Centre d’Électronique et de Micro-Optoélectronique de Montpellier Évaluation de la dangerosité de l’environnement radiatif atmosphérique aux altitudes avioniques : détection des ions secondaires issus de l’interaction n-Si à l’aide d’un détecteur semi-conducteur Hinde CHABANE chabane@cem2.univ-montp2.fr JNRDM 2005 Centre d’Électronique et de Micro-Optoélectronique de Montpellier

Problématique Interaction des particules de l’environnement radiatif avec les matériaux constitutifs d’un circuit intégré Défaillances Nécessité d’évaluer la dangerosité de cet environnement sur les technologies silicium embarquées Mise en oeuvre d'un détecteur semi-conducteur pour l'évaluation de l'environnement neutronique atmosphérique  Principe : évaluation des dépôts d’énergie susceptibles d’induire des dysfonctionnements dans les circuits électroniques

Sommaire Description de l’environnement radiatif naturel Problématique électronique-rayonnement Mise en œuvre d’un détecteur semi-conducteur Étude de faisabilité (évaluations) Conclusions et perspectives

Sommaire Description de l’environnement radiatif naturel Problématique électronique-rayonnement Mise en œuvre d’un détecteur semi-conducteur Étude de faisabilité (évaluations) Conclusions et perspectives

L’environnement radiatif spatial Vent solaire La magnétosphère Éruptions solaires RCG 85 % de protons 12 % d’hélium 2 % d’électrons 1 % d’ions lourds

L’environnement atmosphérique Particule cosmique énergétique Choc avec le noyau d’un atome de l’atmosphère Éjection de nouvelles particules Cascade de collisions aboutissant à la formation de nouvelles particules dans l’atmosphère (ion lourd, protons, neutrons, alpha, pions, muons …)

L’environnement radiatif atmosphérique La connaissance de l’environnement neutronique est un problème d’actualité (activité solaire, altitude, latitude, …). !

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Problématique électronique-rayonnement L’environnement naturel est radiatif : Présence de protons dans l’espace Prédominance de neutrons dans l’atmosphère Problème : les composants électroniques à bord des avions, des lanceurs, des sondes et des satellites sont soumis à ces particules. Risque de dysfonctionnements !

Interaction neutron-silicium Ionisation de la matière Formation de particules ionisantes en mouvement Création de porteurs dans le composant Neutron incident Noyau de la matière (au repos) Modification des courants locaux ! Dysfonctionnement !

L’aléa logique ou Single Event Upset (SEU) Il correspond au changement d’état logique d’un point mémoire suite au passage d’une seule particule. Particularités : Le composant n’est pas détérioré L’information est altérée

Méthode de prédiction du taux d’aléas logiques Question : quels sont les ions secondaires les plus dangereux pour les technologies silicium embarquées ? Développement d’une base de données contenant : Tous les ions susceptibles d’être produits lors d’une interaction nucléon – matière (neutron-silicium) Distribution énergétique des ions secondaires Base de données Logiciels de prédiction du taux de SEU

Influence de l’énergie déposée sur le taux de SER (Soft Error Rate) Technologie avancée Les ions secondaires Ed > 200 keV sont susceptibles d’induire un SEU

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Mise en œuvre d’un détecteur semi-conducteur Complexité des systèmes embarqués outils de prédiction obsolètes Meilleure connaissance de l’environnement neutronique atmosphérique (mesure in situ de l’activité cosmique) Détecteur de petite taille, autonome pouvant être embarqué sur plusieurs transporteurs (avions, ballons,…)

TONIO (Terrestrial Observation of Neutron Interaction Occurrence) Détecteur semi-conducteur (diode silicium) mesure de l’énergie déposée par les particules ionisantes Intérêt : se rapprocher des technologies silicium constituant les mémoires SRAM de manière à retranscrire ce que subira le composant électronique embarqué Électronique associée permettant de mettre en forme le signal Traitement numérique de l’information pour stockage et analyse des données

Trace de la particule ionisante Principe de détection n p Trace de la particule ionisante Courant résultant Charge collectée directement proportionnelle à l’énergie déposée par une particule ionisante incidente ou par les ions secondaires créés dans la diode détectrice

Principe de fonctionnement Diode Détectrice en Si Amplification et mise en forme du signal Acquisition et mémorisation Transmission et analyse des données Localisation (GPS)

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Évaluations Caractérisation de sensibilité par faisceau laser au CCR Facilité d’accès à cet outil Possibilité de reproduire les effets des radiations par impulsions laser Forte ionisation durant un temps très court

Évaluations Caractéristiques de sortie du détecteur en fonction de la charge générée dans la diode

Conclusions et perspectives Validation du fonctionnement de l’électronique faisabilité Intégration développement en cours Expériences sous faisceaux à venir : Générateur de neutrons (14 MeV) Source Californium 252Cf … Phase de mise en œuvre industrielle vols d’essai à venir