fabricar componentes electrónicos y sistemas resistentes a daños o funcionamientos erróneos causados por la radiación ionizante (radiación de partículas y electromagnética de alta energía), como las que se dan en el espacio exterior, vuelos de altitud elevada, alrededor de reactores nucleares y aceleradores de partículas o en accidentes nucleares.

La mayoría de componentes electrónicos semiconductores son susceptibles de resultar dañados por la radiación. Los componentes resistentes a la radiación se basan en sus equivalentes no resistentes, a los que se realizan variaciones en diseño y fabricación para reducir esta susceptibilidad a ser dañados. Debido al desarrollo extensivo y el testeo requerido para lograr el diseño de un chip microelectrónico tolerante a la radiación, estos suelen quedar desfasados con respecto a los desarrollos más recientes.

Los productos resistentes a la radiación son típicamente testados en ensayos de uno o más efectos resultantes, incluyendo dosis total de ionización (TID), efectos de baja dosis mejorados (ELDRS), daños por desplazamiento de neutrones y protones y efectos de evento simple (SEE, SEE, SEL y SEB).

Problemas causados por radiación Ver también: Daño por radiación

Los entornos con alto nivel de radiación ionizante crean retos de diseño especiales. Una sola partícula cargada puede emitir miles de electrones, provocando ruido eléctrico e impulsos de señal. En el caso de circuitos digitales, esto puede causar resultados inexactos o ininteligibles. Este es un problema particularmente serio en el diseño de satélites, naves espaciales, aviones militares, plantas de energía o armas nucleares. Con objeto de asegurar el correcto funcionamiento de estos sistemas, los fabricantes de circuitos integrados y sensores destinados al mercado militar o aeroespacial emplean diversos métodos de endurecimiento contra radiación. Los sistemas resultantes son llamados endurecidos o resistentes a la radiación.

Fuentes principales de daños por radiación

Fuentes típicas de exposición de componentes electrónicos a radiación ionizante son los cinturones de radiación Van Allen, reactores nucleares en plantas para sensores y circuitos de control, aceleradores de partículas para electrónica de control (particularmente dispositivos detectores de partículas), la radiación residual de isótopos en materiales de encapsulado de chips, la radiación cósmica para naves espaciales o aviones de gran altitud y explosiones nucleares para todo tipo de electrónica tanto militar como civil. Los rayos cósmicos proceden de todas direcciones y constan aproximadamente de un 85% de protones, 14 % de partículas alfa y un 1 % de iones pesados, junto con rayos X y radiación gamma. La mayoría de los efectos son causados por partículas con energía de entre 0.1 y 20 GeV. La atmósfera filtra la mayoría de estos, por lo que principalmente suponen un problema para naves espaciales y aviones de gran altitud. Las partículas de radiación solar proceden de la dirección del Sol y constan de un gran flujo de protones de alta energía (muchos GeV) e iones pesados, de nuevo acompañados por rayos X. Los cinturones de radiación Van Allen contienen electrones (hasta 10Mev aproximadamente) y protones (hasta cientos de MeV) atrapados en un campo geomagnético. El flujo de partículas en las regiones más lejanas a la Tierra puede variar dependiendo de las condiciones del Sol y la magnetosfera en cada momento. Debido a su localización, suponen un problema para los satélites. Partículas secundarias son resultado de la interacción de otros tipos de radiación con las estructuras alrededor de dispositivos electrónicos. Los reactores nucleares producen radiación gamma y de neutrones que pueden afectar a los sensores y circuitos de control en plantas de energía nuclear. Los aceleradores de partículas producen protones y electrones de alta energía y las partículas secundarias producidas por sus interacciones generan daños por radiación en componentes de control sensibles y detectores de partículas, del orden de magnitud de 10 MRad[Si]/año para sistemas como el Gran Colisionador de Hadrones. Las explosiones nucleares producen un aumento corto pero extremadamente intenso de radiación a lo largo del espectro electromagnético, un pulso electromagnético (EMP), radiación de neutrones y un flujo de partículas cargadas tanto primarias como secundarias. En caso de guerra nuclear, estas suponen un peligro potencial para todo tipo de electrónica militar y civil. Los materiales de encapsulado de chips fueron una fuente de radiación que causó errores en las DRAM desarrolladas a lo largo de los años 70. Restos de elementos radiactivos en el encapsulado de los chips produjeron partículas alfa, que ocasionalmente descargaban algunos de los condensadores empleados para almacenar los bits de datos en las DRAM. Hoy en día, estos efectos han sido reducidos empleando materiales de encapsulado más puros y códigos de corrección de errores para detectar y corregir errores en las DRAM.

Efectos de la radiación en electrónica Mecanismos fundamentales Se producen dos mecanismos de daño fundamentales:

Desplazamiento de red, causado por neutrones, protones, partículas alfa, iones pesados y fotones con muy alta energía gamma. Estos modifican la disposición de los átomos en la estructura del cristal, creando daños permanentes e incrementando el número de centros de recombinación, así como disminuyendo los portadores minoritarios y empeorando las propiedades analógicas en las uniones de los semiconductores afectados. Contrariamente, dosis más altas en periodos cortos de tiempo provocan un recocido (“curación”) de la red dañada, causando menor daño que con dosis de baja intensidad a lo largo de un tiempo mayor. Este tipo de problema es particularmente significativo en transistores bipolares, los cuales dependen de los portadores minoritarios en sus regiones de base; elevadas pérdidas provocadas por recombinación causan una degeneración de la ganancia del transistor. Efectos de ionización, son causados por partículas cargadas, incluyendo aquellas con energía demasiado baja para provocar daños en la red. Generalmente, los efectos de la ionización son transitorios, creando mal funcionamiento y errores leves, aunque pueden conducir a la destrucción del dispositivo si estos desembocan otros mecanismos de daño (ej. un latchup). La fotocorriente causada por radiación X y ultravioleta pueden pertenecer a esta categoría también. La acumulación gradual de huecos en la capa de óxido de los transistores MOSFET llevan a un empeoramiento de su rendimiento, llegando al fallo del dispositivo si la dosis es lo suficientemente elevada (ver Efectos de dosis de ionización total). Los efectos pueden variar ampliamente dependiendo de muchos parámetros: tipo de radiación, dosis total y flujo de radiación, combinación de distintos tipos de radiación e incluso el tipo de carga del dispositivo (frecuencia o voltaje de operación, estado actual del transistor en el instante en que es impactado por la partícula), lo cual hace de un testeo concienzudo, una labor difícil, extendida en el tiempo y la cual requiere de muchas muestras.

Efectos resultantes Los efectos que el usuario puede observar pueden ser organizados en varios grupos: Efectos de neutrón: Un neutrón interactuando con la red semiconductora podrá desplazar sus átomos. Esto conduce a un aumento del número de centros de recombinación y a defectos a bajo nivel, reduciendo el tiempo de vida de los portadores minoritarios, lo que afecta a los dispositivos bipolares en mayor medida que a los CMOS. Los dispositivos bipolares sobre silicio tienden a mostrar cambios en sus parámetros eléctricos a niveles de 1010 hasta 1011neutrones/cm, mientras que los CMOS no son afectados hasta los 1015neutrones/cm. La sensibilidad de los dispositivos puede verse incrementada con el mayor grado de integración y la disminución del tamaño de las estructuras individuales. Existe también un riesgo de radiactiviad inducida, provocada por la activación de neutrones, lo que es una fuente principal de ruido en instrumentos astrofísicos de alta energía. La radiación inducida, junto con la residual procedente de impurezas en los materiales empleados, pueden provocar todo tipo de problemas durante el tiempo de vida de los dispositivos. Los LEDs de GaAs, comunes en optoacopladores, son muy sensibles a los neutrones. El daño en la red influye en la frecuencia de los cristales oscilatorios. Los efectos de energía cinética (llamados desplazamientos en la red) pertenecen a este grupo también. Efectos de dosis de ionización total: el daño acumulado en la estructura de la red, provocado por la radiación ionizante a lo largo de un tiempo de exposición. Se mide en rads y causa una lenta degradación gradual en el rendimiento del dispositivo. Una dosis total superior a 5000 rads sobre dispositivos basados en silicio en un tiempo entre segundos y minutos provocará una degradación a largo plazo. En los dispositivos CMOS, la radiación crea pares electrón-hueco en la puerta de las capas de aislamiento, lo que cause fotocorrientes durante su recombinación. Además, los huecos atrapados en los defectos de la red en el aislante crean una polarización persistente en la puerta e influyen en el voltaje umbral de los transistores, haciendo que los MOSFET tipo N se activen más fácilmente y los tipo P de forma más difícil. La carga acumulada puede ser lo suficientemente alta como para mantener los transistores permanentemente abiertos (o cerrados), lo que provocaría un fallo del dispositivo. Algunos efectos de autocuración tienen lugar a lo largo del tiempo, pero no son muy significativos. Este efecto es similar a la degradación de portadores calientes en electrónica de alta velocidad y grado de integración. Los cristales osciladores son de alguna forma, sensibles a la radiación, que altera su frecuencia. Esta sensibilidad puede ser drásticamente disminuida mediante el uso de cuarzo purificado (swept quartz). Los cristales de cuarzo natural son especialmente sensibles. Las curvas de comportamiento de la radiación para ensayos TID pueden ser generadas por todos los procesos de test y son incluidas en el informe de ensayos de radiación. Efectos transitivos: Los pulsos de radiación de corta duración y alta intensidad se dan típicamente en explosiones nucleares. El flujo de alta radiación crea fotocorrientes en el cuerpo del semiconductor al completo, haciendo que los transistores se activen de forma aleatoria, modificando los estados de flip-flops y células de memoria. El daño permanente puede provocarse si la duración del pulso es demasiado prolongada, si se causa daño en la unión o se produce un latchup. Estos últimos son causados normalmente por radiación X o gamma procedentes de una explosión nuclear. Los cristales oscilatorios pueden detener su funcionamiento durante este flash de radiación debido a la fotoconductividad que se induce en el cuarzo. Efectos EMP generados por sistema: son provocados por un flash de radiación que viaja a lo largo de los equipos y genera ionización local y corrientes eléctricas en el material de los chips, placas de circuito, cables y cajas. Efectos de evento simple (SEE): son fenómenos que afectan a la mayoría de dispositivos digitales (véase la siguiente sección para una introducción a los distintos tipos de SEE).

Daño digital: SEE