Total ionizing dose (TID) radiation effects modeling and simulation on digital, analog and mixed signal systems remains a significant bottle neck in the development of radiation-hardened electronics. Unverified modeling techniques and the very high computational cost with today's commercial simulation tools are among the primary hindrances to the timely hardened IC design, particularly to the design in commercially available processes. SPICE-based methods have been used for total dose radiation degradation simulations. While SPICE is effective in predicting the circuit behavior under circumstances when the electrical parameters stay constant during operation, it's not effective predicting aging behavior with gradual change with time. Behavioral modeling language, such as VHDL-AMS is needed to effectively capture the time-dependent degradation in these parameters in response to environmental stresses, such as TID radiation.This dissertation describes a method for accurate and rapid TID effect simulation of complex mixed-signal circuits. The method uses a hierarchical structure where small sub-circuits, such as voltage comparators, references, etc. are simulated using SPICE. These SPICE simulations of small circuits for multiple radiation doses are used to tune behavioral VHDL-AMS models for the sub-circuits. The created behavioral models therefore contain the electrical circuit behavior combined with the radiation response. The entire combined system is then simulated using VHDL-AMS.In a simulation experiment that was used to validate the speed and accuracy of the new method, a commercial 8-bit sub-ranging analog to digital converter netlist containing more than 2000 MOS transistors was simulated with TID models using a contemporary SPICE-based method and the new method. The new method shortened the simulation time by three orders of magnitude, while accuracy remained within reasonable limits compared to the SPICE-based method. Moreover, the automated procedures for circuit node bias monitoring, TID model replacement and result collection that are included in the simulation code of the new method decreased the "hands-on" engineering work significantly. Results from an experiment where the new TID effect simulation method was used as a hardness assurance test procedure for integrated circuits designed to be operated in radiation-harsh environments are also included in this dissertation.

Esse trabalho apresenta um estudo sobre os efeitos de radiação em circuitos analógicos de baixa e ultra baixa potência e tensão, identificando as fragilidades destes circuitos (e das respectivas técnicas de projeto) quando aplicados em ambientes radioativos, como, por exemplo, os circuitos em satélites, e em equipamentos de instalações nucleares. Foram realizados estudos de caso, via simulação elétrica utilizando o software HSPICE, considerando os efeitos de degradação elétrica correspondentes a doses de radiação acumulada de até 500krad(Si), além de eventos singulares considerando circuitos de baixa tensão e potência projetados para a tecnologia IBM (GF) de 130nm. Pôde-se observar que o uso de transistores de óxido mais fino, apesar de afetar negativamente o consumo estático, é recomendado para as aplicações estudadas, devido a menor sensibilidade à radiação. Ainda, foi discutido o aumento dos caminhos de fuga de corrente devido ao uso de layout distribuído. Possibilidades e estratégias de mitigação foram discutidas. Por fim, obteve-se um conjunto de sugestões e informações para auxiliar o projetista de circuitos de baixo consumo a obter soluções robustas à radiação. / This work studies the radiation effects in low-power and ultra-low power analog circuits, identifying the fragility of such circuits (and associated design techniques) when employed in radioactive environments, as for example, in satellites and nuclear facilities. Case studies were carried out using HSPICE software for electrical simulation of cumulative radiation effects, corresponding to doses up to 500krad(Si), as well as for single events simulation. We showed that, the use of thin oxide (core) MOSFETS, though increasing the static consumption, is recommended for the studied applications, because they are less sensitive to radiation. Then, we discussed the increase of current leakage paths by the distributed layout style. Mitigation strategies were also discussed. Finally, we obtained a set of suggestions and information to guide the designers of low power analog circuits towards obtaining radiation robust solutions.

A summary of total dose effects observe in advanced Silicon Germanium (SiGe) Heterojunction Bipolar Transistors (HBTs) is presented in this work. The principal driving froces behin the increased use of SiGe BiCMOS technology in space based electronics systems are outlined in the motivation Section of Chapter I. This is followed by a discussion of the strained layer Si/SiGe material structure and relevant fabrication techniques used in the development of the first generation of this technology. A comprehensive description of the device performance is presented. Chapter II presents an overview of radiation physics as it applies to microelectronic devices. Several sources of radiation are discussed including the environments encountered by satellites in different orbital paths around the earth. The particle types, interaction mechanisms and damage nomenclature are described. Proton irradiation experiments to analyze worst case displacement and ionization damage are examined in chapter III. A description of the test conditions is first presented, followed by the experimental results on the observed dc and ac transistor performance metrics with incident radiation. The impact of the collector doping level on the degradation is discussed. In a similar fashion, gamma irradiation experiments to focus on ionization only effects are presented in chapter IV. The experimental design and dc results are first presented, followed by a comparison of degradation under proton irradiation. Additional proton dose rate experiments conducted to further investigate observed differences between proton and gamma results are presented.

Esse trabalho apresenta um estudo sobre os efeitos de radiação em circuitos analógicos de baixa e ultra baixa potência e tensão, identificando as fragilidades destes circuitos (e das respectivas técnicas de projeto) quando aplicados em ambientes radioativos, como, por exemplo, os circuitos em satélites, e em equipamentos de instalações nucleares. Foram realizados estudos de caso, via simulação elétrica utilizando o software HSPICE, considerando os efeitos de degradação elétrica correspondentes a doses de radiação acumulada de até 500krad(Si), além de eventos singulares considerando circuitos de baixa tensão e potência projetados para a tecnologia IBM (GF) de 130nm. Pôde-se observar que o uso de transistores de óxido mais fino, apesar de afetar negativamente o consumo estático, é recomendado para as aplicações estudadas, devido a menor sensibilidade à radiação. Ainda, foi discutido o aumento dos caminhos de fuga de corrente devido ao uso de layout distribuído. Possibilidades e estratégias de mitigação foram discutidas. Por fim, obteve-se um conjunto de sugestões e informações para auxiliar o projetista de circuitos de baixo consumo a obter soluções robustas à radiação. / This work studies the radiation effects in low-power and ultra-low power analog circuits, identifying the fragility of such circuits (and associated design techniques) when employed in radioactive environments, as for example, in satellites and nuclear facilities. Case studies were carried out using HSPICE software for electrical simulation of cumulative radiation effects, corresponding to doses up to 500krad(Si), as well as for single events simulation. We showed that, the use of thin oxide (core) MOSFETS, though increasing the static consumption, is recommended for the studied applications, because they are less sensitive to radiation. Then, we discussed the increase of current leakage paths by the distributed layout style. Mitigation strategies were also discussed. Finally, we obtained a set of suggestions and information to guide the designers of low power analog circuits towards obtaining radiation robust solutions.

Esse trabalho apresenta um estudo sobre os efeitos de radiação em circuitos analógicos de baixa e ultra baixa potência e tensão, identificando as fragilidades destes circuitos (e das respectivas técnicas de projeto) quando aplicados em ambientes radioativos, como, por exemplo, os circuitos em satélites, e em equipamentos de instalações nucleares. Foram realizados estudos de caso, via simulação elétrica utilizando o software HSPICE, considerando os efeitos de degradação elétrica correspondentes a doses de radiação acumulada de até 500krad(Si), além de eventos singulares considerando circuitos de baixa tensão e potência projetados para a tecnologia IBM (GF) de 130nm. Pôde-se observar que o uso de transistores de óxido mais fino, apesar de afetar negativamente o consumo estático, é recomendado para as aplicações estudadas, devido a menor sensibilidade à radiação. Ainda, foi discutido o aumento dos caminhos de fuga de corrente devido ao uso de layout distribuído. Possibilidades e estratégias de mitigação foram discutidas. Por fim, obteve-se um conjunto de sugestões e informações para auxiliar o projetista de circuitos de baixo consumo a obter soluções robustas à radiação. / This work studies the radiation effects in low-power and ultra-low power analog circuits, identifying the fragility of such circuits (and associated design techniques) when employed in radioactive environments, as for example, in satellites and nuclear facilities. Case studies were carried out using HSPICE software for electrical simulation of cumulative radiation effects, corresponding to doses up to 500krad(Si), as well as for single events simulation. We showed that, the use of thin oxide (core) MOSFETS, though increasing the static consumption, is recommended for the studied applications, because they are less sensitive to radiation. Then, we discussed the increase of current leakage paths by the distributed layout style. Mitigation strategies were also discussed. Finally, we obtained a set of suggestions and information to guide the designers of low power analog circuits towards obtaining radiation robust solutions.

abstract: New technologies enable the exploration of space, high-fidelity defense systems, lighting fast intercontinental communication systems as well as medical technologies that extend and improve patient lives. The basis for these technologies is high reliability electronics devised to meet stringent design goals and to operate consistently for many years deployed in the field. An on-going concern for engineers is the consequences of ionizing radiation exposure, specifically total dose effects. For many of the different applications, there is a likelihood of exposure to radiation, which can result in device degradation and potentially failure. While the total dose effects and the resulting degradation are a well-studied field and methodologies to help mitigate degradation have been developed, there is still a need for simulation techniques to help designers understand total dose effects within their design. To that end, the work presented here details simulation techniques to analyze as well as predict the total dose response of a circuit. In this dissertation the total dose effects are broken into two sub-categories, intra-device and inter-device effects in CMOS technology. Intra-device effects degrade the performance of both n-channel and p-channel transistors, while inter-device effects result in loss of device isolation. In this work, multiple case studies are presented for which total dose degradation is of concern. Through the simulation techniques, the individual device and circuit responses are modeled post-irradiation. The use of these simulation techniques by circuit designers allow predictive simulation of total dose effects, allowing focused design changes to be implemented to increase radiation tolerance of high reliability electronics. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2014

Esta tese de doutorado trata de dois desafios que projetistas de circuitos integrados analógicos enfrentam quando estimando a confiabilidade de transistores fabricados em modernos processos CMOS: radiação e ruído flicker. Em relação a radiação, o foco desde trabalho é a Dose Total Ionizante (TID): acumulação de dose ionizante (elétrons e prótons) durante um longo período de tempo nas camadas isolantes dos dispositivos, então resultando na degradação dos parâmetros elétricos (por exemplo, a tensão de limiar e as correntes de fuga). Este trabalho apresenta um caso de estudo composto por circuitos referência tensões de baseados na tensão de bandgap e na tensão de limiar dos transistores. Esses circuitos foram fabricados em uma tecnologia comercial CMOS de 130 nm. Um chip contendo os circuitos foi irradiado usando raio gama de uma fonte de cobalto (60 Co), e o impacto dos efeitos da radiação até uma dose de 490 krad nas tensões de saída é apresentado. Foi verificado que o impacto da radiação foi similar ou até mesmo mais severo que os efeitos causados pelo processo de fabricação para a maior parte dos circuitos projetados. Para as referências baseadas na tensão de bandgap implementadas com transistores de óxido fino e grosso, a variação na tensão de saída causada pela radiação foi de 5.5% e 15%, respectivamente. Para as referências baseadas na tensão de limiar, a variação da tensão de saída foi de 2% a 15% dependendo da topologia do circuito. Em relação ao ruído, o foco desta tese é no ruído flicker do transitor MOS quando este está em operação ciclo-estacionária. Nesta condição, a tensão no terminal da porta está constantemente variando durante a operação e o ruído flicker se torna uma função da tensão porta-fonte e não é precisamente estimado pelos tradicionais modelos de ruído flicker dos transistores MOS. Esta tese apresenta um caso de estudo composto por osciladores de tensão (topologia baseada em anel e no tanque LC) projetados em processos 45 e 130 nm. A frequência de oscilação e sua dependência em relação à polarização do substrato dos transistores foi investigada. Considerando o oscilador em anel, a média da variação da frequência de oscilação causada pela variação da tensão de alimentação e da polarização do substrato foi 495 kHz/mV e 81 kHz/mV, respectivamente. A média da frequência de oscilação é de 103,4 MHz e a média do jitter medido para 4 amostras é de 7.6 ps. Para o tanque LC, a frequência de oscilação medida é de 2,419 GHz e sua variação considerando 1 V de variação na tensão de substrato foi de aproximadamente 0,4 %. / This thesis is focused on two challenges faced by analog integrated circuit designers when predicting the reliability of transistors implemented in modern CMOS processes: radiation and noise. Regarding radiation, the concern of this work is the Total Ionizing Dose (TID): accumulation of ionizing dose deposited (electrons and protons) over a long time in insulators leading to degradation of electrical parameters of transistors (e.g. threshold voltage and leakage). This work presents a case-study composed by bandgap-based and threshold voltagebased voltage reference circuits implemented in a commercial 130 nm CMOS process. A chip containing the designed circuits was irradiated through γ-ray Cobalt source (60 Co) and the impact of TID effects up to 490 krad on the output voltages is presented. It was found that the impact of radiation on the output voltage accuracy was similar or more severe than the variation caused by the process variability for most of the case-study circuits. For the bandgap-based reference implemented using thin-oxide and thick-oxide transistors, TID effects result in a variation of the output voltage of 5.5 % and 12%, respectively. For the threshold voltage references, the output variation was between 2% and 15% depending on the circuit topology. Regarding noise, the concern of this work is the transistor flicker noise under cyclostationary operation, that is, when the voltage at transistor gate terminal is constantly varying over time. Under these conditions, the flicker noise becomes a function of VGS; and its is not accurately predicted by traditional transistor flicker noise models. This thesis presents a case-study composed by voltage oscillators (inverter-based ring and LC-tank topologies) implemented in 45 and 130 nm CMOS processes. The oscillation frequency and its dependency on the bulk bias were investigated. Considering the ring-oscillator, the average oscillation frequency variation caused by supply voltage and bulk bias variation are 495 kHz/mV and 81 kHz/mV, respectively. The average oscillation frequency is 103.4 MHz for a supply voltage of 700 mV, and the measured averaged period jitter for 4 measured samples is 7.6 ps. For the LC-tank, the measured oscillation frequency was 2.419 GHz and the total frequency variation considering 1 V of bulk bias voltage was only ~ 0.4 %.

Esta tese de doutorado trata de dois desafios que projetistas de circuitos integrados analógicos enfrentam quando estimando a confiabilidade de transistores fabricados em modernos processos CMOS: radiação e ruído flicker. Em relação a radiação, o foco desde trabalho é a Dose Total Ionizante (TID): acumulação de dose ionizante (elétrons e prótons) durante um longo período de tempo nas camadas isolantes dos dispositivos, então resultando na degradação dos parâmetros elétricos (por exemplo, a tensão de limiar e as correntes de fuga). Este trabalho apresenta um caso de estudo composto por circuitos referência tensões de baseados na tensão de bandgap e na tensão de limiar dos transistores. Esses circuitos foram fabricados em uma tecnologia comercial CMOS de 130 nm. Um chip contendo os circuitos foi irradiado usando raio gama de uma fonte de cobalto (60 Co), e o impacto dos efeitos da radiação até uma dose de 490 krad nas tensões de saída é apresentado. Foi verificado que o impacto da radiação foi similar ou até mesmo mais severo que os efeitos causados pelo processo de fabricação para a maior parte dos circuitos projetados. Para as referências baseadas na tensão de bandgap implementadas com transistores de óxido fino e grosso, a variação na tensão de saída causada pela radiação foi de 5.5% e 15%, respectivamente. Para as referências baseadas na tensão de limiar, a variação da tensão de saída foi de 2% a 15% dependendo da topologia do circuito. Em relação ao ruído, o foco desta tese é no ruído flicker do transitor MOS quando este está em operação ciclo-estacionária. Nesta condição, a tensão no terminal da porta está constantemente variando durante a operação e o ruído flicker se torna uma função da tensão porta-fonte e não é precisamente estimado pelos tradicionais modelos de ruído flicker dos transistores MOS. Esta tese apresenta um caso de estudo composto por osciladores de tensão (topologia baseada em anel e no tanque LC) projetados em processos 45 e 130 nm. A frequência de oscilação e sua dependência em relação à polarização do substrato dos transistores foi investigada. Considerando o oscilador em anel, a média da variação da frequência de oscilação causada pela variação da tensão de alimentação e da polarização do substrato foi 495 kHz/mV e 81 kHz/mV, respectivamente. A média da frequência de oscilação é de 103,4 MHz e a média do jitter medido para 4 amostras é de 7.6 ps. Para o tanque LC, a frequência de oscilação medida é de 2,419 GHz e sua variação considerando 1 V de variação na tensão de substrato foi de aproximadamente 0,4 %. / This thesis is focused on two challenges faced by analog integrated circuit designers when predicting the reliability of transistors implemented in modern CMOS processes: radiation and noise. Regarding radiation, the concern of this work is the Total Ionizing Dose (TID): accumulation of ionizing dose deposited (electrons and protons) over a long time in insulators leading to degradation of electrical parameters of transistors (e.g. threshold voltage and leakage). This work presents a case-study composed by bandgap-based and threshold voltagebased voltage reference circuits implemented in a commercial 130 nm CMOS process. A chip containing the designed circuits was irradiated through γ-ray Cobalt source (60 Co) and the impact of TID effects up to 490 krad on the output voltages is presented. It was found that the impact of radiation on the output voltage accuracy was similar or more severe than the variation caused by the process variability for most of the case-study circuits. For the bandgap-based reference implemented using thin-oxide and thick-oxide transistors, TID effects result in a variation of the output voltage of 5.5 % and 12%, respectively. For the threshold voltage references, the output variation was between 2% and 15% depending on the circuit topology. Regarding noise, the concern of this work is the transistor flicker noise under cyclostationary operation, that is, when the voltage at transistor gate terminal is constantly varying over time. Under these conditions, the flicker noise becomes a function of VGS; and its is not accurately predicted by traditional transistor flicker noise models. This thesis presents a case-study composed by voltage oscillators (inverter-based ring and LC-tank topologies) implemented in 45 and 130 nm CMOS processes. The oscillation frequency and its dependency on the bulk bias were investigated. Considering the ring-oscillator, the average oscillation frequency variation caused by supply voltage and bulk bias variation are 495 kHz/mV and 81 kHz/mV, respectively. The average oscillation frequency is 103.4 MHz for a supply voltage of 700 mV, and the measured averaged period jitter for 4 measured samples is 7.6 ps. For the LC-tank, the measured oscillation frequency was 2.419 GHz and the total frequency variation considering 1 V of bulk bias voltage was only ~ 0.4 %.

Esta tese de doutorado trata de dois desafios que projetistas de circuitos integrados analógicos enfrentam quando estimando a confiabilidade de transistores fabricados em modernos processos CMOS: radiação e ruído flicker. Em relação a radiação, o foco desde trabalho é a Dose Total Ionizante (TID): acumulação de dose ionizante (elétrons e prótons) durante um longo período de tempo nas camadas isolantes dos dispositivos, então resultando na degradação dos parâmetros elétricos (por exemplo, a tensão de limiar e as correntes de fuga). Este trabalho apresenta um caso de estudo composto por circuitos referência tensões de baseados na tensão de bandgap e na tensão de limiar dos transistores. Esses circuitos foram fabricados em uma tecnologia comercial CMOS de 130 nm. Um chip contendo os circuitos foi irradiado usando raio gama de uma fonte de cobalto (60 Co), e o impacto dos efeitos da radiação até uma dose de 490 krad nas tensões de saída é apresentado. Foi verificado que o impacto da radiação foi similar ou até mesmo mais severo que os efeitos causados pelo processo de fabricação para a maior parte dos circuitos projetados. Para as referências baseadas na tensão de bandgap implementadas com transistores de óxido fino e grosso, a variação na tensão de saída causada pela radiação foi de 5.5% e 15%, respectivamente. Para as referências baseadas na tensão de limiar, a variação da tensão de saída foi de 2% a 15% dependendo da topologia do circuito. Em relação ao ruído, o foco desta tese é no ruído flicker do transitor MOS quando este está em operação ciclo-estacionária. Nesta condição, a tensão no terminal da porta está constantemente variando durante a operação e o ruído flicker se torna uma função da tensão porta-fonte e não é precisamente estimado pelos tradicionais modelos de ruído flicker dos transistores MOS. Esta tese apresenta um caso de estudo composto por osciladores de tensão (topologia baseada em anel e no tanque LC) projetados em processos 45 e 130 nm. A frequência de oscilação e sua dependência em relação à polarização do substrato dos transistores foi investigada. Considerando o oscilador em anel, a média da variação da frequência de oscilação causada pela variação da tensão de alimentação e da polarização do substrato foi 495 kHz/mV e 81 kHz/mV, respectivamente. A média da frequência de oscilação é de 103,4 MHz e a média do jitter medido para 4 amostras é de 7.6 ps. Para o tanque LC, a frequência de oscilação medida é de 2,419 GHz e sua variação considerando 1 V de variação na tensão de substrato foi de aproximadamente 0,4 %. / This thesis is focused on two challenges faced by analog integrated circuit designers when predicting the reliability of transistors implemented in modern CMOS processes: radiation and noise. Regarding radiation, the concern of this work is the Total Ionizing Dose (TID): accumulation of ionizing dose deposited (electrons and protons) over a long time in insulators leading to degradation of electrical parameters of transistors (e.g. threshold voltage and leakage). This work presents a case-study composed by bandgap-based and threshold voltagebased voltage reference circuits implemented in a commercial 130 nm CMOS process. A chip containing the designed circuits was irradiated through γ-ray Cobalt source (60 Co) and the impact of TID effects up to 490 krad on the output voltages is presented. It was found that the impact of radiation on the output voltage accuracy was similar or more severe than the variation caused by the process variability for most of the case-study circuits. For the bandgap-based reference implemented using thin-oxide and thick-oxide transistors, TID effects result in a variation of the output voltage of 5.5 % and 12%, respectively. For the threshold voltage references, the output variation was between 2% and 15% depending on the circuit topology. Regarding noise, the concern of this work is the transistor flicker noise under cyclostationary operation, that is, when the voltage at transistor gate terminal is constantly varying over time. Under these conditions, the flicker noise becomes a function of VGS; and its is not accurately predicted by traditional transistor flicker noise models. This thesis presents a case-study composed by voltage oscillators (inverter-based ring and LC-tank topologies) implemented in 45 and 130 nm CMOS processes. The oscillation frequency and its dependency on the bulk bias were investigated. Considering the ring-oscillator, the average oscillation frequency variation caused by supply voltage and bulk bias variation are 495 kHz/mV and 81 kHz/mV, respectively. The average oscillation frequency is 103.4 MHz for a supply voltage of 700 mV, and the measured averaged period jitter for 4 measured samples is 7.6 ps. For the LC-tank, the measured oscillation frequency was 2.419 GHz and the total frequency variation considering 1 V of bulk bias voltage was only ~ 0.4 %.

This work presents a summary of experimental data and theoretical models that characterize the temperature-dependent behavior of key carrier-transport parameters in silicon down to cryogenic temperatures. In extreme environment applications such as space-based electronics, accurate models of carrier recombination, carrier mobility, and incomplete ionization of dopants form a necessary foundation for the development of reliable high-performance devices and circuits. Not only do these models have a wide impact on the simulated DC and AC performance of devices, but they also play a critical role in predicting the behavior of important phenomena such as single event upset in digital logic circuits. With this motivation, an overview is given of SRH recombination theory, addressing in particular the dependence of recombination lifetime on temperature and injection level. Carrier lifetime measurement methods are reviewed, and experiments to study carrier lifetimes in the substrate of a commercial SiGe BiCMOS process are presented. The experimental data is analyzed and leveraged in order to develop calibrated TCAD-relevant models. Similarly, an overview of low-temperature resistivity in silicon is presented. Modeling of resistivity over temperature is discussed, addressing the prevailing theoretical models for both carrier mobility and incomplete ionization of dopants. Experimental measurements of the temperature dependence of resistivity in both p-type and n-type silicon are presented, and calibrated TCAD-relevant models for carrier mobility and incomplete ionization are developed. Finally, the ability to integrate these calibrated models within commercial TCAD software is demonstrated. In addition, applications for these accurate temperature-dependent models are discussed, and future directions are outlined for research into cryogenic modeling of fundamental physical parameters.