La tesis doctoral de Daniel Malagón Periánez se ha desarrollado en la Universidad de les Illes Balears, el Centro Nacional de Aceleradores de Sevilla y el CERN de Ginebra 

En el mundo científico civil, la ingeniería electrónica permaneció ajena al fenómeno de interacción de radiación en sistemas electrónicos, hasta la confirmación de la radiación del espacio. Durante la Era Espacial, y debido al amplio uso de actividades tecnológicas en la ionosfera terrestre y al espacio exterior, la importancia de los fallos provocados por la radiación en la electrónica fue aumentando. La exploración y explotación de estos entornos exige el uso de la electrónica en sus múltiples vertientes tanto en dispositivos analógicos como digitales.

En las últimas décadas, la tecnología ha experimentado una evolución constante. Se ha producido un escalado tecnológico que permite el diseño e implementación de sistemas más rápidos, más complejos y compactos mediante el desarrollo de tecnologías microelectrónicas y nanométricas. Los efectos de la radiación ionizante ya no son un problema específico exclusivamente relacionado con aplicaciones espaciales o aviónica, y se han convertido en una preocupación importante para la fiabilidad de los dispositivos electrónicos emergentes.

Este escalado afecta a aspectos que tienen como efecto colateral un aumento en la probabilidad de que una partícula ionizante pueda generar la carga eléctrica suficiente para inducir efectos transitorios que afecten el correcto funcionamiento de circuitos electrónicos y causar los llamados Single Event Effects (SEE). Estos SEEs se pueden dividir en los llamados Single-Event Upsets (SEU) si producen un cambio en el estado lógico de un elemento de memoria y los llamados Single-Event Transients (SET) si se genera un cambio transitorio en el voltaje en uno o más nudos de un circuito combinacional.

Cualquier partícula ionizante presente en el ambiente de trabajo de un circuito puede causar un SEE. Con el objetivo de hacer un estudio en dispositivos tanto digitales como analógicos, en la tesis doctoral de Daniel Malagón Periánez, defendida en la Universidad de las Illes Balears, se usaron distintas memorias SRAM como dispositivo digital y un modulador ΣΔ como dispositivo analógico para hacer un estudio de los efectos de la radiación según los distintos principios de operación de los dispositivos analógicos y digitales.

Las memorias SRAM son elementos presentes en muchos sistemas electrónicos. Además, las dimensiones de los dispositivos que forman las celdas SRAM han disminuido en cada generación tecnológica y el número de celdas utilizadas ha aumentado a un ritmo aún mayor. La creciente demanda de memorias en los sistemas complejos en chips ha provocado que una gran parte del área de silicio esté dedicada a las memorias SRAM, por lo tanto, la confiabilidad del sistema depende en gran medida de estos módulos.

Por otro lado, los convertidores analógicos-digitales (A/D) son casi omnipresentes en los sistemas modernos ya que se requieren para transformar las señales del mundo analógico al dominio de procesamiento digital. Esto es así tanto para los productos electrónicos de consumo como para las aplicaciones espaciales. Cualquier instrumento científico requiere en algún momento un convertidor A/D como puede ser un modulador ΣΔ. Además, el número de estudios sobre este tipo de sistemas bajo los efectos de la radiación es casi inexistente en la literatura.

La tesis doctoral de Daniel Malagón se ha centrado en el estudio de SEUs en dos diseños diferentes de celdas SRAM, resaltando un estudio comparativo entre las celdas de tamaño mínimo con seis transistores (6T) y con ocho transistores (8T).

El trabajo muestra los resultados de la exposición de las SRAMs a diferentes entornos operativos tales como una fuente alfa (realizado en la Universidad de las Illes Balears); una fuente de protones (realizado en el Centro Nacional de Aceleradores, CNA, en Sevilla); una fuente de neutrones (también en el CNA), y un campo mixto de alta energía (realizado en el Consejo Europeo para la Investigación Nuclear, CERN, en Ginebra, Suiza), caracterizado este último por contener espectros de partículas más energéticas, (hasta los GeV) y un conjunto más amplio de especies de partículas, incluyendo piones cargados.

También se han estudiado los problemas de estabilidad de los convertidores analógicos a digitales (A/D) causados por eventos transitorios, usando un diseño de modulador ΣΔ para calcular si, para niveles razonables de carga inducida, la inestabilidad puede ser activada por un SET.

Por un lado, en los moduladores ΣΔ se observó que la inestabilidad puede ser provocada por SETs, concluyendo que otra arquitectura ADC sin retroalimentación sólo producirá errores transitorios y luego se recuperaría bajo condiciones similares. Además, la investigación concluyó que debería diseñarse este tipo de sistemas, si es posible, añadiendo algún tipo de circuito auxiliar que detecte inestabilidad para detectar y reiniciar el dispositivo si es necesario.

Debido a que hoy en día se ha convertido en crucial la disponibilidad de nuevos dispositivos que permitan la posibilidad de detección de partículas en una gama más amplia de campos de radiación, por ejemplo en entornos sometidos a altos niveles de radiación como los entornos de física de alta energía, los resultados de la exposición a distintas partículas de las memorias SRAM son interesantes y novedosos en cuanto a que proponen una posible sustitución o añadido de SRAMs como detectores en LHC debido a una resolución de hasta 4 veces las memorias usadas actualmente en las instalaciones.

En los resultados de la exposición a radiación de las memorias SRAMs, en el trabajo de Daniel Malagón se observa una funcionalidad tras 120krad, niveles de radiación por encima de los expuestos como funcionales en otros trabajos realizados por el CERN para memorias en tecnologías similares, de lo que se deduce una mayor robustez del diseño proporcionado por la UIB para estos casos.

No se detectaron alteraciones en los experimentos de radiación realizados con neutrones de baja energía (~30 keV), que son capaces de interactuar con los átomos de Boro-10, normalmente presente en los encapsulados de los circuitos, por lo que se deduce que las técnicas de encapsulados actuales fabrican con unos niveles muy bajos de estos elementos.

Además, se concluye que las SRAMs podrían usarse como detectores de neutrones, y que la combinación de 6T y 8T podría usarse como identificador de altas y bajas en energías en campos mixtos indefinidos debido a la identificación de errores múltiples observados, conocidos como Multiple Bit Upsets (MBUs).

Ficha de la tesis doctoral

• Título: A Contribution to the Characterization of Radiation-induced Soft Errors in Sigma-Delta Modulators and SRAM Memories
• Autor: Daniel Malagón Periánez
• Programa de doctorado: Ingeniería Electrónica   
• Directores: Sebastián A. Bota Ferragut y Gabriel Torrens Caldentey 

Fecha de publicación: 20/09/2018