Efectos de la radiación en semiconductores (dosis, SEU, SET, SEL, EMP...)

La radiación, especialmente la radiación ionizante, tiene serios efectos negativos sobre la salud, pero también daña la electrónica. Aquí conocerás cuáles son estos efectos sobre los chips semiconductores, y cómo se pueden proteger ante ella para que no mueran bombardeados con estas partículas y energía.

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Fuentes de radiación

Aunque la radiación no ionizante puede tener efectos sobre la electrónica, como la radiación de alta potencia que podría calentar componentes como las microondas, o producir EMI o interferencias electromagnéticas, etc., en este artículo me centraré especialmente en la radiación ionizante, la más dañina.

Recuerda que la radiación no ionizante es aquella que no tiene suficiente energía como para ionizar átomos, como las ondas de radio, las microondas, la luz visible, o los infrarrojos. La radiación ionizante tiene suficiente energía como para arrancar electrones de los átomos, es decir, ioniza, y esto puede dañar dispositivos, células y ADN.

Los tipos de radiación ionizante que pueden afectar a los chips semiconductores pueden ser:

Alfa (α): son núcleos de helio, compuestos por 2 protones y 2 neutrones, con carga positiva. Su penetración es baja, y puede proceder de elementos radiactivos como el Uranio-238, y Radio-226, etc.
Beta (β): son electrones o positrones en algunos casos. La penetración es algo superior a la alfa, pero no tanto como la gamma. Procede también de isótopos radiactivos como el Carbono-14, Yodo-131, etc.
Gamma (γ): en este caso se trata de fotones de alta energía, sin masa ni carga, pero con un alto poder de penetración y de generar daños. Puede proceder también de isótopos radiactivos como el Cobalto-60, Cesio-137, etc.
Rayos X: son ondas electromagnéticas, fotones de energía media, sin carga ni masa, y de penetración variable. Generalmente es de origen artificial, como aparatos médicos, escáneres de seguridad, CRTs, etc.
Electrones (e-): partículas con carga negativa, penetración media, y que procede de emisiones de átomos, CRTs, etc. También existe una radiación especial conocida como sincrotrón, y que se produce acelerando electrones en campos magnéticos.

Existe un tipo de radiación conocida como radiación de frenado o Bremsstrahlung que es producida por la desaceleración de una particular cargada de baja masa, como un electrón, debido al campo eléctrico producido por otra partícula con carga, como un núcleo atómico contra el que choca.

Neutrones (n): materia sin carga, con una alta capacidad de penetración, incluso en materiales densos. Se produce como efecto de las reacciones nucleares en centrales, o viene desde la radiación cósmica.

La radiación de Cherenkov es emitida por partículas cargadas (protones y electrones) que viajan más rápido que la luz en el medio, produciendo luminiscencia de color azulado como la que se ve en los reactores nucleares.

Estos tipos de radiación puede tener diferente naturaleza. Por ejemplo, puede estar producida de forma natural por isótopos radiactivos presentes en la naturaleza, así como la radiación solar (visible, IR, UV), y la radiación cósmica (gamma, protones, etc). También puede proceder de fuentes artificiales creadas por el hombre.

Puedes leer nuestra guía sobre la protección de chips contra radiación

Efectos básicos de la radiación en los semiconductores

Como sabes, un chip es una pastilla monolítica que ha sido creada empleando diversas capas con distintos materiales. No todas sus partes de afectan por igual ante la radiación. Aquí me gustaría destacar los siguientes fenómenos:

Atrapamiento de carga en dióxido de silicio (SiO2): la radiación ionizante puede crear electrones e iones en el aislante de SiO2. Estas cargas atrapadas pueden modificar el campo eléctrico en el transistor, lo que puede afectar su rendimiento y fiabilidad. El efecto es más severo en transistores de menor tamaño debido a la mayor densidad de carga.
Generación/recombinación de carga: puede generar pares electrón-hueco en el material semiconductor. Estos portadores de carga libres pueden conducir electricidad, lo que puede causar ruido y errores en los circuitos electrónicos, como una especie de dopado no deseado. La tasa de generación de pares depende del tipo de material semiconductor y de la energía de la radiación.
Atrapamiento y transporte de huecos: huecos generados por la radiación pueden quedar atrapados en defectos en el material semiconductor. Estas trampas pueden actuar como centros de recombinación para los electrones, reduciendo la movilidad de los portadores de carga y afectando el rendimiento del dispositivo. Además, lo huecos también pueden transportarse a través del material, lo que puede conducir a la formación de corrientes de fuga.
E′ Centers: son defectos en el material semiconductor que se crean por la radiación ionizante. Actúan como trampas para electrones y agujeros, y pueden generar ruido y errores en los circuitos.
Trampas de interfaz: son defectos en la interfaz entre el material semiconductor y el dieléctrico que pueden atrapar electrones o huecos, generando ruido o errores.
ELDRS (Electrically-Induced Luminescence-Degradation and Recovery): es un fenómeno que se observa en dispositivos semiconductores irradiados con radiación de alta energía, aunque puede recuperarse de forma gradual con el tiempo una vez cesa.
Daños en el bulk o sustrato: las partículas de alta energía pueden ser como proyectiles que destruyen la estructura cristalina, produciendo cambios en las propiedades eléctricas del material, como los cambios en los portadores mayoritarios, alteración de la conductividad, etc.

Estos efectos dependerán en gran medida del tipo de material, de la naturaleza de la radiación, y de lo que se conoce como Total Ionizing Dose (TID), o dosis total ionizante, se refiere a la cantidad total de energía absorbida por un material semiconductor debido a la exposición a radiación ionizante a lo largo del tiempo. La unidad de medida para TID es Gray (Gy), que equivale a un julio de energía absorbida por un kilogramo de material.

Deberías leer más información sobre electrónica en esta guía sencilla

Efectos de la radiación en eventos únicos

La forma de interferir de la radiación, cuando se alcanza lo que se conoce como Single Event Dose (SED), en un chip semiconductor puede generar lo que se conoce como efectos de evento único o SEE (Single Event Effects):

Single Event Transient (SET): se trata de un cambio temporal en el estado de un bit de memoria o un registro de un dispositivo electrónico causado por un evento de radiación ionizante. Puede provocar errores en los cálculos, fallos en el funcionamiento del dispositivo o incluso la pérdida de datos. El origen de este problema reside en la generación de pares electrón-hueco, que pueden ser suficientes para cambiar el estado de almacenamiento de un bit en registros o memorias incluso en exposiciones cortas.
Single Event Upset (SEU): es un cambio permanente en el estado de un bit de memoria o un registro de un dispositivo electrónico causado por un evento de radiación ionizante. Similar al SET, pero el cambio de estado es permanente y puede tener consecuencias más graves a largo plazo.
Single Event Latchup (SEL): un estado no deseado en el que un transistor FET se bloquea en estado de conducción, lo que puede provocar un cortocircuito y un consumo excesivo de corriente. Puede provocar daños en el dispositivo, sobrecalentamiento e incluso la destrucción del mismo. El origen de este problema es esa capacidad de la radiación de generar pares electrón-hueco, alterando el semiconductor…
Single Event Functional Interrupt (SEFI): una interrupción temporal del funcionamiento normal de un dispositivo electrónico causada por un evento de radiación ionizante. Puede provocar fallos en el funcionamiento del dispositivo, errores en los cálculos o incluso la pérdida de datos. También producidos por el mismo fenómeno ionizante que genera pares.
Single Event Multiple-Bit Upset (SEMB): en este caso tenemos un cambio permanente en el estado de múltiples bits de memoria o registros de un dispositivo electrónico causado por un evento de radiación ionizante. Es decir, como un SEU múltiple.
Single Event Bit (SEB): es un cambio temporal en el estado de un bit de memoria o un registro de un dispositivo electrónico causado por un evento de radiación ionizante. Similar al SET, pero con un impacto menor.
Single Event Gate Rupture (SEGR): rotura permanente de la puerta de un transistor FET causada por un evento de radiación ionizante. Puede provocar la destrucción del transistor y el fallo del dispositivo. Se produce cuando la radiación deposita energía en la puerta del transistor, generando un canal conductor que lo rompe de forma permanente.
Single Event Hard Error (SHE): cambio permanente en el estado de un bit de memoria o un registro de un dispositivo electrónico que no se puede corregir mediante técnicas de corrección de errores. Similar al SEU, pero con la imposibilidad de corregir el error, lo que puede tener consecuencias graves a largo plazo. Suele tener su origen en defectos permanentes en el semiconductor.