DE102021208363B4 - Method and device for determining a parameter for electronic components - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Kenngröße für elektronische Bauteile, nämlich zur Bestimmung des Einflusses einer Strahlung auf die elektronischen Bauteile oder zur Bestimmung eines Symmetriefaktors (z) von CMOS-Invertern (16), wobei ein Ringoszillator (2) herangezogen wird, welcher eine Anzahl von Zeitgliedern (4) aufweist und ein jeweiliges Zeitglied (4) aus zwei seriell zueinander angeordneten CMOS-Einheiten (6, 8, 10) aufgebaut ist und die CMOS-Einheiten (6, 8, 10) eines jeweiligen Zeitglieds (4) unterschiedliche Schaltverzögerungen aufweisen. Anhand einer Messgröße des Ringoszillators (2) wird die Kenngröße bestimmt, speziell wird aus dem Verhältnis zwischen der Zeitdauer des High-Pegels (H-Periode) und der Zeitdauer des Low-Pegels (L-Periode) ein Kenngrößen-Index (AI) bestimmt und anhand dieses Index (AI) wird als Kenngröße beispielsweise ein Asymmetrie-Faktor (y) und / oder ein Degenerationsfaktor (DEG) für die eingesetzten PMOS- und/oder NMOS Schalter aufgrund der ionisierenden Strahlung (TID) bestimmt.The invention relates to a method and a device for determining a parameter for electronic components, namely for determining the influence of radiation on the electronic components or for determining a symmetry factor (z) of CMOS inverters (16), using a ring oscillator (2). which has a number of timers (4) and each timer (4) is constructed from two serially arranged CMOS units (6, 8, 10) and the CMOS units (6, 8, 10) of a respective timer (4) have different switching delays. The parameter is determined using a measured variable of the ring oscillator (2), specifically a parameter index (AI) is determined from the ratio between the duration of the high level (H period) and the duration of the low level (L period). and this index (AI) is used to determine, for example, an asymmetry factor (y) and/or a degeneration factor (DEG) for the PMOS and/or NMOS switches used due to the ionizing radiation (TID) as a parameter.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Kenngröße für elektronische Bauteile, insbesondere halbleiterbasierte Bauelemente, nämlich zur Bestimmung des Einflusses einer ionisierenden Strahlung auf die elektronischen Bauteile oder zur Bestimmung eines Symmetriefaktors von CMOS-Schaltern.The invention relates to a method and a device for determining a parameter for electronic components, in particular semiconductor-based components, namely for determining the influence of ionizing radiation on the electronic components or for determining a symmetry factor of CMOS switches.
Bei elektronischen Bauteilen, insbesondere Halbleiter-Bauteilen ist grundsätzlich bekannt, dass ionisierende Strahlung, also beispielsweise Höhenstrahlung, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung usw. Einfluss auf die Eigenschaften, speziell Schalteigenschaften dieser Halbleiter-Bauteile haben und damit zu einer (vorzeitigen) Alterung der Halbleiter-Bauteile führt. Die Ursache hierfür ist darin zu sehen, dass die ionisierende Strahlung einen Einfluss auf die im Halbleiter-Bauteil befindlichen Ladungsträger hat. Speziell wird die Ladungsträgerzone zwischen Source und Drain beeinflusst, was zu einer Veränderung des Schaltverhaltens führt. Speziell verschiebt sich der Schaltzeitpunkt, bei dem also zwischen zwei Schaltpegeln, nämlich dem High-Pegel (H-Pegel), und dem Low-Pegel (L-Pegel) umgeschaltet wird und die Dauer der High-Periode (H) und der Low-Periode (L) gemessen wird.In the case of electronic components, in particular semiconductor components, it is generally known that ionizing radiation, for example cosmic radiation, X-rays, gamma radiation, etc., have an influence on the properties, especially switching properties, of these semiconductor components and thus lead to (premature) aging of the semiconductor components . The reason for this can be seen in the fact that the ionizing radiation has an influence on the charge carriers in the semiconductor component. In particular, the charge carrier zone between source and drain is influenced, which leads to a change in the switching behavior. In particular, the switching time is shifted, at which there is a switch between two switching levels, namely the high level (H level) and the low level (L level), and the duration of the high period (H) and the low Period (L) is measured.
Bei CMOS-Bauteilen führt dies aufgrund deren Aufbaus aus einem PMOS-Schalter (Feldeffekttransistor mit p-leitendem Kanal) und einem NMOS-Schalter (Feldeffekttransistor mit n-leitendem Kanal) zu einem asymmetrischen Alterungseffekt dieser beiden Schalter des CMOS-Bauteils. Speziell haben Untersuchungen gezeigt, dass der PMOS-Schalter deutlich stärker durch ionisierende Strahlung beeinflusst wird als der NMOS-Schalter.In the case of CMOS components, this leads to an asymmetric aging effect of these two switches of the CMOS component due to their structure consisting of a PMOS switch (field effect transistor with p-type channel) and an NMOS switch (field effect transistor with n-type channel). In particular, investigations have shown that the PMOS switch is significantly more affected by ionizing radiation than the NMOS switch.
Der unerwünschte Einfluss der ionisierenden Strahlung nimmt mit zunehmender Miniaturisierung und mit den zunehmend geringeren Versorgungs- und Steuerspannungen für die elektronischen Bauteile immer mehr zu und gewinnt dadurch an Bedeutung.The undesired influence of the ionizing radiation increases with increasing miniaturization and with the increasingly lower supply and control voltages for the electronic components and is therefore gaining in importance.
Als Kenngröße für den Einfluss der ionisierenden Strahlung wird die sogenannte „total ionizing dose“ (TID) herangezogen. Der Einfluss hängt insgesamt von dieser TID ab.The so-called "total ionizing dose" (TID) is used as a parameter for the influence of ionizing radiation. The overall influence depends on this TID.
Durch die ionisierende Strahlung wird insbesondere die Schaltzeit, nachfolgend auch als Schaltverzögerung bezeichnet, des jeweiligen Schalters beeinflusst.In particular, the switching time, also referred to below as the switching delay, of the respective switch is influenced by the ionizing radiation.
Bei vielen elektronischen Schaltungen kommt es entscheidend auf eine Periodendauer eines Taktsignals an, also auf die Dauer zwischen zwei H-Zustanden an, da die Periodendauer z.B. Prozess- und Verarbeitungszyklen vorgibt, innerhalb derer bestimmte Aufgaben abgearbeitet werden, wie beispielsweise die Übertragung oder Verarbeitung von Datenpaketen. Typischerweise wird hierbei jeweils z.B. die ansteigende Flanke des H-Pegels als Trigger für die einzelnen Verarbeitungszyklen herangezogen.In many electronic circuits, the period of a clock signal is crucial, i.e. the duration between two H states, since the period specifies, for example, process and processing cycles within which certain tasks are processed, such as the transmission or processing of data packets . Typically, the rising edge of the H level, for example, is used as a trigger for the individual processing cycles.
In einigen Anwendungen wird zur Beschleunigung der Verarbeitung beispielsweise die sogenannte DDR-Technik (Double Data Rate) herangezogen, bei der typischerweise sowohl bei der aufsteigenden als auch bei der abfallenden Flanke des Taktsignals ein Verarbeitungszyklus durchgeführt wird. Hierbei ist also neben der Periodendauer insbesondere auch die Zeitdauer des H-Pegels (H-Periode) entscheidend.In some applications, the so-called DDR (Double Data Rate) technology, for example, is used to speed up the processing, in which a processing cycle is typically carried out both on the rising edge and on the falling edge of the clock signal. In this case, in addition to the period, the duration of the H level (H period) is also particularly important.
Eine Veränderung, speziell Verkürzung der Zeitdauer des H-Pegels oder des L-Pegels infolge einer ionisierenden Strahlung kann unter Umständen dazu führen, dass die vorgesehenen Aufgaben nicht oder nicht vollständig abgearbeitet werden (Duty Cycle Distortion, Verzerrung des Tastverhältnisses). Dies kann zu Verarbeitungsfehlern und in komplexen Systemen damit zu Fehlern im System führen. Speziell in sicherheitskritischen Anwendungen ist dies zu vermeiden.A change, specifically a shortening of the duration of the H level or the L level as a result of ionizing radiation can, under certain circumstances, lead to the intended tasks not being processed or not being processed completely (duty cycle distortion, distortion of the duty cycle). This can lead to processing errors and, in complex systems, to errors in the system. This should be avoided, especially in safety-critical applications.
Es besteht daher ein zunehmender Bedarf, strahlungsbedingte Einflüsse und Alterungseffekte auf elektronische Bauteile insbesondere in Echtzeit beispielsweise im Rahmen eines Online-Monitorings erkennen zu können.There is therefore an increasing need to be able to identify radiation-related influences and aging effects on electronic components, particularly in real time, for example as part of online monitoring.
Wie oben ausgeführt besteht ein CMOS-Schalter, nachfolgend auch als CMOS-Inverter bezeichnet, aus einem PMOS-Schalter und einem NMOS-Schalter. In der Regel ist der CMOS-Schalter symmetrisch aufgebaut, sodass die Schaltzeiten dieser beiden Schalter aneinander angepasst sind. Bei einem unsymmetrischen CMOS-Schalter weisen der PMOS-Schalter und der NMOS-Schalter unterschiedliche Schaltzeiten auf. Diese können sich ebenfalls auf die Prozesszyklen einer Schaltung auswirken. Von daher besteht auch häufig ein Interesse in der Kenntnis des Verhältnisses zwischen den Schaltzeiten des PMOS-Schalters zum NMOS-Schalter. Dieses Verhältnis wird vorliegend als Symmetriefaktor bezeichnet. Der Symmetriefaktor 1 bezeichnet dann einen symmetrischen CMOS-Schalter mit gleichen Schaltzeiten (Schaltverzögerungen) für den PMOS- sowie für den NMOS-Schalter. Des Weiteren ist die Verschlechterung oder auch die Beschleunigung (z.B. bei NMOS-Schaltern in bestimmten Dosis-Intervallen) der Schaltverzögerung der CMOS-Schalter von Interesse.As explained above, a CMOS switch, also referred to below as a CMOS inverter, consists of a PMOS switch and an NMOS switch. As a rule, the CMOS switch is constructed symmetrically so that the switching times of these two switches are matched to one another. In the case of an unbalanced CMOS switch, the PMOS switch and the NMOS switch have different switching times. These can also affect the process cycles of a circuit. Therefore, there is often an interest in knowing the relationship between the switching times of the PMOS switch to NMOS switch. This ratio is referred to here as the symmetry factor. The symmetry factor 1 then designates a symmetrical CMOS switch with the same switching times (switching delays) for the PMOS and NMOS switches. Furthermore, the deterioration or also the acceleration (eg in the case of NMOS switches in specific dose intervals) of the switching delay of the CMOS switches is of interest.
Aus der
Der Effekt einer ionisierenden Bestrahlung beispielsweise auf CMOS-Bauteile wird in der wissenschaftlichen Publikation „Modeling lonizing Radiation Effects in Solid State Materials and CMOS Devices, Hugh J. Barnaby et al., IEEE Transactions on Circuits and Systems - I, Regular Papers, 2009-08, Vol. 56 (8)“, pp. 1870-1883 beschrieben.The effect of ionizing radiation on CMOS devices, for example, is described in the scientific publication "Modeling lonizing Radiation Effects in Solid State Materials and CMOS Devices, Hugh J. Barnaby et al., IEEE Transactions on Circuits and Systems - I, Regular Papers, 2009- 08, Vol. 56 (8)”, pp. 1870-1883.
Aus der
Die
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe eine Kenngröße für elektronische Bauteile nämlich der Einfluss einer ionisierenden Strahlung auf elektronische Bauteile und/oder der Symmetriefaktor bei CMOS-Schaltern ermittelt werden kann.Proceeding from this, the invention is based on the object of specifying a method with the aid of which a parameter for electronic components, namely the influence of ionizing radiation on electronic components and/or the symmetry factor in CMOS switches, can be determined.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Kenngröße für elektronische (Halbleiter-) Bauteile, nämlich zur Bestimmung des Einflusses einer insbesondere ionisierenden Strahlung auf die elektronischen Bauteile oder zur Bestimmung eines Symmetriefaktors von CMOS-Schalter. Hierzu wird ein spezieller Ringoszillator eingesetzt, welcher eine Anzahl von Zeitgliedern aufweist, wobei ein jeweiliges Zeitglied aus zwei seriell verschalteten CMOS-Einheiten aufgebaut ist. Die einzelnen CMOS-Einheiten sind insgesamt seriell hintereinander verschaltet und bilden quasi eine Kette bestehend aus 2n derartiger CMOS-Einheiten bzw. n Zeitglieder. Eine jeweilige CMOS-Einheit bildet dabei jeweils einen Inverter, sodass die Einheiten auch als Inverter-Einheiten bezeichnet werden können.The object is achieved according to the invention by a method and a device for determining a parameter for electronic (semiconductor) components, namely for determining the influence of, in particular, ionizing radiation on the electronic components or for determining a symmetry factor of CMOS switches. A special ring oscillator is used for this purpose, which has a number of timing elements, with each timing element being constructed from two serially connected CMOS units. The individual CMOS units are connected in series and form a chain consisting of 2n such CMOS units or n timers. A respective CMOS unit forms an inverter in each case, so that the units can also be referred to as inverter units.
Weiterhin ist vorgesehen, dass die beiden CMOS-Einheiten eines jeweiligen Zeitgliedes unterschiedliche Schaltverzögerungen aufweisen. Schließlich wird beim Verfahren anhand einer Messgröße des Ringoszillators die gewünschte Kenngröße bestimmt.Furthermore, it is provided that the two CMOS units of a respective timing element have different switching delays. Finally, in the method, the desired parameter is determined using a measured variable of the ring oscillator.
Die einzelnen CMOS-Einheiten eines Zeitglieds sind insbesondere unmittelbar aufeinander folgend angeordnet.The individual CMOS units of a timer are in particular arranged directly one after the other.
Sofern vorliegend von einer seriellen Anordnung gesprochen wird, so wird hierunter verstanden, dass ein jeweiliger Ausgang einer CMOS-Einheit (Drain-Anschluss) mit dem Gate-Anschluss der nachfolgenden CMOS-Einheit verbunden ist. Dies bedeutet, dass der Ausgangspegel einer jeweiligen CMOS-Schalteinheit den Eingangspegel für den Gate-Anschluss der nachfolgenden CMOS-Einheit bildet.If reference is made here to a serial arrangement, this means that a respective output of a CMOS unit (drain connection) is connected to the gate connection of the subsequent CMOS unit. This means that the output level of a respective CMOS switching unit forms the input level for the gate connection of the subsequent CMOS unit.
Ringoszillatoren und deren Aufbau sind grundsätzlich bekannt. Sie bestehen regelmäßig aus einer seriellen Aneinanderreihung von einzelnen Inverter-Einheiten. Durch die ringförmige, also geschlossene Verschaltung und Anordnung führt dies zu einem Schwingkreis, dessen Eigenfrequenz und damit Periodendauer mittels eines Messgerätes, wie beispielsweise eines Oszilloskops oder einer internen Messung der H und L Periode (Flankenerkennung, Zähler, Systemfrequenz), bestimmt wird. Zur Messung der H und L Periode wird beispielsweise ein sogenannter PWM (Pulsweitenmodulation) - Analyzer eingesetzt, der beispielsweise gemeinsam mit den CMOS-Einheiten auf einem gemeinsamen Chip angeordnet ist. Anhand dieser (Gesamt-) Periodendauer des Ringoszillators kann dann bei Kenntnis der Anzahl der verbauten Inverter-Einheiten auf die Eigenschaften der einzelnen Inverter-Einheiten zurückgeschlossen werden, wie beispielsweise auf deren Frequenz und damit Schaltverzögerung.Ring oscillators and their structure are known in principle. They regularly consist of a series of individual inverter units. Due to the ring-shaped, i.e. closed, wiring and arrangement, this leads to an oscillating circuit whose natural frequency and thus period duration is determined using a measuring device such as an oscilloscope or an internal measurement of the H and L period (edge detection, counter, system frequency). To measure the H and L period, a so-called PWM (pulse width modulation) analyzer is used, for example, which is arranged, for example, together with the CMOS units on a common chip. Based on this (total) period duration of the ring oscillator, if the number of installed inverter units is known, conclusions can then be drawn about the properties of the individual inverter units, such as their frequency and thus switching delay.
Bei dem Ringoszillator werden typischerweise mehrere 100 oder auch mehrere 1000 derartiger Inverter-Einheiten in Serie angeordnet.In the case of the ring oscillator, typically several 100 or even several 1000 such inverter units are arranged in series.
Bei dem Ringoszillator vorliegend eine Kette aus (logischen) Zeitgliedern, wobei jedes Zeitglied jeweils aus (genau) zwei CMOS-Einheiten und damit aus zwei Inverter Einheiten besteht, liegt am Eingang der Kette der gleiche Pegel wie am Ausgang der Kette nach Durchlaufen der insgesamt n Zeitglieder an. Ändert sich der Pegel am Eingang, so ändert sich nach einer Gesamt-Schaltverzögerung der gesamten Kette auch der Pegel am Ausgang der Kette.In the case of the ring oscillator, in the present case a chain of (logical) timers, with each timer consisting of (precisely) two CMOS units and thus two inverter units, the level at the input of the chain is the same as at the output of the chain after running through the total of n timers on. If the level at the input changes, the level at the output of the chain also changes after an overall switching delay for the entire chain.
Zwischen Eingang und Ausgang der Kette erfolgt zur Ausbildung des Ringoszillators noch eine Invertierung, sodass also nach Durchlaufen der gesamten Kette ein invertierter Pegel am Eingang der Kette anliegt. Wird der gesamte Ringoszillator betrachtet, so ergeben sich nach zwei Durchläufen der gesamten Kette eine Gesamt-Periodendauer, die sich zusammensetzt aus der Zeitdauer für einen High-Pegel und einen Low-Pegel.In order to form the ring oscillator, there is also an inversion between the input and output of the chain, so that after running through the entire chain, an inverted level is present at the input of the chain. If the entire ring oscillator is considered, then after two runs through the entire chain, a total period results, which is made up of the time for a high level and a low level.
Bei dem hier beschriebenen speziellen Ringoszillator zur Bestimmung der Kenngröße, ist eine Besonderheit darin zu sehen, dass die beiden CMOS-Einheiten eines jeweiligen Zeitglieds unterschiedliche Schaltverzögerungen aufweisen. Hierunter wird allgemein verstanden, dass die Schaltzeit und damit die Schaltverzögerung der PMOS-Einheit der ersten CMOS-Einheit (also des ersten Typs der CMOS-Einheiten) sich von der Schaltverzögerung der PMOS-Einheit der zweiten CMOS Einheit (also des zweiten Typs der CMOS-Einheiten) um einen Faktor x unterscheidet. Gleiches gilt für die NMOS-Einheiten der beiden Typen, d.h. auch deren Schaltverzögerungen unterscheiden sich jeweils um den Faktor x. Der Faktor x ist dabei bevorzugt identisch für die PMOS- als auch für die NMOS-Einheiten. In the case of the special ring oscillator described here for determining the parameter, a special feature can be seen in the fact that the two CMOS units of a respective timing element have different switching delays. This is generally understood to mean that the switching time and thus the switching delay of the PMOS unit of the first CMOS unit (i.e. of the first type of CMOS units) differs from the switching delay of the PMOS unit of the second CMOS unit (i.e. of the second type of CMOS -units) differs by a factor x. The same applies to the NMOS units of both types, i.e. their switching delays also differ by a factor of x. In this case, the factor x is preferably identical for both the PMOS and the NMOS units.
Diese Ausgestaltung beruht auf der Überlegung, dass bei einem herkömmlichen Ringoszillator mit normalen, identisch aufgebauten CMOS-Einheiten der Einfluss der ionisierenden Strahlung und der Symmetriefaktor nicht oder nicht zuverlässig aufgrund des speziellen Aufbaus der CMOS-Baueinheiten und ihres invertierenden Charakters erfassbar ist. Wie nachfolgend noch genauer dargelegt wird, erlaubt erst diese spezielle Ausgestaltung mit den innerhalb eines jeweiligen Zeitglieds unterschiedlich ausgebildeten CMOS-Einheiten eine zuverlässige Bestimmung des Einflusses der ionisierenden Strahlung. In anderen Worten: Erst durch die paarweise Kombination zweier Typen von CMOS-Einheiten mit unterschiedlichen Schaltverzögerung lassen sich die gewünschten Kennwerte zuverlässig ermitteln.This configuration is based on the consideration that in a conventional ring oscillator with normal, identically constructed CMOS units, the influence of the ionizing radiation and the symmetry factor cannot be detected or cannot be reliably detected due to the special design of the CMOS units and their inverting character. As will be explained in more detail below, only this special configuration with the CMOS units configured differently within a respective timing element allows a reliable determination of the influence of the ionizing radiation. In other words: The desired characteristic values can only be reliably determined by combining two types of CMOS units with different switching delays in pairs.
Durch den verwendeten speziellen Ringoszillator wird - bei der Variante zur Ermittlung des Einflusses von ionisierender Strahlung - der Einfluss der ionisierenden Strahlung auf die im Ringoszillator verwendeten CMOS-Bauteile ermittelt. Hierdurch wird allgemein eine Kenngröße des Einflusses ionisierender Strahlung auf elektronische Bauteile ermittelt, die ebenfalls der gleichen ionisierenden Strahlung wie der Ringoszillator mit seinen CMOS-Bauteilen ausgesetzt sind. Der Ringoszillator kann dabei beispielsweise auf einem gemeinsamen Chip mit weiteren Halbleiter-Schaltern, speziell CMOS-Schalter angeordnet sein. Insgesamt handelt sich hierbei um Schaltungsanordnungen, wie beispielsweise ICs, FPGA, ASICs, SOCs usw.. Diese sind in einer bevorzugten Ausgestaltung zusammen mit dem hier beschriebenen Ringoszillator als eine Baueinheit ausgebildet.The influence of the ionizing radiation on the CMOS components used in the ring oscillator is determined by the special ring oscillator used—in the variant for determining the influence of ionizing radiation. In this way, a parameter of the influence of ionizing radiation on electronic components is generally determined, which are also exposed to the same ionizing radiation as the ring oscillator with its CMOS components. In this case, the ring oscillator can be arranged, for example, on a common chip with further semiconductor switches, specifically CMOS switches. Overall, these are circuit arrangements such as ICs, FPGA, ASICs, SOCs, etc. In a preferred embodiment, these are designed as a structural unit together with the ring oscillator described here.
Im Hinblick auf die Kenngröße des Symmetriefaktors wird dieser für die im Ringoszillator verwendeten CMOS-Inverter-Einheiten ermittelt. Aus diesem ermittelten Symmetriefaktor wird dann beispielsweise auf den Symmetriefaktor von weiteren CMOS-Invertern zurückgeschlossen, die beispielsweise der gleichen Herstellungs-Charge angehören.With regard to the parameter of the symmetry factor, this is determined for the CMOS inverter units used in the ring oscillator. From this determined symmetry factor, conclusions can then be drawn, for example, about the symmetry factor of further CMOS inverters which, for example, belong to the same production batch.
In bevorzugter Ausgestaltung wird ein Kenngrößen-Index bestimmt, wobei dieser korreliert ist zum Verhältnis zwischen einem H-Pegel und einem L-Pegel des hier beschriebenen Ringoszillators. Speziell ist dieser Kenngrößen-Index definiert durch das Verhältnis zwischen dem H-Pegel und dem L-Pegel des Ringoszillators.In a preferred embodiment, a parameter index is determined, which is correlated to the ratio between an H level and an L level of the ring oscillator described here. Specifically, this characteristic index is defined by the ratio between the H level and the L level of the ring oscillator.
Wie zuvor erläutert, bildet der Ringoszillator mit den einzelnen Zeitgliedern einen Schwingkreis aus, sodass sich in Abhängigkeit der physikalischen Kenngrößen der jeweiligen CMOS-Zeitgliedern eine Frequenz und damit eine Periodendauer und weiterhin auch definierte Zeitdauern für den H-Pegel sowie für den L-Pegel einstellen. Diese Größen, speziell die Zeitdauer für den H-Pegel und dem L-Pegel werden mithilfe des zuvor erwähnten Messgerätes (Oszilloskop), oder einer internen Messung mittels Flankenerkennung, gemessen. In bevorzugter Ausgestaltung wird daher der Kenngrößen-Index durch eine Zeitmessung des H-Pegels und des L-Pegels messtechnisch ermittelt.As previously explained, the ring oscillator forms an oscillating circuit with the individual timing elements, so that depending on the physical characteristics of the respective CMOS timing elements, a frequency and thus a period and also defined periods of time for the H level and for the L level are set . These variables, especially the duration of the H level and the L level, are measured using the aforementioned measuring device (oscilloscope) or an internal measurement using edge detection. In a preferred embodiment, the characteristic index is therefore determined by measuring the time of the H level and the L level.
Die Kennzahl für den Einfluss der ionisierenden Strahlung wird in bevorzugter Ausgestaltung aus dem Kenngrößen-Index gemäß folgender Formel bestimmt:
Wobei Al der Kenngrößen-Index ist, y die Kennzahl für den Einfluss der ionisierenden Strahlung ist, z der Symmetriefaktor und x ein Faktor ist, mit dem sich die Schaltverzögerungen der CMOS-Einheiten der Zeitglieder unterscheiden. Der Symmetriefaktor z ist beispielsweise durch eine vorhergehende Kalibiermessung ermittelt oder an sich bekannt. Der Faktor x, welcher das Verhältnis der Schaltverzögerung angibt, ist durch die physikalisch-technische Ausgestaltung der einzelnen CMOS-Einheiten festgelegt und vorzugsweise bekannt. Als einzige Variable verbleibt daher die die Kennzahl y. Diese wird auch als Degradations-Kennzahl bezeichnet, da sie die Degradation / Alterung infolge der Strahlung kennzeichnet.Where Al is the parameter index, y is the parameter for the influence of ionizing radiation, z is the symmetry factor and x is a factor with which the switching delays of the CMOS units of the timers differ. The symmetry factor z is determined, for example, by a previous calibration measurement or is known per se. The factor x, which indicates the ratio of the switching delay, is determined by the physical-technical configuration of the individual CMOS units and is preferably known. The key figure y remains as the only variable. This is also referred to as a degradation index, since it characterizes the degradation / aging as a result of radiation.
Es sei insbesondere auch darauf hingewiesen, dass für sehr große x-Werte der Limes der Gleichung F1 sich annähert an yz, dh. Limes AI(x->unendlich) = yz. In particular, it should also be pointed out that for very large x values, the limit of equation F1 approaches yz, ie. Limes AI(x->infinity) = yz.
Bevorzugt wird aus dem Kenngrößen-Index Al eine prozentuale Degradations-Kennzahl y' infolge der ionisierenden Strahlung bestimmt, indem in der obigen Formel die Kennzahl y wie folgt ersetzt wird:
Daraus ergibt sich dann der Kenngrößen-Index wie folgt
Wie zuvor sind wiederum die Werte für x, z bekannt oder ermittelt, sodass sich unmittelbar die prozentuale Degradations-Kennzahl y' ermitteln lässt.As before, the values for x, z are known or determined, so that the percentage degradation index y′ can be determined directly.
In bevorzugter Ausgestaltung wird der Symmetriefaktor z selbst - sofern er nicht bereits bekannt ist, aus dem Kenngrößen-Index gemäß folgender Formel bestimmt, und zwar vorzugsweise ohne dass die Bauteile einer ionisierenden Strahlung ausgesetzt waren (y=1 bzw. y'=0):
Wobei Al der Kenngrößen-Index ist und x der Faktor, mit dem sich die Schaltverzögerungen der CMOS-Einheiten der Zeitglieder unterscheiden.Where Al is the characteristic index and x is the factor by which the switching delays of the CMOS units of the timers differ.
Es sei insbesondere auch darauf hingewiesen, dass für sehr große x-Werte der Limes der Gleichung F4 sich annähert an z, dh. Limes AI(y=1, x->unendlich) = z.In particular, it should also be pointed out that for very large x values, the limit of equation F4 approaches z, ie. Limes AI(y=1, x->infinity) = z.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Kennzahl für den Einfluss der ionisierenden Strahlung und/oder der Symmetriefaktor jeweils anhand des ermittelten Kenngrößen-Index und obigen Gleichungen ermittelt.According to a preferred embodiment, the index for the influence of the ionizing radiation and/or the symmetry factor is determined using the determined index of parameters and the above equations.
Alternativ oder ergänzend kann die Zuordnung des ausgemessenen Kenngrößen-Index zu der Kennzahl für die ionisierende Strahlung oder zu dem Symmetriefaktor auch durch Vergleich mit einer hinterlegten (Look-Up) Tabelle erfolgen. Diese wurde beispielsweise im Vorfeld entweder durch Referenzmessungen oder durch Simulationsberechnungen erstelltAlternatively or additionally, the measured parameter index can also be assigned to the characteristic number for the ionizing radiation or to the symmetry factor by comparison with a stored (look-up) table. This was created in advance, for example, either by reference measurements or by simulation calculations
Üblicherweise und damit auch vorzugsweise sind die einzelnen CMOS-Inverter symmetrisch aufgebaut, weisen also einen Symmetriefaktor z=1 auf. Die Schaltverzögerung des PMOS-Schalters und des NMOS-Schalters eines jeweiligen CMOS-Inverters sind daher gleich, zumindest in einem Ausgangszustand, bevor sie einer ionisierenden Strahlung ausgesetzt werden.The individual CMOS inverters are usually, and therefore also preferably, constructed symmetrically, ie have a symmetry factor z=1. The switching delay of the PMOS switch and the NMOS switch of a respective CMOS inverter are therefore equal, at least in an initial state before being exposed to ionizing radiation.
Bevorzugt wird - speziell für den Fall, dass der Symmetriefaktor nicht bekannt ist - dieser im Rahmen einer Art „Kalibriermessung“ ermittelt, und zwar insbesondere bevor der Ringoszillator einer ionisierenden Strahlung ausgesetzt wird. In diesem Fall ist daher die Kennzahl y=1, sodass sich aus den oben genannten Formeln der Symmetriefaktor z ableiten lässt:
Grundsätzlich kann der Symmetriefaktor z also unabhängig von der Ermittlung des Einflusses von ionisierender Strahlung, wie beschrieben, ermittelt werden.In principle, the symmetry factor z can therefore be determined independently of the determination of the influence of ionizing radiation, as described.
Mit Kenntnis von z und x kann dann mit den aktuellen gemessenen AI-Kennwerten auf die Kennzahl y für den Einfluss der ionisierenden Strahlung zurückgeschlossen werden:
Alternativ oder ergänzend wird in bevorzugter Ausgestaltung vor dem Bestrahlen des Ringoszillators in einer Kalibriermessung eine (Referenz-) Gesamtperiode To ermittelt. Diese ergibt sich aus der Summe der Zeitdauern des High-Pegels und des Low-Pegels des Ringoszillators T0=H0+L0. Diese Kalibiermessung dient als Vergleichsbasis zur Bestimmung des Einflusses der Strahlung auf die Gesamtperiode T.Alternatively or additionally, in a preferred embodiment, a (reference) total period To is determined in a calibration measurement before the ring oscillator is irradiated. This results from the sum of the durations of the high level and the low level of the ring oscillator T 0 =H0+L0. This calibration measurement serves as a basis for comparison to determine the influence of the radiation on the total period T.
Gemäß einer bevorzugten Variante wird ein Degenerations-Faktor für die jeweiligen in den CMOS-Einheiten eingesetzten PMOS und / oder NMOS-Transistoren bestimmt. Der Degenerations-Faktor gibt dabei ein Maß für den Einfluss der Strahlung auf die Schaltverzögerung der eingesetzten PMOS bzw. NMOS-Transistoren an und bildet daher insbesondere auch eine Kenngröße für die Alterung der jeweiligen Transistoren ab.According to a preferred variant, a degeneration factor is determined for the respective PMOS and/or NMOS transistors used in the CMOS units. The degeneration factor gives a measure of the influence of the radiation on the switching delay of the PMOS or NMOS transistors used and therefore also represents a parameter for the aging of the respective transistors.
Die Bestimmung erfolgt hierbei insbesondere nach Maßgabe folgender Formeln. Die Bestimmung kann wiederum rechnerisch oder mit Hilfe einer Lock-Up- Tabelle erfolgen:
Mit dem hier beschriebenen Verfahren kann daher in einfacher Weise auch die strahlungsbedingte Veränderung der Schaltverzögerung der für die CMOS-Einheiten eingesetzten Schalter ermittelt werden. Der Degenerationsfaktor DEG(NMOS) gibt für die NMOS-Transistoren das Verhältnis der Schaltverzögerung to des nicht gealterten Transistors (also insbesondere im Ausgangszustand ohne Bestrahlung) zu der Schaltverzögerung t des gealterten Transistors (also insbesondere nach einer Bestrahlung) an. Bei den PMOS-Transistoren gibt der Degenerationsfaktor DEG(PMOS) das mit dem Kennwert y gewichtete Verhältnis der beiden Schaltverzögerungen t, to an.With the method described here, the radiation-related change in the switching delay of the switches used for the CMOS units can therefore also be determined in a simple manner. For the NMOS transistors, the degeneration factor DEG(NMOS) indicates the ratio of the switching delay to of the unaged transistor (i.e. in particular in the initial state without irradiation) to the switching delay t of the aged transistor (i.e. in particular after irradiation). In the case of PMOS transistors, the degeneration factor DEG(PMOS) indicates the ratio of the two switching delays t, to weighted with the characteristic value y.
In den obigen Formeln bezeichnen DEG(NMOS) den Degenerations-Faktor für den NMOS-Transistor, DEG(PMOS) den Degenerations-Faktor für den PMOS-Transistor, y die Kennzahl für den Einfluss der ionisierenden Strahlung, z den Symmetriefaktor, x der Faktor, mit dem sich die Schaltverzögerungen der CMOS-Einheiten (6, 8, 10) der Zeitglieder (4) unterscheiden, T die (gealterte) Gesamtperiode und To die (nicht gealterte) Referenz-Gesamtperiode des Ringoszillators. Die Kennzahlen x, y, z sowie T, To werden zuvor in geeigneter Weise - wie vorliegend beschrieben - bestimmt oder sind bekannt.In the above formulas, DEG(NMOS) denotes the degeneration factor for the NMOS transistor, DEG(PMOS) the degeneration factor for the PMOS transistor, y the index for the influence of ionizing radiation, z the symmetry factor, x the factor , with which the switching delays of the CMOS units (6, 8, 10) of the timing elements (4) differ, T the (aged) total period and To the (non-aged) reference total period of the ring oscillator. The characteristics x, y, z and T, To are previously determined in a suitable manner—as described here—or are known.
In bevorzugter Ausgestaltung unterscheiden sich die Schaltverzögerung der beiden CMOS-Einheiten eines logischen Zeitglieds um einen Faktor x, welcher vorzugsweise größer gleich 1, insbesondere größer 5 liegt und welcher darüber hinaus speziell in einem Bereich zwischen 2 und 20 und insbesondere zwischen 4 und 10 liegt oder auch noch viel höher liegen kann (theoretisch unendlich, siehe Limes F1 bzw. F4). Gemäß der Formel (F1) bzw. (F3) zeigt sich, dass der Effekt der Kenngröße (Einfluss der ionisierenden Strahlung oder des Symmetriefaktors) deutlicher hervortritt, je höher dieser Faktor gewählt ist. Dies wird auch in den Tabellen 1 und 2 weiter unten verdeutlicht. Allerdings wird mit zunehmendem Faktor der bauliche Aufwand erhöht. Die gewählten Bereiche ermöglichen eine zuverlässige Bestimmung der Kenngröße bei moderatem Aufwand.In a preferred embodiment, the switching delay of the two CMOS units of a logic timer differ by a factor x, which is preferably greater than or equal to 1, in particular greater than 5 and which is also specifically in a range between 2 and 20 and in particular between 4 and 10 or can also be much higher (theoretically infinite, see Limes F1 or F4). According to the formula (F1) or (F3), it can be seen that the effect of the parameter (influence of the ionizing radiation or the symmetry factor) becomes more apparent the higher this factor is selected. This is also illustrated in Tables 1 and 2 below. However, as the factor increases, so does the structural complexity. The selected ranges enable a reliable determination of the parameter with moderate effort.
Zur Einstellung der unterschiedlichen Schaltverzögerungen sind die unterschiedlichen CMOS-Einheiten physikalisch-technisch unterschiedlich aufgebaut.To set the different switching delays, the different CMOS units have different physical and technical structures.
So besteht beispielsweise gemäß einer ersten Variante die Möglichkeit, dass ein jeweiliger CMOS-Inverter physikalisch technisch anders ausgestaltet ist, beispielsweise im Hinblick auf geometrische und/oder elektrische Kenngrößen (Leitwert W/L, Breite/Länge) beispielsweise der Ladungsträgerzone zwischen Source und Drain Anschluss oder auch durch unterschiedliche Dotierungen etc.For example, according to a first variant, there is the possibility that a respective CMOS inverter is designed differently physically and technically, for example with regard to geometric and/or Electrical parameters (conductance W/L, width/length) for example of the charge carrier zone between source and drain connection or also due to different doping etc.
In bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zur Einstellung der unterschiedlichen Verzögerungszeiten der beiden CMOS-Einheiten diese eine unterschiedliche Anzahl von einzelnen, vorzugsweise gleichen, parallel geschalteten CMOS-Inverter aufweisen. Speziell ist vorgesehen, dass die eine CMOS-Einheit durch einen einzelnen CMOS-Inverter gebildet ist und die andere CMOS-Einheit durch mehrere CMOS-Inverter. Das Verhältnis der Anzahl der CMOS-inverter der beiden CMOS-Einheiten korreliert mit dem Faktor x für die unterschiedlichen Schaltverzögerung, speziell entspricht das Verhältnis dieser Anzahl dem Faktor x. Wird also beispielsweise für die erste CMOS-Einheit ein einzelner CMOS-Inverter eingesetzt und für die zweite CMOS-Einheit fünf einzelne CMOS-Inverter, so ergibt sich zumindest in erster Näherung ein Faktor 5. Durch die Parallelschaltung der einzelnen CMOS-Inverter wird - vereinfacht dargestellt - ein Schaltwiderstand reduziert, was zu einem schnelleren Schalten führt.In a preferred embodiment, it is provided that, in order to set the different delay times of the two CMOS units, they have a different number of individual, preferably identical, parallel-connected CMOS inverters. Specifically, it is provided that one CMOS unit is formed by a single CMOS inverter and the other CMOS unit by a plurality of CMOS inverters. The ratio of the number of CMOS inverters of the two CMOS units correlates with the factor x for the different switching delays, specifically the ratio of this number corresponds to the factor x. If, for example, a single CMOS inverter is used for the first CMOS unit and five individual CMOS inverters for the second CMOS unit, the result is at least a first approximation of a factor of 5. Connecting the individual CMOS inverters in parallel simplifies shown - a switching resistance is reduced, resulting in faster switching.
In der vorliegenden Anmeldung wird allgemein als CMOS-Inverter oder auch Schalter das eigentliche CMOS-Bauteil bestehend aus genau einem PMOS-Schalter sowie einem NMOS-Schalter verstanden. Der Begriff CMOS-Einheit bezeichnet eine Anzahl von CMOS-Invertern, im einfachsten Fall nur einen Inverter.In the present application, the actual CMOS component consisting of precisely one PMOS switch and one NMOS switch is generally understood to be the CMOS inverter or switch. The term CMOS unit designates a number of CMOS inverters, in the simplest case just one inverter.
In bevorzugter Ausgestaltung wird auf Basis der ermittelten Kenngröße eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen durchgeführt:
- 1. Es wird - speziell bei einem Einfluss ionisierender Strahlung - auf einen unzulässigen Alterungszustand geschlossen, falls die Kenngröße für den Einfluss der ionisierenden Strahlung einen Grenzwert überschreitet. In diesem Fall wird eine geeignete Maßnahme ergriffen, beispielsweise eine Fehlerwarnung erzeugt oder ein Hinweis, dass eine ordnungsgemäße Funktion des Bauteils nicht mehr zwingend sichergestellt werden kann und daher ein Austausch vorgenommen werden sollte.
- 2. Es wird basierend auf der Kennzahl für die ionisierende Strahlung eine Bestrahlungsdosis ermittelt, die der Ringoszillator ausgesetzt war. Hierzu wird beispielsweise eine - in vorab durchgeführten Referenzmessungen - ermittelte Korrelationen zwischen der Kennzahl und der tatsächlichen Bestrahlungsdosis (z.B. TID) hinterlegt.
- 3. Auf Basis der gemessenen Kenngröße wird ein von einer elektronischen Schaltung ausgeübter Arbeitsprozess modifiziert und angepasst. Dies beruht auf der Überlegung, dass - speziell bei Anwendungen, die die DDR (Double Date Rate) nutzen - eine Veränderung der Zeitdauer des H-Pegels zu einer Beeinflussung der Prozesse führen kann. Da mit den Ringoszillator unmittelbar eine Aussage über den H-Pegel ermittelt wird, wird dies herangezogen, um die durchgeführten Arbeitsprozesse an den gegebenenfalls geänderten H-Pegel anzupassen.
- 1. An inadmissible state of aging is concluded - especially in the case of an influence of ionizing radiation - if the parameter for the influence of the ionizing radiation exceeds a limit value. In this case, a suitable measure is taken, for example an error warning is generated or an indication that proper functioning of the component can no longer be guaranteed and that an exchange should therefore be carried out.
- 2. An exposure dose to which the ring oscillator was exposed is determined based on the ionizing radiation index. For this purpose, for example, a correlation—determined in reference measurements carried out in advance—between the index and the actual radiation dose (eg TID) is stored.
- 3. On the basis of the measured parameter, a work process carried out by an electronic circuit is modified and adjusted. This is based on the consideration that - especially in applications that use the DDR (Double Date Rate) - a change in the duration of the H level can affect the processes. Since a statement about the H level is determined directly with the ring oscillator, this is used to adapt the work processes carried out to the possibly changed H level.
Das hier beschriebene Verfahren wird speziell in sicherheitskritischen Anwendungen zur Überwachung der Degradation von elektronischen Bauteilen, beispielsweise im Bereich der Teilchenbeschleuniger (CERN), der Luftfahrt- oder Raumfahrttechnik, der Atomtechnik oder der Medizintechnik (Bestrahlungsmedizin (Therapie / Diagnose)) eingesetzt.The method described here is used specifically in safety-critical applications for monitoring the degradation of electronic components, for example in the field of particle accelerators (CERN), aviation or space technology, nuclear technology or medical technology (radiation medicine (therapy / diagnosis)).
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in teilweise stark vereinfachten Darstellungen:
-
1 eine schematisierte Darstellung eines Ringoszillators mit einem Zeitglied bestehend aus zwei CMOS-Einheiten mit unterschiedlichen Schaltverzögerungen, -
2 eine Schaltbilddarstellung einer möglichen Umsetzung des in der1 dargestellten Zeitglieds mit den unterschiedlichen Schaltverzögerungen.
-
1 a schematic representation of a ring oscillator with a timer consisting of two CMOS units with different switching delays, -
2 a circuit diagram representation of a possible implementation of in the1 shown timing element with the different switching delays.
Anhand der
Der Ringoszillator 2 weist allgemein eine Anzahl n von Zeitgliedern 4 auf. Ein jeweiliges Zeitglied 4 weist dabei exakt zwei CMOS-Einheiten 6 auf, die in Serie zueinander angeordnet sind. Die beiden Einheiten 6 sind dabei Einheiten eines ersten Typs 8 sowie eines zweiten Typs 10. Die beiden Typen unterscheiden sich im Hinblick auf ihre Schaltverzögerungen.The
Unter Schaltverzögerung wird allgemein die Zeitdauer verstanden, die zwischen dem Zeitpunkt einer Änderung des am Eingang (Gate Anschluss) anliegenden Signals (Pegel) bis zur Änderung des Ausgangspegels (Drain Anschluss) vergeht. Switching delay is generally understood to mean the length of time that elapses between the point in time of a change in the signal (level) present at the input (gate connection) and the change in the output level (drain connection).
Da ein jeweiliges Zeitglied 4 ein Inverterpaar umfasst, ändert sich der Pegel zwischen Eingang und Ausgang eines solchen Zeitglieds 4 nicht. Die Anzahl n der Zeitglieder 4 liegt, je nach gewünschter Auflösung bzw. Genauigkeit, typischerweise im Bereich von mehr als 100 und beispielsweise auch mehr als 1000 und liegt beispielsweise im Bereich zwischen 100 und 1000, oder auch 10 000 einzelnen Einheiten 6. Die einzelnen Einheiten 6 bilden insgesamt aufgrund ihrer seriellen Anordnung eine Kette (Delay Chain oder auch Delay Line). Unter serieller Anordnung wird verstanden, dass der Drain-Anschluss einer jeweiligen Einheit 6 mit dem Gate-Anschluss einer nachfolgenden Einheit 6 verbunden ist.Since a
Liegt am Eingang dieser Kette ein H-Pegel an, so liegt dieser um eine Gesamt-Schaltverzögerung verspätet auch am Ausgang dieser Kette an. Der Ausgang der Kette ist mit einem eingangsseitigen Inverter welcher im Ausführungsbeispiel als ein invertierendes Oder-Gatter (NOR-Gate 12) ausgebildet ist, verbunden. Dessen in der
Die Gesamtperiode T des durch den Ringoszillator gebildeten Schwingkreises ergibt sich aus der Summe der Zeitdauer der beiden Pegel H und L.The total period T of the resonant circuit formed by the ring oscillator results from the sum of the durations of the two levels H and L.
In der
Die Schaltverzögerung, also die Schaltzeit, die für einen Schaltvorgang benötigt wird, und zwar speziell durch die NMOS-Schalter-Einheit wird vorliegend mit t charakterisiert. Damit ergibt sich unter Berücksichtigung des Symmetriefaktors zunächst, dass die Schaltverzögerung für die NMOS-Einheit t ist und die Schaltverzögerung für die PMOS-Einheit t*z ist.The switching delay, that is to say the switching time required for a switching operation, specifically by the NMOS switch unit, is characterized here as t. Taking the symmetry factor into account, this means that the switching delay for the NMOS unit is t and the switching delay for the PMOS unit is t*z.
Im Falle einer Bestrahlung mit ionisierender Strahlung erfolgt eine asymmetrische Degradation, sodass die Schaltzeiten der PMOS-Einheit und der NMOS Einheit sich zusätzlich in Abhängigkeit der Strahlendosis relativ zueinander ändern. Dies wird vorliegend durch den Faktor y repräsentiert, welcher eine Kennzahl für den Einfluss der Strahlung darstellt. Somit ergibt sich insgesamt bei einer Schaltverzögerung t bei der NMOS-Einheit eine Schaltverzögerung y*z*t bei der PMOS-Einheit.In the case of irradiation with ionizing radiation, an asymmetrical degradation occurs, so that the switching times of the PMOS unit and the NMOS unit also change relative to one another as a function of the radiation dose. In the present case, this is represented by the factor y, which is a key figure for the influence of the radiation. Thus, given a switching delay t in the NMOS unit, there is a switching delay y*z*t in the PMOS unit overall.
Wie bereits dargelegt, enthält ein jeweiliges Zeitglied 4 unterschiedliche Typen 8, 10 von CMOS-Einheiten, die sich im Hinblick auf ihre Schaltverzögerung unterscheiden. Dies wird im Schaubild der
Da bei einer Gesamtperiode T die Kette bestehend aus den Zeitgliedern 4 insgesamt zweimal vollständig durchlaufen wird ergibt sich für die Gesamtperiode T folgender Zusammenhang in Gleichung 1:
Weiterhin wird ein Kenngrößen-Index nachfolgend auch als Alterungsindex AI bezeichnet, welcher gebildet ist durch das Verhältnis der Zeitdauern der beiden Pegel H, L. Für diesen Kenngrößen Index AI ergibt sich folgender Zusammenhang gemäß Gleichung 2
Mit
Aus der Gleichung 2 ist zum einen erkennbar, dass sich der Kenngrößen-Index AI, welcher nichts anderes als das Tastverhältnis zwischen der Zeitdauer des H-Pegels und L-Pegels ist (auch als Duty Cycle D bezeichnet, D = Al/ (1+Al)), unabhängig von der Kennzahl y ist, für den Fall, dass die beiden Einheiten 6 eines jeweiligen Zeitglieds 4 eine identische Schaltverzögerung hätten, wenn also x=1 wäre. In diesem Fall sind Nenner und Zähler jeweils durch den Ausdruck 1+yz bestimmt, sodass sich für den Kenngrößen-Index Al jeweils ein konstanter Wert von 1 ergibt, also die Zeiten für H und L identisch sind, was einem Tastverhältnis (Duty Cycle D) von 50% entspricht.
Dies zeigt also, dass erst durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung, wonach sich die CMOS-Einheiten 6 hinsichtlich ihrer Schaltverzögerungszeiten unterscheiden und unterschiedliche Typen 8, 10 von CMOS-Einheiten 6 verwendet werden, der Einfluss von ionisierender Strahlung erfasst und bestimmt werden kann.This therefore shows that the influence of ionizing radiation can only be detected and determined by the configuration according to the invention, according to which the CMOS units 6 differ in terms of their switching delay times and different types 8, 10 of CMOS units 6 are used.
Der Symmetriefaktor z ist vorzugsweise bekannt und wird insbesondere durch geeignete Ausgestaltung der einzelnen CMOS-Einheiten 6 als symmetrische Einheiten auf 1 gewählt. Zumindest ist der Symmetriefaktor z bekannt, beispielsweise durch eine anfängliche Kalibriermessung, also für den Fall, dass noch keine Bestrahlung erfolgte und in diesem Fall y=1 ist (vgl. dazu auch Erläuterungen zu den Formeln F4 und F5 oben). Dies führt dann ausgehend von Gleichung 2 zu folgender Gleichung 4:
Dieser Zusammenhang wird vorliegend zur Bestimmung des Symmetriefaktors z herangezogen. Auch hier ist erkennbar, dass die Bestimmung des Symmetriefaktors z durch den hier beschriebenen Messaufbau mit dem Ringoszillator 2 und der Messung der Zeitdauern für H-Pegel und L-Pegel nur dann möglich ist, wenn unterschiedliche Verzögerungszeiten für die verschiedenen Typen 8,10 eingestellt sind.This relationship is used here to determine the symmetry factor z. Here, too, it can be seen that the determination of the symmetry factor z using the measurement setup described here with the
Der Zusammenhang gemäß Gleichung 4 wird entweder direkt zur Bestimmung des Symmetriefaktors z herangezogen, um dann entsprechende weitere Maßnahmen wie Anpassung eines Arbeitsprozesses etc. durchzuführen. Alternativ dient die Bestimmung des Symmetriefaktors z im Rahmen der Bestimmung des Einflusses der ionisierenden Strahlung als Kalibriermessung. Dies bedeutet, dass speziell in dem Fall, wenn der Symmetriefaktor nicht oder nicht zuverlässig bekannt ist, bei der Ermittlung der Kennzahl für den Einfluss der ionisierenden Strahlung vorzugsweise zweistufig vorgegangen wird und zunächst in einer ersten Stufe im Rahmen einer Kalibriermessung der Symmetriefaktor z ermittelt wird. Dies erfolgt, bevor die einzelnen Bauteile einer ionisierenden Strahlung ausgesetzt werden.The relationship according to
Die nachfolgende Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen dem Kenngrößen-Index AI und dem Symmetriefaktor z bei unterschiedlichen Faktoren für x gemäß der Gleichung 4. Tabelle 1
Diese Tabelle 1 bildet eine Lookup Tabelle, sodass bei bekanntem Faktor x und bei einem gemessenen Kenngrößen-Index AI (grau hinterlegte Felder) der jeweilige Symmetriefaktor z abgelesen werden kann bzw. per externen Softwarealgorithmen direkt aus den Gleichungen errechnet werden kann (siehe Formeln F4 und F5).This Table 1 forms a lookup table so that if the factor x is known and the measured parameter index AI (fields with a gray background) the respective symmetry factor z can be read or calculated directly from the equations using external software algorithms (see formulas F4 and F5).
Die nachfolgende Tabelle 2 bildet den Zusammenhang zwischen dem Kenngrößen-Index AI und der prozentualen Kennzahl y' für den Einfluss der ionisierenden Strahlung ab, und zwar am Beispiel von symmetrisch ausgebildeten Einheiten 6, d. h. der Symmetriefaktor z=1 gemäß obiger Gleichung 3. Tabelle 2
Auch bei dieser Tabelle 2 handelt es sich um eine Lookup-Tabelle, mittels derer anhand des messtechnisch erfassten Kenngrößen-Index Al unmittelbar die prozentuale Kennzahl y' abgelesen werden kann. Vorliegend wurde die Tabelle 2 beispielhaft durch eine Simulationsrechnung ermittelt. Grundsätzlich kann eine solche Tabelle auch durch Referenzmessungen erstellt werden. Durch externe Softwarealgorithmen kann der Wert für y' direkt aus den Messwert AI=H/L und der Gleichung 3 errechnet werden.This table 2 is also a lookup table, by means of which the percentage characteristic number y′ can be read off directly using the characteristic variable index A1 recorded by measurement. In the present case, Table 2 was determined as an example by means of a simulation calculation. In principle, such a table can also be created using reference measurements. External software algorithms can be used to calculate the value for y' directly from the measured value AI=H/L and Equation 3.
Ein gemessener AI-Wert von 1,308 für x=5 (dunkelgraue Markierung in Tabelle 2) gibt an, dass sich damit durch die ionisierende Strahlung eine Asymmetrie von 50% ergeben hat.A measured AI value of 1.308 for x=5 (marked dark gray in Table 2) indicates that the ionizing radiation has resulted in an asymmetry of 50%.
Insgesamt lässt sich daher auf Basis der zuvor beschriebenen Zusammenhänge zwischen dem Kenngrößen Index Al und dem Symmetriefaktor z bzw. der Kennzahl y bzw. y' für die Degradation infolge ionisierender Strahlung zuverlässig und sicher gewünschte Kenngrößen zum Einfluss der ionisierenden Strahlung und/oder des Symmetriefaktor z ermitteln. Der Implementierungsfaktor x muss dabei größer als 1 gewählt werden, wobei sich die Genauigkeit bzw. Auflösung für die Ermittlung der Asymmetrie sich durch Wahl eines größeren x-Faktors erhöht.Overall, on the basis of the previously described relationships between the index Al and the symmetry factor z or the index y or y′ for the degradation due to ionizing radiation, desired parameters for the influence of the ionizing radiation and/or the symmetry factor z can be reliably and safely determined determine. In this case, the implementation factor x must be selected to be greater than 1, with the accuracy or resolution for determining the asymmetry increasing by selecting a larger x-factor.
Zurückkommend auf die Gleichung (1) ergibt sich allgemein für die Schaltverzögerung t des NMOS-Transistors aus der
Mit dieser Gleichung kann man nun auch bei bekanntem n, x, z und mit T0=H0+L0 die ursprüngliche Schaltverzögerung to ohne Bestrahlung, d.h. mit y=1, bestimmen. Nach Rechnung ergibt sich für die Degradation des NMOS-Transistors:
Desgleichen ergibt sich für die Degradation des PMOS-Transistors (
Damit kann man mit den gemessenen H bzw. Ho und L bzw. Lo-Werten vor und nach Bestrahlung, die Perioden T bzw. To bestimmen und mit den bekannten Faktoren x und z, sowie mit der y-Bestimmung gemäß Gleichung 2 (bzw. Formel F6) nicht nur die Asymmetrie zwischen PMOS und NMOS bestimmen, sondern eben auch deren jeweilige absolute Degradation (DEG).With the measured H or Ho and L or Lo values before and after irradiation, the periods T or To can be determined and with the known factors x and z, as well as with the y determination according to Equation 2 (or Formula F6) not only determine the asymmetry between PMOS and NMOS, but also their respective absolute degradation (DEG).
Zur Bestimmung der Kenngröße, speziell zur Bestimmung des Einflusses der ionisierenden Strahlung, wird der zu der
Um zwischen den unterschiedlichen Typen 8,10 von CMOS-Einheiten 6 unterschiedliche Verzögerungszeiten einzustellen ist in bevorzugter Ausgestaltung vorgesehen, dass für den zweiten Typ 10 mehrere einzelne CMOS-Inverter 16 zueinander parallelgeschaltet sind. Dies bedeutet der Ausgangs Pegel einer vorhergehenden CMOS-Einheit 6 liegt gleichzeitig an den Eingängen der mehreren CMOS-Inverter 16, deren Ausgänge (Drain Anschlüsse) sind miteinander verbunden und bilden einen gemeinsamen Ausgang der CMOS-Einheit 6,10 des zweiten Typs. Dies ist in der
Ein jeweiliger CMOS-Inverter 16 weist einen PMOS-Schalter 18 sowie einen NMOS-Schalter-Schalter 20 auf. Die PMOS-Schalter 18 sind - allgemein bei dem gesamten Ringoszillator 2 - mit einer Versorgungsspannung verbunden, und zwar ist ein jeweiliger Source Anschluss des PMOS-Schalters 18 mit der Versorgungsspannung verbunden. Demgegenüber ist der Source Anschluss des NMOS-Schalters 20 mit einem Bezugspotenzial (Grundpotenzial, beispielsweise Masse) verbunden. Der Ausgang, also jeweils der Drain-Anschluss sowohl des PMOS-Schalters 18 als auch des NMOS-Schalters 20 bilden den Ausgang des CMOS-Inverters 16. Der Eingang wird durch jeweils den Gate-Anschluss definiert.A
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.The invention is not limited to the embodiment described above. Rather, other variants of the invention can be derived from this by the person skilled in the art without the to leave the subject of the invention. In particular, all of the individual features described in connection with the exemplary embodiment can also be combined with one another in other ways without departing from the subject matter of the invention.
BezugszeichenlisteReference List
- 22
- Ringoszillatorring oscillator
- 44
- Zeitgliedtimer
- 66
- CMOS EinheitenCMOS units
- 88th
- erster Typfirst type
- 1010
- zweiter Typsecond type
- 1212
- NOR-GateNOR gate
- 1414
- Oszilloskoposcilloscope
- 1616
- CMOS InverterCMOS inverters
- 1818
- PMOS-SchalterPMOS switch
- 2020
- NMOS-Schalter NMOS switch
- TT
- Gesamtperiodetotal period
- HH
- High-Pegel, bzw. Dauer der High-PeriodeHigh level or duration of the high period
- LL
- Low-Pegel, bzw. Dauer der Low-PeriodeLow level or duration of the low period
- tt
- Schaltverzögerungswitching delay
- yy
- Kennzahl für Einfluss der Strahlung (Asymmetrie-Faktor)Indicator for the influence of radiation (asymmetry factor)
- y'y'
- prozentuale Kennzahl für Einfluss der Strahlungpercentage indicator for the influence of radiation
- ze.g
- Symmetriefaktorsymmetry factor
- xx
- Faktor für SchaltverzögerungFactor for switching delay
- AlAl
- Kenngrößen - Index (Degradations-Kennzahl)Parameters - index (degradation index)
- W/Lw/l
- Leitwert des Transistors (Width/Length)Conductance of the transistor (Width/Length)
- DEG(NMOS)DEG(NMOS)
- Degradation NMOS-TransistorsDegradation of NMOS transistors
- DEG(PMOS)DEG(PMOS)
- Degradation PMOS-TransistorsDegradation of PMOS transistors
Claims (12)
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