Este trabalho apresenta um estudo sobre a degradação de parâmetros elétricos de transistores CMOS tecnologia 0,35 μm, fabricados com o processo AMS C35B4, devido aos efeitos de dose total ionizante. Os efeitos de dose total são resultado do acúmulo de cargas em estruturas dielétricas de dispositivos semicondutores; em transistores MOS, este acúmulo de carga afeta parâmetros elétricos como a tensão de limiar, subthreshold swing, ruído 1/f, corrente de fuga e mobilidade efetiva dos portadores de carga. Com o objetivo de mensurar o impacto dos efeitos de dose total em transistores CMOS 0,35 μm, foi realizado um ensaio de irradiação, submetendo-se transistores de uma tecnologia comercial à radiação ionizante e realizando a caracterização destes dispositivos para diferentes doses totais acumuladas. Os resultados obtidos indicam a degradação dos transistores devido aos efeitos de dose total, bem como apontam a influência da polarização dos dispositivos durante o ensaio de irradiação nesta degradação. Estes resultados podem ser utilizados para, através de simulação elétrica de circuitos, estimar a tolerância à dose total de uma determinada topologia de circuito ou sistema. / This work presents a study on the degradation of electrical parameters of 0,35 μm CMOS transistors, fabricated with an AMS C35B4 process, due to total ionizing dose (TID) effects. The TID effects are the result of the trapping of charges in dielectric structures of semiconductor devices; in MOS transistors, this charge trapping affects electrical parameters such as threshold voltage, subthreshold swing, 1/f noise, leakage current and carrier effective mobility. In order to measure the impact of TID effects on electrical parameters of 0,35μm CMOS transistors, an irradiation test was performed, exposing transistors from a commercial technology to ionizing radiation and characterizing these devices under different total doses. The results obtained in this work indicate transistor degradation due to TID effects, as well as the impact of device polarization during the irradiation test on transistor degradation. These results may be used, through electrical simulation of circuits, to estimate the impact of TID effects on the operation of a circuit or system.

Este trabalho apresenta um estudo sobre a degradação de parâmetros elétricos de transistores CMOS tecnologia 0,35 μm, fabricados com o processo AMS C35B4, devido aos efeitos de dose total ionizante. Os efeitos de dose total são resultado do acúmulo de cargas em estruturas dielétricas de dispositivos semicondutores; em transistores MOS, este acúmulo de carga afeta parâmetros elétricos como a tensão de limiar, subthreshold swing, ruído 1/f, corrente de fuga e mobilidade efetiva dos portadores de carga. Com o objetivo de mensurar o impacto dos efeitos de dose total em transistores CMOS 0,35 μm, foi realizado um ensaio de irradiação, submetendo-se transistores de uma tecnologia comercial à radiação ionizante e realizando a caracterização destes dispositivos para diferentes doses totais acumuladas. Os resultados obtidos indicam a degradação dos transistores devido aos efeitos de dose total, bem como apontam a influência da polarização dos dispositivos durante o ensaio de irradiação nesta degradação. Estes resultados podem ser utilizados para, através de simulação elétrica de circuitos, estimar a tolerância à dose total de uma determinada topologia de circuito ou sistema. / This work presents a study on the degradation of electrical parameters of 0,35 μm CMOS transistors, fabricated with an AMS C35B4 process, due to total ionizing dose (TID) effects. The TID effects are the result of the trapping of charges in dielectric structures of semiconductor devices; in MOS transistors, this charge trapping affects electrical parameters such as threshold voltage, subthreshold swing, 1/f noise, leakage current and carrier effective mobility. In order to measure the impact of TID effects on electrical parameters of 0,35μm CMOS transistors, an irradiation test was performed, exposing transistors from a commercial technology to ionizing radiation and characterizing these devices under different total doses. The results obtained in this work indicate transistor degradation due to TID effects, as well as the impact of device polarization during the irradiation test on transistor degradation. These results may be used, through electrical simulation of circuits, to estimate the impact of TID effects on the operation of a circuit or system.

Este trabalho apresenta um estudo sobre a degradação de parâmetros elétricos de transistores CMOS tecnologia 0,35 μm, fabricados com o processo AMS C35B4, devido aos efeitos de dose total ionizante. Os efeitos de dose total são resultado do acúmulo de cargas em estruturas dielétricas de dispositivos semicondutores; em transistores MOS, este acúmulo de carga afeta parâmetros elétricos como a tensão de limiar, subthreshold swing, ruído 1/f, corrente de fuga e mobilidade efetiva dos portadores de carga. Com o objetivo de mensurar o impacto dos efeitos de dose total em transistores CMOS 0,35 μm, foi realizado um ensaio de irradiação, submetendo-se transistores de uma tecnologia comercial à radiação ionizante e realizando a caracterização destes dispositivos para diferentes doses totais acumuladas. Os resultados obtidos indicam a degradação dos transistores devido aos efeitos de dose total, bem como apontam a influência da polarização dos dispositivos durante o ensaio de irradiação nesta degradação. Estes resultados podem ser utilizados para, através de simulação elétrica de circuitos, estimar a tolerância à dose total de uma determinada topologia de circuito ou sistema. / This work presents a study on the degradation of electrical parameters of 0,35 μm CMOS transistors, fabricated with an AMS C35B4 process, due to total ionizing dose (TID) effects. The TID effects are the result of the trapping of charges in dielectric structures of semiconductor devices; in MOS transistors, this charge trapping affects electrical parameters such as threshold voltage, subthreshold swing, 1/f noise, leakage current and carrier effective mobility. In order to measure the impact of TID effects on electrical parameters of 0,35μm CMOS transistors, an irradiation test was performed, exposing transistors from a commercial technology to ionizing radiation and characterizing these devices under different total doses. The results obtained in this work indicate transistor degradation due to TID effects, as well as the impact of device polarization during the irradiation test on transistor degradation. These results may be used, through electrical simulation of circuits, to estimate the impact of TID effects on the operation of a circuit or system.

abstract: Implantable medical device technology is commonly used by doctors for disease management, aiding to improve patient quality of life. However, it is possible for these devices to be exposed to ionizing radiation during various medical therapeutic and diagnostic activities while implanted. This commands that these devices remain fully operational during, and long after, radiation exposure. Many implantable medical devices employ standard commercial complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) processes for integrated circuit (IC) development, which have been shown to degrade with radiation exposure. This necessitates that device manufacturers study the effects of ionizing radiation on their products, and work to mitigate those effects to maintain a high standard of reliability. Mitigation can be completed through targeted radiation hardening by design (RHBD) techniques as not to infringe on the device operational specifications. This thesis details a complete radiation analysis methodology that can be implemented to examine the effects of ionizing radiation on an IC as part of RHBD efforts. The methodology is put into practice to determine the failure mechanism in a charge pump circuit, common in many of today's implantable pacemaker designs, as a case study. Charge pump irradiation data shows a reduction of circuit output voltage with applied dose. Through testing of individual test devices, the response is identified as parasitic inter-device leakage caused by trapped oxide charge buildup in the isolation oxides. A library of compact models is generated to represent isolation oxide parasitics based on test structure data along with 2-Dimensional structure simulation results. The original charge pump schematic is then back-annotated with transistors representative of the parasitic. Inclusion of the parasitic devices in schematic allows for simulation of the entire circuit, accounting for possible parasitic devices activated by radiation exposure. By selecting a compact model for the parasitics generated at a specific dose, the compete circuit response is then simulated at the defined dose. The reduction of circuit output voltage with dose is then re-created in a radiation-enabled simulation validating the analysis methodology. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2010

Este trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento de circuitos analógicos CMOS quando sujeitos aos efeitos de dose total ionizante. Os efeitos de dose total são resultado da interação entre a radiação ionizante e as camadas dielétricas dos dispositivos semicondutores, provocando o acúmulo de cargas nestas estruturas e a degradação dos parâmetros elétricos dos dispositivos. Com o objetivo de mensurar estes efeitos em circuitos analógicos CMOS, realizou-se um ensaio de irradiação, submetendo-os à incidência de radiação ionizante – proveniente de uma fonte 60Co – até a acumulação de 490 krad de dose. Como objeto de estudo, foram utilizadas sete referências de tensão, um regulador de tensão e uma fonte de corrente, fabricados em tecnologia CMOS de 130 nm (IBM CM8RF). Os resultados obtidos demonstram a degradação do desempenho destes circuitos em virtude dos efeitos de dose total, apontando também, diferentes níveis de sensibilidade entre as topologias utilizadas. Tais resultados obtidos podem ser utilizados para o estudo de técnicas de tolerância aos efeitos de dose total para as diferentes topologias analisadas. / This work presents a study on the behavior of CMOS analog circuits when subjected to total ionizing dose effects. The effects of total dose are the result of interaction between the ionizing radiation and the dielectric layers of semiconductor devices, causing charge buildup in these structures and affecting electrical parameters of the devices. In order to measure these effects in CMOS analog circuits, an irradiation test was performed, subjecting these circuits to the incidence of ionizing radiation – from a 60Co source – up to 490 krad of dose. Several circuits were employed as object of this study, including seven voltage references, one voltage regulator, and one current source, all fabricated in a CMOS 130 nm technology (IBM CM8RF). The obtained results demonstrated a performance degradation of these circuits due to total dose effects, showing different levels of sensitivity for the employed topologies. These results can be used for the research on tolerance techniques for total dose effects in the different topologies analyzed.

Este trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento de circuitos analógicos CMOS quando sujeitos aos efeitos de dose total ionizante. Os efeitos de dose total são resultado da interação entre a radiação ionizante e as camadas dielétricas dos dispositivos semicondutores, provocando o acúmulo de cargas nestas estruturas e a degradação dos parâmetros elétricos dos dispositivos. Com o objetivo de mensurar estes efeitos em circuitos analógicos CMOS, realizou-se um ensaio de irradiação, submetendo-os à incidência de radiação ionizante – proveniente de uma fonte 60Co – até a acumulação de 490 krad de dose. Como objeto de estudo, foram utilizadas sete referências de tensão, um regulador de tensão e uma fonte de corrente, fabricados em tecnologia CMOS de 130 nm (IBM CM8RF). Os resultados obtidos demonstram a degradação do desempenho destes circuitos em virtude dos efeitos de dose total, apontando também, diferentes níveis de sensibilidade entre as topologias utilizadas. Tais resultados obtidos podem ser utilizados para o estudo de técnicas de tolerância aos efeitos de dose total para as diferentes topologias analisadas. / This work presents a study on the behavior of CMOS analog circuits when subjected to total ionizing dose effects. The effects of total dose are the result of interaction between the ionizing radiation and the dielectric layers of semiconductor devices, causing charge buildup in these structures and affecting electrical parameters of the devices. In order to measure these effects in CMOS analog circuits, an irradiation test was performed, subjecting these circuits to the incidence of ionizing radiation – from a 60Co source – up to 490 krad of dose. Several circuits were employed as object of this study, including seven voltage references, one voltage regulator, and one current source, all fabricated in a CMOS 130 nm technology (IBM CM8RF). The obtained results demonstrated a performance degradation of these circuits due to total dose effects, showing different levels of sensitivity for the employed topologies. These results can be used for the research on tolerance techniques for total dose effects in the different topologies analyzed.

Este trabalho apresenta um estudo sobre o comportamento de circuitos analógicos CMOS quando sujeitos aos efeitos de dose total ionizante. Os efeitos de dose total são resultado da interação entre a radiação ionizante e as camadas dielétricas dos dispositivos semicondutores, provocando o acúmulo de cargas nestas estruturas e a degradação dos parâmetros elétricos dos dispositivos. Com o objetivo de mensurar estes efeitos em circuitos analógicos CMOS, realizou-se um ensaio de irradiação, submetendo-os à incidência de radiação ionizante – proveniente de uma fonte 60Co – até a acumulação de 490 krad de dose. Como objeto de estudo, foram utilizadas sete referências de tensão, um regulador de tensão e uma fonte de corrente, fabricados em tecnologia CMOS de 130 nm (IBM CM8RF). Os resultados obtidos demonstram a degradação do desempenho destes circuitos em virtude dos efeitos de dose total, apontando também, diferentes níveis de sensibilidade entre as topologias utilizadas. Tais resultados obtidos podem ser utilizados para o estudo de técnicas de tolerância aos efeitos de dose total para as diferentes topologias analisadas. / This work presents a study on the behavior of CMOS analog circuits when subjected to total ionizing dose effects. The effects of total dose are the result of interaction between the ionizing radiation and the dielectric layers of semiconductor devices, causing charge buildup in these structures and affecting electrical parameters of the devices. In order to measure these effects in CMOS analog circuits, an irradiation test was performed, subjecting these circuits to the incidence of ionizing radiation – from a 60Co source – up to 490 krad of dose. Several circuits were employed as object of this study, including seven voltage references, one voltage regulator, and one current source, all fabricated in a CMOS 130 nm technology (IBM CM8RF). The obtained results demonstrated a performance degradation of these circuits due to total dose effects, showing different levels of sensitivity for the employed topologies. These results can be used for the research on tolerance techniques for total dose effects in the different topologies analyzed.

Este trabalho estuda os efeitos de dose total ionizante (TID – Total Ionizing Dose) em amplificadores operacionais e em seus blocos básicos de construção. A radiação ionizante presente no espaço pode afetar o funcionamento das estruturas MOS, sendo que um dos parâmetros mais prejudicados é a tensão de limiar (Threshold Voltage). Em virtude da diferença nos mecanismos de aprisionamento de cargas nos óxidos dos transistores do tipo N e do tipo P, esses dois dispositivos exibem comportamentos distintos à medida que a dose acumulada aumenta referente à tensão de limiar. Por isso, foram investigados os comportamentos de dois tipos de amplificadores que podem ser ditos complementares entre si. Nesse contexto, através de simulações SPICE desvios na tensão de limiar foram promovidos através da injeção direta no arquivo de parâmetros da tecnologia considerada. Com isso, um conjunto de simulações foi feito para gerar a estimativa da tendência de comportamento de parâmetros que qualificam o desempenho dos amplificadores operacionais, como é o caso do produto ganho largura de banda (GB), ganho DC e THD (Total Harmonic Distortion). Nesse sentido, foi possível compreender os mecanismos associados à degradação de desempenho e concluir qual das duas arquiteturas pode apresentar melhor desempenho relacionado à TID. / This work studies the effects of Total Ionizing Dose (TID) in operational amplifiers as well as in their basics building blocks. The radiation from space may affect functionality of MOS structures. One the most affected parameters is the threshold voltage. Due to the difference between N-type and P-type transistors related to the mechanism of charge trapping into the oxides, these two devices exhibit different behaviors, related to the threshold voltage parameter according to accumulated dose. Therefore, this work investigates the behavior of two counterpart operational amplifiers. In this context, by means of SPICE simulations, threshold deviations are injected into the transistors by modifying the technology models of the devices. Thus, a set of simulations was performed in order to generate an estimative of tendency for some of performance parameters of operational amplifiers, such as: the gain-bandwidth product (GB), DC gain, THD (Total Harmonic Distortion). In this sense, it was possible to understand the mechanisms associated to performance degradation and also, to conclude which of both architectures is more robust related to TID.

abstract: A modeling platform for predicting total ionizing dose (TID) and dose rate response of commercial commercial-off-the-shelf (COTS) linear bipolar circuits and technologies is introduced. Tasks associated with the modeling platform involve the development of model to predict the excess current response in a bipolar transistor given inputs of interface (NIT) and oxide defects (NOT) which are caused by ionizing radiation exposure. Existing models that attempt to predict this excess base current response are derived and discussed in detail. An improved model is proposed which modifies the existing model and incorporates the impact of charged interface trap defects on radiation-induced excess base current. The improved accuracy of the new model in predicting excess base current response in lateral PNP (LPNP) is then verified with Technology Computer Aided Design (TCAD) simulations. Finally, experimental data and compared with the improved and existing model calculations. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2017

Este trabalho estuda os efeitos de dose total ionizante (TID – Total Ionizing Dose) em amplificadores operacionais e em seus blocos básicos de construção. A radiação ionizante presente no espaço pode afetar o funcionamento das estruturas MOS, sendo que um dos parâmetros mais prejudicados é a tensão de limiar (Threshold Voltage). Em virtude da diferença nos mecanismos de aprisionamento de cargas nos óxidos dos transistores do tipo N e do tipo P, esses dois dispositivos exibem comportamentos distintos à medida que a dose acumulada aumenta referente à tensão de limiar. Por isso, foram investigados os comportamentos de dois tipos de amplificadores que podem ser ditos complementares entre si. Nesse contexto, através de simulações SPICE desvios na tensão de limiar foram promovidos através da injeção direta no arquivo de parâmetros da tecnologia considerada. Com isso, um conjunto de simulações foi feito para gerar a estimativa da tendência de comportamento de parâmetros que qualificam o desempenho dos amplificadores operacionais, como é o caso do produto ganho largura de banda (GB), ganho DC e THD (Total Harmonic Distortion). Nesse sentido, foi possível compreender os mecanismos associados à degradação de desempenho e concluir qual das duas arquiteturas pode apresentar melhor desempenho relacionado à TID. / This work studies the effects of Total Ionizing Dose (TID) in operational amplifiers as well as in their basics building blocks. The radiation from space may affect functionality of MOS structures. One the most affected parameters is the threshold voltage. Due to the difference between N-type and P-type transistors related to the mechanism of charge trapping into the oxides, these two devices exhibit different behaviors, related to the threshold voltage parameter according to accumulated dose. Therefore, this work investigates the behavior of two counterpart operational amplifiers. In this context, by means of SPICE simulations, threshold deviations are injected into the transistors by modifying the technology models of the devices. Thus, a set of simulations was performed in order to generate an estimative of tendency for some of performance parameters of operational amplifiers, such as: the gain-bandwidth product (GB), DC gain, THD (Total Harmonic Distortion). In this sense, it was possible to understand the mechanisms associated to performance degradation and also, to conclude which of both architectures is more robust related to TID.