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1. 3 Figure 9 Fraction de trous chappant la recombinaison initiale pour diff rents types de radiations 22 39 Figure 10 Les 5 types de charges pr sentes dans 21 40 Qiomiquedu SO 21 SDN BU NIE a 40 Figure 12 M canisme de formation d un pi ge de type 21 41 Figure I3 lt Mecamismede pieeeage des rous taret p Ue ted ride 41 Figure III 14 Avanc e du front pour une activation A constante 27 est au point d inflexion 42 Figure 15 Tension de pompage et volution du courant Le en fonction de la dose totale 168 45 Figure III 16 Circuit d isolation d un module logique gr ce Charge Pump 157 45 Figure III 17 Diff rentes volutions du courant en fonction de la fr quence et de la temp rature 17 46 Figure Il 16 Passaged une particule EE 47 Figure 19 Section efficace d un circuit en fonction de l nergie d pos e par une particule incidente 46 Figure IV I Sch ma de principe du LHC Les faisceaux se croisent au niveau des 4 d techeirg 52 Figure IV 2 D tail des zones du LHC LSS DS et ARC forment l octant ss 53 Figure IV 3 Disposition des ch ssis dans le Dispe
2. EE imu LL CL M E FOU cle ava oa eee E c 00 A kl EE EE ET EE Current mA Fed Rad krad SiQ2 Y T chip 500 Ahh el 4 Read Err 55 protocol err 126 400 FER EE EE ir lu 7 2 7 2 2 2 I PE SCENE CESSE EE J Ce T pic nc EE e m Ape d M E JL Ed 100 4 4 Time s 0 1500 3500 5500 7500 9500 11500 13500 15500 17500 19500 R sultat du test de FPGA 8 au point 3 161 1 450 5 5 4 400 E amp 4 360 E 300 200 SE 21500 EE Sot 500 3 Puce 21T1 D2 F1 45 157rad s 10 2 EE E RE I 4 4 1 4 41 p P 400 Current mA D Rad 8102 E Is NE II S Read Err F5 c n D EE i TED su 1 1 er
3. 66 Figure V 6 Parties inf rieure et sup rieure du support Dercg hnn nensis sensa ern n renes enne nens 67 Figure V 7 Cl ouvert par attaque chimique pr t tre Tee 66 Figure V 6 Vue en coupe du banc de chauffage r alis e avec CATIA v rl t 69 Figure V 9 Echangeur ressort poign e et contre crou apr s assemblage 70 Figure V 10 Evolution des carts de temp rature pendant le chauffage ss 71 Figure V 11 Passage des variables naturelles aux variables r duites eee 72 Figure V 12 Carte lectronique PCB pour le CI Le support est soud au centre 74 Figure Very ER 75 Figure Val4 Carte lectronique avec Support du POA t en Mr e HEU i p 75 VASE DONC EE 76 Figure V 16 Vue sch matique du banc de test pour ss 77 Figure V 17 Vue sch matique du banc de test pour 8 78 Figure VI I Sch ma de la structure interne de FPGA ZA 83 Figure VI 2 Face avant du programme principal de test version 4 84 Figure 3 Palette de vi Exceb de da Version 220 EE 86 Figure Vi 4 Les 4 tests aux EE 87 Figure VI 5 Comportement des CI FPGA4 sous rodiogrton 88 E E E EE EE 89 Figure POMEL 3 EE EE 90 Penre fonts 61 2 70 Cer Dil ae ME 9 Hire Vico Pome d EE 92 Figure VII I Schema dela structure
4. 50 Temps s 0 1200 11200 21200 31200 41200 51200 61200 71200 81200 91200 101200 R sultat du test de FPGA 8 au point 6 164 500 eri mm c m Ro 4 Puce 6 T2 D2 F 80 C 157radis 40MHz Jn reat I Cn c Current MN CH i e 1 r I I I I I I I I L 1 L 1 1 1 1 1 I I I I I I I I F I I I ol Current mA Rad krad s1021 chip C Read err 955 protocol err 1 28 Temps s 0 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 12000 19000 21000 R sultat du test de FPGA 8 au point 7 165 s00 GEET E SEET EE ER 400 Puce7 T1 D2 F2 45 157rad s 40MHz NE LL LL E cen gu DID EE Sege Em Current mA ant Rad kradfs10121 T chip C e O A Z ME EUM M Readem M 260 protocol err 28 400 200 200 150 200 100 OU Temps s 0 0 1000 2000 5000 S000 11000 13000 15
5. En ce concerne les transistors MOS le mat riau principal est le silicium Si de Z 14 En dessous de 70 keV pour les rayons X l effet photo lectrique pr domine c est le cas pour des rayons X de 10 keV que j utiliserai au CERN Les rayons gammas d une source Co ont une nergie de 1 25 MeV et interagissent principalement par effet Compton Les hadrons particules form es de quarks protons neutrons pions et les ions ont un transfert d nergie lin ique LET tr s lev par rapport aux photons et aux lectrons une seule particule peut induire des erreurs dans les circuits CMOS Ill A 3 Effets des radiations sur les composants CMOS La principale cons quence des radiations est l ionisation des semi conducteurs par la cr ation de paires lectron trou e h pour electron hole Ces paires sont l origine des deux effets principaux l effet d int gration de la dose TID Total lonizing Dose qui quivaut une accumulation d nergie dans les isolants des circuits les effets instantan s ou effets singuliers SEE Single Event Effect qui provoquent des dysfonctionnements Ceux ci n cessitent la cr ation simultan e de beaucoup de paires d ou le nom d effet instantan C est pourquoi un SEE ne se produit que lors du passage d une particule 37 un troisi me effet apparait lorsqu on rencontre des particules massives les interactions nucl aires qui provoquent des fragmentations nucl ai
6. F T D Figure VII 7 Influence relative des 3 facteurs sur la longueur de t VILE 2 Plan sur l intervalle At t tio 10 Certains Cl se sont r v l s plus sensibles que d autres ind pendamment des param tres de temp rature et de radiation Cela se manifeste par une l vation de courant survenant plus t t Pour pallier ce probl me s rement en lien avec la conception du circuit j ai r alis un plan d exp rience avec un autre param tre At II s agit de l intervalle de temps entre le moment ou le courant s est lev de 10 par rapport sa valeur de d part et le temps de la panne fonctionnelle comme d crit sur la Figure VII 8 Cumulated dase Current Pratacal errars let UO Read errors Figure VII 8 Param tre At pris en compte dans les plans d experience de FPGA 8 108 La matrice d exp riences en valence naturelles est Tableau VII 5 Valeurs de At pour les 8 tests du plan d exp rience Debit de M Por d Point du ETT PM Fr quence At s Y essai cube C vens MHz 45 s 10 14983 8 4 46 175 40 DR E 2 a 4 84 24 17 00 16 E G G 15 1328 1 104 Lo 8 7 30 Tableau VII 5 Valeurs de At pour les 8 tests du plan d exp rience On proc de comme pr c demment pour obtenir l quation polyn miale suivante Y 6866 643 X 6151 X 1213 X 687 X X 496 X X 4967 X X 621 X X X
7. Excel Worksheet aut Macro b Module error rs error av Excel Worksheet E Excel worksheet aut File L Module error mr e error Importe une macro dans le projet attach un WB Un nouveau module est cr et son nom suivi d un point est renvoy dans Module Si plusieurs modules sont cr s il faut concat ner Module au nom de la macro l entr e Macro Name du vi Run macro cf l Exemple 4 VI polymorphe qui accepte en entr e la r f rence du WB et le code de la macro lareference du WB et le fichier texte dans lequel le code de la macro est crit r f rence d un WS du WB et le code de la macro r f rence d un WS du WB et le fichier texte dans lequel le code de la macro est crit Run macro Excel Workbook VEA Excel Workbook out Macro Name 1 Ze b xj Parameters error QUE error in Excel Worksheet VEA Excel Worksheet out Macro Mame Macrol gt Parameters error out error in 28 Ex cute une macro d un WB Si plusieurs modules existent il faut concat ner la sortie Module du vi Import macro Macro Name cf l Exemple 4 VI polymorphe qui accepte en entr e r f rence du WB r f rence d un WS du WB lt Parameters gt est un tableau regroupant les param tres de la macro S ils sont de types diff rents il est n cessaire de change
8. ne plus fonctionner et par s curit pendant que le programme fonctionne toutes les donn es sont enregistr es dans des fichiers txt Un fichier pour la r gulation et un autre pour les donn es Lorsque tout est stopp ces donn es sont sauvegard es directement dans un fichier Excel avec les vi pr c demment d crits VII D R sultats des tests VII D 1 Introduction Dans les tests qui suivent 3 facteurs sont pris en compte la temp rature du CI T le d bit de dose D Ja fr quence de fonctionnement du CI F J ai donc utilis un plan d exp rience constitu de 3 facteurs 2 niveaux L tape suivante consiste donner des valeurs aux niveaux de chaque facteur 101 Pour la temp rature le niveau bas choisi est de 45 C car la version 4 a montr la difficult maintenir la temp rature 35 C lorsque la consommation des CI s approche d 1A Le niveau haut est de 80 C pour maintenir un cart important avec le niveau bas A cette temp rature le Cl fonctionne encore normalement Pour le d bit de dose les niveaux bas et haut restent inchang s par rapport a la version 4 15rad s et 157rad s respectivement Ce sont les valeurs limites avec une tension d alimentation du tube rayons X de 40 tension de meilleure pr cision pour le d bit de dose et pour une distance constante tube Cl de 16 cm pour que tous les soient irradi s de la m me mani re Le d bit d pend seule
9. 100 100 4 lt 5512222 4 1 1 1 1 50 D D 1000 3000 5000 7000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 Figure VII 17 Test de Vpump 45 D 157rad s V 6V 1000 500 3 900 EE EE EE ST 450 2 800 5 400 700 4 de 350 600 4 417 300 500 4 5 4 4 4 41 41 250 200 c 2252 e Eri EE 150 RL E EE 100 le EEEE E EE EE E e see sss 50 Temps s 0 0 1000 3000 5000 2000 9000 11000 13000 15000 17000 19000 21000 Figure VII 18 Test de 45 D 157rad s V 7 Le Tableau VII 7 nous donne le temps de la panne fonctionnelle en partant du d but de l irradiation colonne Temps et en partant du temps ou le courant s est lev de 10 colonne Delta t Hanne panne fonctionnelle Cl vee Delta t SC 2287 Tableau VII 7 Comparaison des temps de panne fonctionnelle en fonction de la tension d alimentation Vec our les 3 tests il est impossible de mettre en vidence une diff rence en fonction de la tension d alimentation appliqu e cause de l incertitude sur les temps qui peut
10. Dans les transistors de la technologie SOI lors du passage d une particule cr ant des charges sur sa trajectoire seules les charges cr es au dessus de la couche isolante de SiO peuvent tre collect es r duisant la sensibilit aux v nements singuliers SEE Des transistors NMOS de technologies bulk et SOI ont t construits avec diff rentes longueurs de grille 0 25um 0 4um et 0 6um pour les bulk et 0 5um 0 8um et 10um pour les SOI afin d tudier l effet de collection de charges lors du passage d un ion lourd Cl de 35MeV ou Cu de 50MeV avec une incidence normale 33 Dans les NMOS Bulk la collection de charge est maximale lorsque la particule passe par le drain ou la source plus particulierement dans le drain lorsque celui ci est polaris 1V avec les autres connexions la masse Dans les NMOS de type SOI la couche isolante de dioxyde de silicium qui mesure entre 100 et 140nm emp che la collection de charges dans le substrat au niveau du drain et de la source Cependant des charges sont cr es lorsque passe par la grille et vont saccumuler autant dans le drain que dans la source toujours avec le drain 1V la source et la grille OV L accumulation de charge dans les SOI reste toutefois dix fois moindre que celle des NMOS bulk Le SEE destructif que l on rencontre le plus souvent dans les oxydes bulk est le Single Event Latch up image sur la Figure 111 18 Comme d fini plus haut le latch up est
11. Legend Border et l effet d ombre avec Shadow Pattern Titles 24 Title Barder Excel Chart Excel Chart aut Fil Color 2 TB Shadow ee Soo error in rr Which D finit le motif de l arri re plan des titres est possible de sp cifier la couleur de remlissage Fill Color blanc par d faut le style de ligne de la bordure Title Border et l effet d ombre avec Shadow Le param tre Which permet de s lectionner les titres modifi s parmi celui du CH celui de l axe X et ou celui de l axe Y titre du CH par d faut Pattern Axes and gridlines Axe Lines DLE Duarte Excel Chart aut Which axes Which Gridlines Je error error in I Grid Lines Definit le motif des axes et du quadrillage ll est possible de sp cifier le style de ligne des axes avec lt Axe Lines gt et celui du quadrillage avec Grid Lines Les axes et ou quadrillages modifi s sont s lectionn s par les param tres Which axes les 2 par d faut et Which Gridlines Y majeur par d faut Pattern Series Lines Serie Lines Excel Chart Serie Number E Markers D finit le motif des S ries de type courbes Excel Chart aut Serie Number pemet de choisir la s rie modifier 1 par d faut Serie Lines change le style de trait de la courbe Markers change le style des marques Pattern Series Areas S
12. Les courants de consommation lee du c ur et de la p riph rie du Cl Les d lais de propagation gr ce une chaine d inverseurs Latension de pompage Dans tous ces tests le premier param tre qui sort de sa sp cification est toujours et de loin le courant de consommation en particulier celui du coeur de la puce 18 Pour une technologie 0 6um d Actel RTSX la panne fonctionnelle se produit 56 kradsi et se traduit par une brusque augmentation du courant En parall le partir de 45 kradsi la tension de pompage diminue brusquement de 6V tension normale pour atteindre 4V 56krads 18 1rads 0 56radsio 30 La panne fonctionnelle observ e lors des tests se produit lorsque Vpump passe au dessous d un certain seuil ici 3 8V Figure 111 15 44 Pump Output V Panne fonctionnelle MA 15 1 DUT in COFP256 2 DUT modified with FIB Pumpout Brought to Pin 6 3 Approx 15 kohm from Die to Voltmeter 5 4 DUT in Pb AI Box per 1019 5 0 10 20 30 40 50 DU ZU 80 krad Si Figure 15 Tension de pompage et volution du courant en fonction de la dose totale 18 Voump est une tension continue fournie par un convertisseur DC DC et contr lant un transistor NMOS dans chaque cellule logique Elle permet d isoler les modules logiques lors de la programmation d un CI 15 Figure 111 16 Isolation Device Logic Module Input Buffer Figure 111 16 Circuit
13. sel VV ou sel est mis wat COMP TELUR buta Figure VII 1 Sch ma de la structure interne de FPGA 8 VII C Programme LabVIEW La Figure VII 2 montre la face avant du programme d acquisition de FPGA 8 assez proche de celle de FPGA 4 L interface entre le CI et le PC est r alis e par un programme d velopp sous LabVIEW 8 2 Sur le Front Panel ci dessus comme dans le code Block Diagram le programme est divis en 2 parties ind pendantes la r gulation et la gestion des donn es num riques 99 Im File Edit View Project 1 FPGAS Debug Operate Tools Window Help EISE Commande V nm 53 50 lu Temp rature C ES CA 45 Courant mA dnd E E S FPGA 8 Erreurs Lecture L p D E MR Erreurs protocole 5 m sc 35 E status code status code 19 20 ee Kies ul s source source EE DS Fee re ae ZU 30 40 50 50 a Mb mesures tps dt FPGA GPIB Alim Registers R gulation GPIB Alim BID Alim v Mb Pas Mb envois 1 1 22 J 5 127 26 Set Paint C D I 24 Commande an EI d Front F Commande C e 75 Mb pts int grale Compliance A F po p ig 3 n 10 1 5 y a Intervalle V Front F I limit A Periode s Nb erreurs timeout s Fr q MHz b 2 10
14. 2 Manip de donn es dans un WS Cet exemple d crit l utilisation des vi des cat gories 1 2 et 3a soit la lecture et l criture de donn es dans un WS Ecriture des donn es 2D Ecriture de la Ajout du WS Donn es ligne de titres Ouverture ou cr ation du Fichier Io 2 False KS ei Gi ei ei Enregistrement Fermeture d Excel si non Visible l ouverture 3 Mise en forme dans un WS Cet exemple d crit l utilisation des vi des cat gories 1 2 et 3b c est dire la mise en forme en plus que dans l exemple 2 3 7 Ecriture des donn es 2D E Ecriture de la Ajout du WS Donn es ligne de titres Concat nation des Tab Ranges n pour appliquer les bordures m peg r Pelei tableau b Le VK K E 9 SG 1 p EEH x ER rror out LEX A Fr 2 1 pL Borde Visible F Fermeture d Excel Couleur de remplissage si non Visible l ouverture et modification de la Font des titres avec Tab Ranges 4 Cr ation d un CH Cet exemple d crit l utilisation des vi des 4 premi res cat gories l criture d un tableau dans un WS sa mise en forme la cr ation et le trac d un graphe avec ces donn es Ouverture ou cr ation du Fichier Ajout du WS Donn es EVE Ecriture des donn es 2D E SS pour appliqu
15. CHAPITRE VIII TESTS SOUS PROTONS DES CI VERSION FPGA 8 R sum du CHAPITRE VIII VIII A DISPOSITIF EXPERIMENTAL VIII B CALCUL DE LA DOSE EFFECTIVE VIII B 1 CALCUL DIRECT 2 SIMULATION SUR GEANT4 VIII B 3 ESTIMATION AVEC SRIM VIII B 4 INTERPRETATION DES FILMS DOSIMETRIQUES VIII C RESULTATS CHAPITRE IX CONCLUSION BIBLIOGRAPHIE GLOSSAIRE ANNEXE 1 Code VHDL des FPGA version 4 FPGA 4 Registre d calage ANNEXE 2 Code VHDL des FPGA version 8 FPGA 8 Registre d calage avec multiplexeur Registre d calage Multiplexeur Compteur ANNEXE 3 Courbes de r sultats pour les CI version FPGA 8 sous rayons X ANNEXE 4 Manuel d utilisation de la biblioth que de vi pour l utilisation d Excel 101 101 104 105 106 108 110 112 114 114 116 113 119 120 124 124 124 126 128 130 134 138 142 144 145 146 148 149 152 154 155 155 158 168 ABLE DES FIGURES Figure Disposition des ch ssis crates sous les dip les du LHC Les ch ssis contenant les cartes d acquisition sont UIS DOSES CINCCTCINCNE SOUS LES pole ao pet ete idee a k EN 11 Figure l 2 Ch ssis contenant les cartes d acquisition install sous un dip le tube bleu 12 Figure died Sch ma en couped un NMOS TT rennes 16 Figure II 2 Conduction entre Drain et Source pour le NMOS 1 17 Figure 3 Transistor PMOS c
16. J R Schwank D M Fleetwood P S Winokur Effects of Irradiation Temperature on MOS Radiation Response IEEE Trans Nucl Sci Vol 45 n3 june 1998 M R Shaneyfelt P S Winokur D M Fleetwood G L Hash J R Schwank F W Sexton R L Pease Impact of Aging on Radiation Hardness IEEE Trans Nucl Sci Vol 44 n6 decembre 1997 Yasushiro Nishiokal Kiyonori Ohyu Yuzuru Ohjil Masataka Kato Eronides F da Silva Jr 1 and T P Ma2 Radiation hardened micron and submicron MOSFETs containing fluorinated oxides IEEE Trans Nucl sci Vol 36 n 6 December 1989 Todd Weatherford From carriers to contacts a review of SEE charge collection processes in devices 2002 IEEE NSREC Section IV p 3 J Casas Cubillos F Faccio P Gomes M A Martin M A Rodriguez Ruiz SEU tests performed on the digital communication system for LHC cryogenic instrumentation Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 485 2002 p 439 443 V Ferlet Cavrois G Vizkelethy P Paillet A Torres J R Schwank Shaneyfelt J Baggio J du Port de Pontcharra L Tosti Charge Enhancement Effect in NMOS Bulk Transistors Induced by Heavy lon Irradiation Comparison With SOI IEEE Trans Nucl Sci Vol 51 n 6 december 2004 Williamson C F Boujot J P Picard J Tables of range and stopping power of chemical elements for charged particles of energy 0 5 to 500 MeV Rapport CEA R 3042 1966 C Fukunaga
17. Ke GAVOI E J Ke ANMECTI ACADEMIE DE GRENOBLE UNIVERSITE DE SAVOIE D partement des Sciences Pour l Ing nieur SPI Laboratoire SYMME Syst mes et Mat riaux pour la M catronique THESE Pr par e au CERN GENEVE Pr sent e Polytech Savoie sur le site d Annecy pour obtenir le DIPLOME DE DOCTORAT ETUDE ET MODELISATION DU COMPORTEMENT DU FPGA A54SX72A D ACTEL EN MILIEU RADIATIF ET A TEMPERATURES CONTROLEES APPLICATION A L ENVIRONNEMENT DU LHC Pr sent e par ot phane GABOURIN Ing nieur Polytech Savoie Soutenue le 6 mars 2008 devant le Jury Jean GASIOT Professeur des Universit s Montpellier Rapporteur Pierre DEPASSE Professeur des Universit s Lyon 1 Rapporteur Dragoslav Laza LAZIC Docteur en Sciences Universit de Boston Examinateur Juan CASAS CUBILLOS Docteur en Sciences physiques CERN Directeur scientifique Christine GALEZ Professeur des Universit s Polytech Savoie Examinatrice Madjid BOUTEMEUR Professeur des Universit s Polytech Savoie Directeur de th se Michelle PASSARD Ma tre de conf rence Polytech Savoie Co directrice de th se REMERCIEMENTS Je tiens tout d abord remercier les deux rapporteurs de mon jury de th se Jean GASIOT pour m avoir aid prendre le jour de la soutenance comme une formalit et Pierre DEPASSE pour l aide qu il m a apport afin d am liorer une multitude de points dans mon rapport Un grand merci a
18. La r cup ration post irradiation est aussi plus difficile Les erreurs de lecture sont presque rest es 10096 avant le retour des erreurs de protocole 104 Point 4 T1 D2 F1 C est le cas o le CI subit le plus de dommages Les erreurs arrivent 341krad et le courant augmente beaucoup Le plafond du KEITHLEY 2400 de 1A a t rapidement atteint lors de la r cup ration et les erreurs de lecture n ont pas pu retomber 0 Point 5 11 D1 F2 Les pics commencent 472 krad A une fr quence plus lev e le retour des erreurs de protocole intervient non pas apr s mais pendant la r cup ration Les erreurs de lecture ne peuvent pas retomber 0 lors de la chute de courant car les erreurs de protocole sont d j au maximum Point 6 12 D1 F2 Le tient jusqu 566krad 40MHz les pics de courant sont moins hauts et moins larges De la m me mani re les temps de r cup ration sont plus courts que pour les tests 10 2 Point 7 T2 D2 F2 Le pic a lieu 341krad Dans ce cas aussi les erreurs de lecture n ont pas le temps de tomber 0 car le retour des erreurs de protocole a lieu juste avant la chute de courant qui marque la fin de la r cup ration Point 8 11 D2 F2 Le pic a lieu 391krad A basse temp rature et fort d bit de dose le courant monte encore tr s haut avant la fin de l irradiation Une fois de plus le retour pr coce des erreurs de protocole emp che d observer la
19. Plusieurs s ries peuvent tre trac es mais avec les m mes valeurs pour la cat gorie Source Data est alors un cluster avec un range pour les valeurs de l axe de cat gorie et un tableau de ranges pour les valeurs de l axe des valeurs Source Data Excel Range values Y GES Les vi qui correspondent ce type sont 22 Plusieurs s ries avec diff rentes abscisses peuvent tre trac es Source Data change de nom et devient Series un tableau dont chaque l ment est un Source Data du premier cas S ries 0 Excel Range values S Excel Range values pu C est le cas du vi trscatter Le param tre Serie Names est un tableau regroupant les noms associ s aux s ries CH Options Titles Excel Chart w Excel Chart out Axes Gridlines Ee error out error in Legend Ce vi est la suite du vi CH Datas pour finir de choisir les options du Chart Wizard d Excel Il permet de d finir Titles les titres du graphe et des axes aucun titre par d faut Axes la pr sence des axes pr sence des 2 par d faut Gridlines la pr sence des grilles pr sence de la grille majeure de Y par d faut Legend la pr sence de la l gende et sa position pr sente et droite par d faut b Modification des propri t s du CH CH Pattern Modifie les motifs des diff rents objets composant un graphe e
20. Read errors Figure VII 4 Comportement des CI FPGA8 sous radiation VII D 2 Graphes des 8 tests Les graphes sont donn s dans l ordre de num rotation des sommets du cube R f rez vous 3 pour les consulter Point 1 T1 D1 F1 Les erreurs de lecture commencent net une dose cumul e de 514krad au d but des pics Les pics de courant durent assez longtemps pour observer les erreurs de protocole qui augmentent exponentiellement Le temps de r cup ration post irradiation est suffisamment long pour observer la d croissance exponentielle des erreurs de protocole Les erreurs de lecture disparaissent d un seul coup lors de la chute de courant Les erreurs au moins de protocole reviennent soudainement au maximum un peu plus tard Ces erreurs ne diminuent jamais suffit cependant de couper et de remettre l alimentation du Cl pour que celui ci se remette fonctionner sans erreurs Point 2 T2 D1 F1 D but des erreurs de lecture 507krad La temp rature tant plus lev e il faut plus de temps pour arriver 100 des erreurs et les pics de courant s talent sur 3h La r cup ration du CI se fait plus rapidement apres la fin de l irradiation Gr ce la temp rature et au faible d bit de dose aucun retour des erreurs n a t observ Point 3 12 D2 F1 Avec un d bit de dose lev le pic est beaucoup plus troit et se produit une dose cumul e bien plus faible 341krad
21. Worksheet error in Excel Chart ET e error Ferme un WB VI polymorphe qui accepte en entr e r f rence du WB fermer ou r f rence d un de ses SH WS ou Close Excel Excel Application error 24 e error Excel Workbook error c4 error Excel Worksheet error in w pos error 10 Excel Chart error in Se error or Ferme une application Excel VI polymorphe qui accepte en entr e r f rence de l application donn e par le VI lt Create Open gt ou la r f rence d un de ses WB ou r f rence d un de ses SH WS ou CH Cat gorie 2 Gestion des objets lt Sheet gt SH WS CH SH Add ws F a Mame out Excel Workbook Excel Workbook out x L Excel Worksheet out E Mame Add Index 1 em m Excel Chart out error in error QUE Index out Ajoute un SH dans un WB On peut sp cifier le type du SH le nom du SH et l index de l insertion d marre a 1 Le type est WS par d faut Si le nom n est pas cable No name est utilis Si le nom existe d j un num ro est ajout Si l index n est pas c bl l insertion se fait au d but 1 par d faut Si l index est trop grand l insertion se fait la fin Le nom r ellement donn et l index auquel le SH est ins r sont renvoy s en sortie Si l index est n gatif ou nul Name out
22. atteindre plusieurs centaines de secondes Par exemple un autre Cl test quelques temps apr s dans les m mes conditions que le CI 2 a tenu plus de 2600 secondes avant la panne fonctionnelle 115 VII G 2 Mode op ratoire dynamique Les tests statiques n ont donc pas donn de r sultats probants Ceci peut tre d aux diff rences de conception des FPGA ou aux conditions d irradiations pas tout fait identiques C est pourquoi jai tent l exp rience de changer la tension d alimentation sur un seul CI et sur un seul test Celui ci consiste augmenter la tension un peu avant les erreurs fonctionnelles Quand la mont e du courant est devenue importante j ai fait passer la tension d alimentation de 5 6V Figure VII 19 1000 500 900 ae 450 Puce F T1 D2 F1 5 45 157tadis 10MHz z Gd RE TTT Passage de 5V s r PCB 777777227 400 i 700 TE 3 4 350 Current mA Rad krad SiO2 e ES 2 2 T chip C 300 Read err 95 protocol err 128 emps s 0 9000 Figure VII 19 Passage de la tension d alimentation de 5V 6V pour tester Vpump Ce choc n a visiblement pas aid le CI tenir plus longtemps Le pic de courant s est produit juste apr s la hausse de tension En regardant la courbe en d tail la transition semble m me avoir favoris l apparition du p
23. celer les SEU Le nombre limit d entr es sorties de la puce oblige les mettre en s rie dans des registres d calage Un registre est une liste dont chaque cellule contient en m moire un bit de donn e 0 ou 1 Figure V 3 Figure V 3 Registre d calage de 4 bits A chaque coup d horloge les valeurs sont d cal es d une cellule La valeur rentrante In est envoy e par software La valeur sortante Out est r cup r e et 64 compar e sa valeur initiale Si un SEU est survenu les deux valeurs seront oppos es se pose alors le probl me de multiples SEU sur un bit de donn es Si deux se produisent sur un bit qui transite dans un registre aucune erreur ne sera d tect e car 297 erreur aura compens la premi re Le nombre de SEU que peut subir un bit est directement proportionnel au temps pass dans le registre d calage Ce dernier est gal la longueur du registre divis e par la fr quence d horloge et d pend donc des ces deux param tres Pour mod liser le nombre de SEU attendus une approche probabiliste s impose Posons P la probabilit qu une particule induise un SEU et change la valeur d un bit pendant un cycle d horloge soit le temps pass sur une bascule inversement proportionnel la fr quence du Cl et n la longueur du registre travers La probabilit que le bit subisse i SEU est proportionnelle au nombre de combinaisons de i bascules i parmi les n e Par exemple p
24. croissante Figure VII 15 Cependant si l on consid re les conditions aux limites Pour un d bit de dose nul le est cens ne jamais tomber en panne cause des radiations C est la raison pour laquelle l volution du Delta t doit avoir une asymptote verticale D 0 rad s De m me pour un d bit de dose infini le Delta t doit tendre vers O soit une asymptote horizontale t Os La meilleure forme analytique d crivant cette fonction est 1 a D D etant le debit de dose en rad s a et b sont des coefficients constants L approximation du temps de fonctionnement d un FPGA en fonction la fois de la temp rature et du d bit de dose s crit par la relation 113 d a T Un ajustement de cette fonction aux donn es nous donne la valeur la plus probable des param tres aj a et t 234 10 x T 7 895 10 x La fonction reproduit les valeurs mesur es avec un cart maximal de 1096 pour le plus mauvais cas En reprenant la dose de 1 3kGy pour le pire cas sur les 20 ans de fonctionnement du LHC on obtient un d bit de dose moyen de Diuc 2 06 10 rad s Selon ce mod le un circuit fonctionnant 706 doit tomber en panne au bout de 388 473 heures soit peu pr s 44 ans VII G Test de Vpump J ai r alis des tests pour mettre en vidence la d faillance du circuit due la baisse de la tension Vpump comme d crit dans le paragra
25. du CHAPITRE II PRINCIPE DU MOS II B INTERET DU CMOS II C PROBLEME DU CMOS II D MODELISATION D UN CIRCUIT INTEGRE CI II D 1 PREMIERE MODELISATION SOUS LABVIEW 1 Signaux en entr es sorties des composants II D 1 b Composants l mentaires II D 1 c Mod lisation d un registre d calage II D 1 d Test du registre d calage II D 2 LES LIMITES DU MODELE II D 2 a La complexit de l architecture interne II D 2 b L importance des oxydes CHAPITRE EFFETS DES RADIATIONS SUR LES COMPOSANTS MOS R sum du CHAPITRE III III A LE DEPOT D ENERGIE DANS LA MATIERE 1 NOTIONS DE DOSIMETRIE 2 INTERACTION DES PHOTONS AVEC LA MATIERE 2 L effet photo lectrique Figure III 4 IILA 2 b L effet Compton Figure III 5 2 La production de paires Figure 6 2 La relation entre ces effets 3 EFFETS DES RADIATIONS SUR LES COMPOSANTS CMOS A LA RECOMBINAISON ANNEALING INITIALE 5 LE PIEGEAGE DES CHARGES DANS L OXYDE 6 LE MODELE DE GUERISON 7 LES EFFETS MACROSCOPIQUES III A 7 a Les effets du vieillissement IILA 7 b Le circuit de pompage IILA 7 c L influence de la fr quence III B LES EFFETS SINGULIERS SEE III B 1 DESCRIPTION GENERALE ET CARACTERISATION III B 2 RESULTATS DE TESTS III C LES DEPLACEMENTS ATOMIQUES CHAPITRE IV L ENVIRONNEMENT RADIATIF DU LHC R sum du CHAPITRE IV IV A GEOMETRIE DULHC IV A I VUE GENERA
26. par les circuits d tablir un plan de maintenance de chaque circuit selon sa position dans le tunnel du LHC Le mauvais fonctionnement de chaque dip le devra tre d tect l avance gr ce la fiabilit du systeme de monitorage dont les CI constituent les maillons de base Une d faillance subite et non contr l e d un dip le peut engendrer des dommages tr s f cheux pour le fonctionnement de l acc l rateur et des exp riences de physique De plus pour assurer le suivi des d g ts provoqu s par les particules mises lors des exp riences un syst me de filmbadges mesure la radioactivit dans le tunnel du LHC Ces mesures permettent de quantifier les effets des radiations sur les circuits int gr s aussi bien pour un fonctionnement normal que pour un cas de d faillance des aimants supraconducteurs 12 13 CHAPITRE I LA TECHNOLOGIE CMOS R sum du CHAPITRE II Les transistors MOS sont les structures de base des op rateurs logiques AND OR NOT NAND qui constituent les FPGA Il est donc indispensable de connaitre leur fonctionnement pour comprendre leur comportement sous irradiations 115 sont de type NMOS ou PMOS selon la nature des porteurs majoritaires lectrons ou trous La technologie CMOS permet d avoir sur une m me structure un transistor NMOS et un transistor PMOS Figure Il 4 Le principal inconv nient du CMOS ce qui est le cas des FPGA d Actel est qu il n isole pas lectriquement les deux tr
27. sr t 510 Charges pi g es ar les Border Traps P CMM ne Charge d oxyde fixe Charge pi g e l interface Figure 10 Les 5 types de charges pr sentes dans l oxyde 21 1 Qr est la charge fixe d oxyde Elle se trouve proximit de l interface 2 5nm et ne communique pas avec le silicium 2 est la charge des ions mobiles La pr sence de ces ions peut tre due des impuret s lors de la fabrication de moins en moins avec les proc d s actuels ou aux d placements atomiques dus aux radiations 3 Q est la charge pi g e dans l oxyde due des pi ges cr s par l irradiation Elle est majoritairement positive 4 est la charge positive pi g e par des Border Traps pr s de l interface 3nm et qui sont capables de communiquer avec le silicium 5 Qit est la charge pi g e l interface Le pi geage est induit par le champ de polarisation de la grille La charge est n gative pour les NMOS et positive pour les PMOS Pour d terminer la nature des pi ges observons le SiO au niveau atomique Le dioxyde de silicium a une structure t tra drique avec au centre l atome de silicium et aux 4 sommets les atomes d oxyg ne Figure 111 11 Q Silicium Oxyg ne Figure 111 11 Structure atomique du SiO2 21 40 Au niveau atomique 2 configurations semblent pr dominer quant la nature des pi ges les centres E dus un atome d oxyg ne m
28. une d charge travers un thyristor n p n p L ionisation provoqu e par le passage d une particule peut favoriser les latch up Pour d terminer la sensibilit d un circuit un type de radiation 2 grandeurs sont utilis es la section efficace ou lt cross section gt o erreurs cm o refl te la sensibilit du circuit Multipli e par le flux de particules incidentes F en nombre de particules cm s 1 elle donne le taux d erreurs en erreurs s L avantage par rapport au taux d erreurs est qu elle ne d pend pas du temps d irradiation mais seulement du circuit Nb err sec OQ F 47 le transfert d nergie lin ique TEL en MeV cm mg L avantage du TEL est qu il ne d pend pas des caract ristiques du circuit mais seulement de la nature de la radiation B TEL d pos e 0 La courbe la plus typique est celle de la section efficace en fonction du TEL Figure 11 19 e datas Weibull fit LET MeV cm2 mg 0 10 LETy 20 30 40 50 60 70 80 Figure 111 19 Section efficace d un circuit en fonction de l nergie d pos e par une particule incidente Elle peut tre approxim e par une fonction de Weibull dont un exemple est donn dans 18 sur laquelle on d finit La section efficace de saturation osa qui est simplement le maximum de la section efficace le seuil du TEL TEL qui correspond la valeur du TEL pour o20sa 10 TEL cara
29. 06 10 rad s Le temps de fonctionnement de ce circuit peut tre valu par la formule RX 1 1 f 3 tye 2 34 10 x 70 48559h 7 8 8 7 895 10 x 2 06 10 ce qui correspond un fonctionnement de 5 ans 2 our la base de ce modele il serait int ressant de pr voir le remplacement des circuits concern s tous les 5 ans 132 133 CHAPITRE IX CONCLUSION L lectronique num rique d aujourd hui est compos e tout comme les FPGA d Actel que j ai tudi s de transistors de technologie CMOS qui se comportent comme des commutateurs commandables lectriquement par deux niveaux de tensions logiques 0V 5V Le passage d une particule peut ioniser suffisamment les substrats de silicium pour que la collection de charges qui en r sulte inverse le niveau logique d un transistor La modification du niveau logique du drain d un transistor MOS peut conduire la modification d un bit m moire dans les FPGA et ainsi une erreur de lecture des donn es en sortie Afin de quantifier ces erreurs et en guise d introduction j ai pr sent un mod le de bascule D que j ai labor sous LabVIEW Ce mod le est limit par le fait que je n ai pas pu disposer des d tails de construction du FPGA que j utilise et ne peut donc pas tre compar directement aux r sultats de mes exp riences Cependant j ai fait en sorte que le principe de la cr ation d un mod le repose sur l assemblage des compos
30. 5V la puissance dissip e est directement proportionnelle au courant de consommation J ai utilis une puce d j irradi e et consommant 1A maximum de l alimentation J ai pu ainsi faire des mesures diff rents courants de consommation en limitant le courant de la source Pour mener ces tests j ai utilis les plans d exp rience avec 2 facteurs et 2 niveaux pour chaque facteur Le facteur1 X4 est la temp rature et prend les valeurs 40 C et 80 C Le facteur2 est la puissance et prend les valeurs OW 5W L quation polyn miale du modele est de la forme Y a X a X a 70 ao est en fait la moyenne des carts a et a sont les effets de la temp rature et de la puissance respectivement et a4 est l effet de l interaction entre ces 2 facteurs L cart de temp rature Ta est donn dans le Tableau V 2 pour les 4 configurations possibles Tableau V 2 Tableau des carts de temp rature pour les valeurs extr mes des facteurs L cart de temp rature est relev d s que les temp ratures du dessus et du dessous du Cl sont stabilis es Le graphe suivant montre les r sultats exp rimentaux obtenus pour ces 4 tests Figure V 10 Ecart dessus dessous 7 E 6 5 80 0W 40 OW m 80T 5W 40 5W 3 2 1 0 1 1 1 I 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 10
31. 700 350 5 ZEN 200 500 250 400 200 300 x 150 lt Me 200 3 ee 100 fo F Time s Is 2000 12000 22000 32000 42000 52000 62000 72000 82000 92000 102000 R sultat du test de FPGA 8 au point 1 159 1000 4 _ YUS 500 Puce O f T2 D1 F1 Current mA GER Rad krad SiO2 80 C 15radis 10MHz E F Mt EE Gr 450 a chip C i Read Err 36 800 protocol err 128 iiec sess ee eee ee ee eae 400 i FOOD 4 5 5 4 4 1 4 4 4 1 4 350 5 BOD 1 1 dee 1 ipee 1 1 300 500 441 lh 250 i e TEE TEE ps EE EE 200 300 AE Lo 150 E Dm a4 3 100 5 TU ig uu E 2 50 Temps s 0 2000 12000 22000 32000 42000 52000 62000 2000 52000 32000 102000 R sultat du test de FPGA 8 au point 2 160 1000 m PESE E E x x Puce 1 I T2 D2 F1 x 301 TE D CPE CURE 80 C T57radis TOMHZzZ 7
32. Add ou Get x Le vi GetAll 1 7 permet d obtenir en un coup tous les SH tous les WS ou tous les CH La cat gorie 3 permet de r aliser Dart les op rations de lecture criture QX 0 3 W 0 3 de donn es EE EE ES ERES X ces donn es EH ei dud A LE dans un WS Un vi et d mise en forme de Dee permet aussi d ajouter un nouveau CH en tant qu objet l int rieur du WS ii Pour des raisons d allegement et de minimisation des erreurs les vi de la cat gorie 3 ne sont plus polymorphes comme dans la version1 0 Les vi de lecture criture n acceptent plus que les WS en entr e Il est d sormais n cessaire d utiliser auparavant Get pour disposer du WS Les vi de mise en forme n acceptent plus que les Ranges en entr e Les Tab Ranges de la version 1 0 n existent plus depuis que le vi Concat Ranges zx existe a Pour obtenir un Range on peut soit utiliser les 3 SRE EXE EXE cat gorie 6 8 EHE soit les r cup rer en sortie des 3 vi d criture x MES 1 vi de la eee propos du vi d ajout dun CH dans un WS B j ai choisi de d finir la position du CH en cellules Excel et non en pixels je trouve que c est plus facile a imaginer La cat gorie 4 est la vraie grande nouveaut de la version 2 0 Elle permet de tracer tout type de graphes et de le mettre en forme Ces vi s appliquent au
33. Bascule D T4 im T6 T T8 T9 10 le o o Bascule D T4 n T6 TZ T9 o Bascule D T4 We T6 T8 T9 ipm apu Etat bas Registre etat bas Bascule D el T ez T4 T6 TS T9 o Bascule D Ti T4 T6 m T8 T9 Tp a o 9 Bascule D Ti T2 T3 T4 T5 T6 We T8 wi rl Figure 11 16 Tableau permettant d affecter des SEU n importe quel transistor aussi bien avant qu apres le front montant de l horloge 24 La sortie du registre est r cup r e avec la sortie Out Une erreur est renvoy e via les vi vote si une masse a t connect e la tension d alimentation Figure Il 17 Context Help registre d calage vi Mb bits mm ge error ce CUE SEU sur cycle d horloge 7 Figure 11 17 Connexions du vi lt Registre d calage gt Il D 1 d Test du registre d calage Un autre vi nomm Test d un registre statistique cr e al atoirement un pattern d une longueur Nb valeurs et l envoie bit bit dans un registre d calage constitu de lt Nb bits gt bascules D Figure II 18 Ici il est n cessaire de pr ciser le nombre total de bits et non de patterns envoyer Nb envois e
34. C ull Read 5 Errors 32 95 Errors 125 5 ge DU 300 500 250 EE 200 MIE E E 150 JOSE EECHER ett RE ong ae ei 50 Time s i 500 2500 4500 500 5500 10500 12500 14500 16500 18500 Figure VI 9 Point 4 2 70 D2 157rad sec 92 VLE Plans d exp rience Le param tre mod liser est la dose cumul e dans le CI en krad d s l apparition des erreurs de lecture Les 2 facteurs consid r s sont la temp rature en C le d bit de dose en radsioz s Leurs valeurs extr mes sont Tableau 4 Temp rature T1235 D bit de dose iradis 11215 12 157 Tableau VI 4 Param tres des plans d exp rience pour FPGA A A partir des tests pr c dents il est possible de construire la matrice d exp riences en variables naturelles Tableau VI 5 M d exp rience Temp rature Debit de Dose dose cumul e krad L kk Tableau VI 5 Dose cumul e pour les 4 tests des plans d exp rience de FPGA A L quation polyn miale du mod le est de la forme E Eu Pa AE E La matrice d exp riences en variables r duites est Tableau VI 6 N d M Temp rature D bit de Interaction Dose 4 essai DIS 1 dose krad Y EE NET p ee ae E RE NE 372 5 Tableau VI 6 Calcul des coefficients de l quation des plans d exp
35. Collected in SOI and Bulk Devices Under Heavy lon ans Proton Irradiation Implications for Digital SETs Nadim Haddad Ron Brown Richard Ferguson Craig Hatfield and David Rea SOI Is it the Solution to Commercial Product SEU Sensitivity RADECS 2003 Proceedings of the 7th European Conference on 15 19 Sept 2003 Page s 231 234 J R Schwank V Ferlet Cavrois M R Shaneyfelt P Paillet P E Dodd Radiation Effects in SOI Technologies IEEE Trans Nucl Sci Vol 50 june 2003 F Faccio K Kloukinas A Marchioro T Calin J Cosculluela M Nicolaidis R Velazco Single Event Effects in Static and Dynamic Registers in a 0 25um CMOS Technology SX A Family FPGAs ACTEL Datasheets chapitre 1 General Description C Brisset V Ferlet Cavrois O Flament O Musseau J L Leray J L Pelloie R Escoffier A Michez C Bordure Two Dimensional Simulation of Total Dose Effects on NMOSFET with Lateral Parasitic Transistor IEEE Trans Nucl Sci Vol 43 N 6 decembre 199 6 F Faccio E H M Heijne P Jarron M Glaser G Rossi S Avrillon G Borel Study of device parameters for analog IC design in a 1 2um CMOS SOI technology after 10 Mrad IEEE Trans Nucl Sci Vol 39 N 6 decembre 1992 F Faccio G Anelli M Campbell M Delmastro P Jarron K Kloukinas A Marchioro P Moreira E Noah W Snoeys T Calin J Cosculluela R Velazco M Nicolaidis A Gira
36. FOR drain source Figure II 3 Transistor PMOS en conduction 1 Int r t du CMOS La technologie CMOS permet d avoir sur une m me structure tr s petite taille et moindre cout un transistor NMOS et un transistor PMOS Figure 11 4 17 Figure 11 4 Repr sentation simplifi e d une structure CMOS 1 Comme vu pr c demment la source d un transistor MOS est reli e la masse dans le cas des NMOS ou la tension d alimentation dans le cas des PMOS Si on d sire crire dans une m moire connect e au drain le NMOS ne peut fournir que le niveau logique 0 et le PMOS que le niveau 1 Figure Il 5 HMOS PMOS 49 G 0 D I D 0 D 1 1 B B lu L G 1 e p 5 D 0 1 D E B Lu Figure Il 5 Etats du drain D d un NMOS et d un PMOS fonction de la grille G l est alors n cessaire d avoir les deux transistors en duo d o l int r t du CMOS L exemple le plus simple est l impl mentation de la fonction NOT sur un seul CMOS La tension inverser Vin est appliqu e sur la grille de chaque transistor et la tension de sortie inverse Vout est r cup r e sur les drains Figure Il 6 18 Figure 11 6 Fonctionnement d un inverseur 1 Probl me du CMOS Le CMOS d crit pr c demment est r alis en technologie Bulk Son principal inconv nient est qu elle n isole pas lectriquement les 2 tr
37. Freeze T pos error error in Fige Freeze ou lib re les volets au dessus et gauche de la cellule sp cifi e par Cell c Cr ation dun CH WS New Chart Excel Worksheet x Excel Worksheet out Position 2D Area L Excel Chart error in es SPF OF nut Cr e un nouvel objet CH l int rieur dun WS lt Position 2D Area gt correspond la surface que recouvre le CH L unit de mesure est la cellule faut donner la ligne et la colonne de d part puis le nombre de lignes et le nombre de colonnes La r f rence du CH est renvoy e en sortie Cat gorie 4 Fonctions internes aux CH a Chart Wizard 21 CH Datas CharkTvpe Ke Excel Chart x Excel Chart aut Source Data ym Serie Mames I pcs error QUE error in D finit le type de CH et les donn es des trac s vi polymorphe qui permet de choisir entre 12 types de graphes V M 9 x Parmi ces types il existe encore des sous types qui peuvent tre choisi par le param tre ChartType Source Data 3 cas se pr sentent Une seule s rie peut tre trac e Dans cas Source Data est un cluster de 2 ranges Le 1 correspond aux valeurs de l axe de cat gorie axe X abscisse le 2 aux valeurs de l axe des valeurs axe Y ordonn e Source Data Excel Range cy Excel Range values Gi C est le cas du vi
38. Irradiation tests of ROHM 0 35um ASIC and Actel Anti fuse FPGA for the ATLAS Muon Endcap Level 1 Trigger System Thijs Wijnands Radiation monitoring for equipment in the LHC tunnel functional specification f vrier 2005 Claire A Fynbo Graham H Stevenson Radiation environment in the Dispersion Suppressor regions of IR1 and 5 of the LHC LHC Project Note 296 27 mai 2002 140 38 39 40 o Agostinelli and GEANT4 Collaboration GEANT4 A Simulation Toolkit Nucl Instr Meth 506 2003 250 Site officiel http www srim org J R Schwank Shaneyfelt J Baggio Dodd J A Felix V Ferlet Cavrois P Paillet G K Lum S Girard E Blackmore Effects of Angle of Incidence on Proton and Neutron Induced Single Event Latchup IEEE Trans Nucl Sci Vol 53 n6 december 2006 141 BULK CERN CMOS COTS FPGA GEANTA LATCH UP LET LHC MOS NMOS PMOS KERMA SEE SEU SOI SRIM TID GLOSSAIRI Technologie MOS o le drain et la source sont en contact direct avec le substrat Organisation Europ enne pour la Recherche Nucl aire Circuit int gr Les FPGA sont des circuits int gr s num riques Complementary Metal Oxide Semi conductor Duo de transistors NMOS et PMOS int gr s sur une m me structure Commercial On The Shelf Les circuits int gr s COTS sont des circuits commerciaux qui ne sont pas
39. Le d bit de dose est encore le param tre qui influence le plus la dur e de fonctionnement Son coefficient tant n gatif plus il est fort plus le At est faible Le 2 facteur avoir le plus d effet est la fr quence de fonctionnement du CI Son influence est 5 fois plus faible que celle de X Une fr quence plus lev e raccourcit le At La temp rature a un effet pr s de 10 fois plus faible que le d bit de dose et 2 fois plus faible que la fr quence Elle est aussi n gligeable que les interactions entre les 3 facteurs Figure VII 9 Figure VII 9 Influences relatives des trois facteurs sur la longueur de At Cependant le coefficient de l effet de la fr quence est fauss car lorsque la fr quence est de 40MHz le CI consomme 240mA au d part alors qu 10MHz il ne consomme que 100mA Prendre un point 10 de courant suppl mentaire signifie 24mA de plus pour 40MHz et 10mA de plus pour 10MHz 109 Le At des tests 40MHz est donc plus resserr vers le pic de courant Figure VII 10 Glanz Figure VII 10 Pour m me comportement du courant lt Atiounz Cette erreur se voit bien sur le graphe 3D La courbe des 40MHz se d tache largement de celle des 10MHz Figure VII 11 Figure VII 11 Repr sentation 3D de At pour les 8 points extr mes Courbe bleue pour 10MHz et rouge pour 40MHz C est la raison pour laquelle au lieu de choisir un pourcentag
40. con us pour tenir les radiations Field Programmable Gate Array Puce num rique programmable technologie 5 Simulateur d interaction rayonnement mati re utilis au CERN Effet destructif d une particule sur un transistor d la mise en conduction d un thyristor form par les substrats Linear Energy Transfer Caract ristique d une particule qui d pend de sa nature et de son nergie S exprime en MeV cm mg Multipli par la densit d un mat riau en mg cm elle restitue l nergie d pos e le long de la trajectoire de la particule dans ce mat riau en MeV cm Large Hadrons Collider Acc l rateur de particules en construction au CERN Metal Oxide Semiconductor Type de transistor pr sent dans les FPGA Les 2 principaux sous types sont le NMOS et le PMOS Transistor MOS dont les porteurs minoritaires sont les lectrons Transistor MOS dont les porteurs minoritaires sont les trous absences d lectrons Kinetic Energy Released per unit Mass Energie cin tique d pos e dans la mati re par une particule Single Event Effect Effet Ev nement singulier d au passage d une particule sur un transistor et provoquant son changement d tat logique Le plus commun est le SEU Single Event Upset gt Inversion de l tat logique d un transistor 0 1 ou 1 0 Silicon On Insulator Am lioration de la technologie BULK des transistors MOS par l ajout d une couche isolante entre
41. cup r e et convertie en signal lectrique par un photomultiplicateur 121 Ces deux compteurs nous permettent de mesurer la multiplicit des particules photons et protons produites dans la cible qui servira par la suite de param tre de contr le de pr diction des simulations GEANTA Comme d j d crit au paragraphe V B la carte lectronique dispose d un support amovible gr ce auquel les FPGA peuvent tre remplac s facilement Entre 2 irradiations de FPGA des cibles constitu es de lames de carbone et de silicium sont install es la place de la carte lectronique Entre les lames sont dispos s en sandwich des films dosim triques permettant de mesurer les profils 2D de dose des profondeurs bien pr cises dans la mati re L paisseur totale de la mati re est choisie de sorte arr ter compl tement les protons incidents L endroit ou les protons d posent le plus d nergie situ en fin de parcours est appel pic de Bragg Ce pic de d p t d nergie est donc contenu dans nos cibles mais pas dans les circuits FPGA Les figures VIII 3 et VIII 4 montrent la salle de contr le situ e au dessus de la salle d irradiation et l ambiance qui y r gne Un c ble Ethernet de 30 m tres assure le transfert des donn es entre les deux salles et le programme LabVIEW de FPGAS que l on voit sur la Figure VIII 3 gauche permet le suivi des op rations l analyse et l enregistrement des donn es en temps r el Figure V
42. d autant plus que le pic de Bragg ne se produit pas dans le circuit Afin de mod liser correctement le comportement des FPGA soumis aux irradiations il est indispensable de v rifier l indication de la chambre d ionisation par des m thodes ind pendantes 123 VIII B Calcul de la dose effective Pour d terminer la dose d pos e dans le circuit par le passage des protons j ai utilis 3 m thodes un calcul direct qui n cessite la connaissance exp rimentale de la perte d nergie d un proton dans le silicium une simulation avec la plateforme logicielle GEANT4 38 et un calcul avec le logiciel rapide appel SRIM 39 J ai ensuite compar les r sultats de ces m thodes avec l interpr tation des films dosim triques irradi s L paisseur de notre CI qui a t mesur e gr ce la coupe transversale d taill e au paragraphe VIII B 3 est pr cis ment de 500 um C est l paisseur typique des wafers pr sents actuellement sur le march VIII B 1 Calcul direct Si on se r f re la lecture des tables exp rimentales du d p t d nergie dans du silicium par un proton en fonction de son nergie 34 un proton d nergie 63 MeV d pose tr s peu pr s 2 MeV par mm soit 1 MeV dans le circuit ce qui nous laisse loin du pic de Bragg Le proton ne c dant qu une petite fraction 1 96 de son nergie au silicium nous pouvons consid rer le transfert d nergie lin ique TEL constant sur toute l paisseur du circui
43. de d fauts et brisures de sym trie dans le r seau cristallin de Si et de SiOz qui cr ent de nouveaux pi ges a charges L exemple le plus connu est la formation d un centre E par le d placement d un atome d oxyg ne dans le dioxyde de silicium est bien vident que les rayons X photons n induisent pas de d placements d atomes 49 CHAPITRE IV L ENVIRONNEMENT RADIATIF DU LHC 90 R sum du CHAPITRE IV Pour connaitre les radiations effectivement re ues par les FPGA j ai calcul la position exacte des ch ssis lectroniques Le maximum de radiations est attendu dans les DS Dispersion Suppressor du point 5 d tecteur CMS J ai ensuite recoup ces informations avec les donn es de simulation de FLUKA Ce logiciel permet de calculer la dose et l environnement radiatif dans le tunnel du LHC en ressort que le pire cas est une dose de 1 3 kGy sur les 20 ans de fonctionnement normal de l acc l rateur Les simulations sur FLUKA ont aussi permis de calculer la fluence nombre total de particules par cm attendue pour les protons pions et neutrons On attend 7 67 103 n cm pour des nergies sup rieures 100 keV 2 21 10 p cm pour des nergies sup rieures 100 keV 3 51 10 zem pour des nergies sup rieures 100 keV Ces valeurs seront prises comme r f rences au CHAPITRE VIII afin de calculer la dur e de vie des circuits FPGA contenus dans le ch ssis du pire cas 51 IV A G
44. des couleurs dont l chelle est indiqu e en dessous avec comme unit le Gy an L unit de l axe des abscisses est le centim tre avec le z ro centr sur le c t du dip le MBA pr s du quadrip le Q9 comparer avec les Figure IV 3 et Figure IV 4 Contrairement ce qu on peut imaginer la r partition de la dose ne diminue pas avec la distance par rapport au point de collision des paquets de protons qui se trouve 270 m tres vers la droite du graphique En se pla ant sous le 297 dipdle de chacun des 4 groupes dip le dip le quadrip le on peut estimer que le ch ssis du deuxi me groupe sera le plus touch par les radiations suivi par celui du 4 groupe pour lequel la dose est lev e cause de l espace sans aimant 200 100 d 100 200 MX Figure IV 5 Section transversale du tunnel utilis e pour calculer la dose sur une coupe longitudinale du tunnel 37 200 150 100 100 10000 8000 6000 4000 2000 0 2000 4000 6000 8000 1 0E 6 1 0 5 1 0 4 1 0 3 1 0 2 10 1 1 0E 0 1 0E 1 Figure IV 6 Resultats de la simulation FLUKA de la dose emise le long d un DS du point 5 37 56 Les courbes suivantes Figure IV 7 Figure 10 repr sentent la dose moyenne en Gray J kg toujours sur un DS mais sur une tranche de 30cm au dessus du sol juste en dessous des aimants o seront install s les ch ssis Une chelle en dessous des courbes permet de situer les diff rents l ments d
45. donne un apercu des programmes d exemples Le dernier paragraphe donne mes erreurs et avertissements qui peuvent tre renvoy s codes positifs pour mes erreurs INSTALLATION D compresser le fichier zip puis partir de LabVIEW ajouter le dossier Palette la palette de fonctions Ayant LabVIEW en anglais les menus que je donne sont retrouver pour ceux qui l utilisent en francais LabVIEW 7 Allez dans le menu Tools Advanced Edit Palette Views Allez dans la sous palette Users Libraries de la palette de fonctions Clic droit sur la palette et Insert Submenu Choisissez Link to an existing menu file mnu et allez chercher le fichier dir mnu pr sent dans le sous r pertoire Palette du r pertoire d compress Cliquez sur Save Changes La palette est ins r e d s votre retour sous LabVIEW LabVIEW 8 Allez dans le menu Tools Advanced Edit Palette Set Allez dans la sous palette de la palette de fonctions o vous souhaitez ins rer la palette Excel Clic droit sur la palette et Insert Subpalette Choisissez Link to an existing palette file mnu et allez chercher le fichier dir mnu pr sent dans le sous r pertoire Palette du r pertoire d compress Cliquez sur Save Changes La palette est ins r e d s votre retour sous LabVIEW DESCRIPTION DES Categorie 1 Gestion des objets W
46. du courant de consommation et le pic de courant panne fonctionnelle Les plans d exp rience sont utilis s pour pr voir la dose int gr e laquelle la panne fonctionnelle apparait en fonction de la temp rature du d bit de dose et de la fr quence L quation donn e permet de mod liser le comportement des CI dans la zone des tests aux limites L objectif est d extrapoler en dehors de l espace des plans d exp rience vers les d bits de dose tres faibles l aide d un param trage ad quat Pendant les tests aux rayons X j ai aussi tent de mettre en vidence l influence de la tension Vpump dans la tenue aux radiations sans obtenir cependant de r sultats probants 97 VILA Introduction l tait important pour cette version de faire circuler un pattern al atoire dans les registres d calage afin d obtenir un comportement du Cl qui ne d pende pas d un pattern choisi Le but de cette nouvelle version tait de faire fonctionner le CI une fr quence typique au moins 10MHz avec un pattern al atoire tout en vitant les erreurs de communication et de synchronisation avec le PC comme dans la version 4 Un protocole de communication a donc t mis en place pour lire et crire de fa on asynchrone dans la m moire du Cl Le PC g re cette communication sa propre vitesse laide de drapeaux flags gt En parall le l horloge du Cl fonctionne ind pendamment du PC gr ce aux horloges quartz de la carte le
47. est le Tableau Il 1 r sume les valeurs prises par le drain e N gative niveau bas le transistor NMOS est bloqu et le drain garde l tat pr c dent Avec une correction s il tait auparavant la masse 2 il reste n gatif mais pas forc 1 De m me s il tait connect Vec 2 il prend la valeur 1 Nulle niveau ind fini si l tat de la grille est ind fini 0 il en est de m me pour le drain 0 e Positive niveau haut le transistor est passant le drain prend donc la valeur contenue dans la source 21 Source cCinurce Source Tableau ll 1 Valeurs prises par le Drain d un NMOS en fonction de sa valeur pr c dente de la grille et de la source De fa on sym trique pour le PMOS on obtient le comportement d crit dans le Tableau 1 2 E BREUI Source O Source O Source 0 Tableau 11 2 Valeurs prises par le Drain d un PMOS en fonction de sa valeur pr c dente de la grille et de la source Les cases surlign es correspondent aux tats qui peuvent tre invers s par un SEU 3 le vi Vote Ce vi est n cessaire pour connaitre l tat entre certaines connexions de transistors typiquement lorsque les drains dun NMOS et d un PMOS sont reli s compare les 2 signaux In1 et In2 et d cide de l tat de la connexion Sortie en fonction de l tat pr c dent r cup r gr ce lt Id gt Figure 11 11 et Figure II 12 Il est repr sent par
48. est un string qu il est possible de convertir entier WS Read 2D Array Excel Worksheet Excel Worksheet out 20 Area 2D Array error in error QUE Transpose E ES Lit un tableau 2D et le renvoie en type string 2D Area donne la position et la taille du tableau lire Les 4 nombres fournir sont la ligne 1 par d faut la colonne 1 par d faut le nombre de lignes 2 par d faut le nombre de colonnes 2 par d faut Le bool en Transpose permet de choisir l orientation du tableau comme dans Excel par d faut 16 Le tableau de sortie est un string qu il est possible de convertir entier WS Write Cell Excel Worksheet Excel Worksheet out Value error out error in a el Ecrit dans une cellule Cell Coord donne les coordonn es de la case o crire Le premier nombre correspond la ligne et le deuxi me la colonne Ces index d marrent a 1 Par exemple la case B4 est donn e par les coordonn es 4 2 La valeur crire est prise en tant que variant pour accepter diff rents types Sous Excel la valeur prend le type General Renvoie la r f rence du WS dans lequel la cellule est crite ainsi que la r f rence du range de la cellule pour les VI de mise en forme WS Write 1D Array Excel Worksheet Excel Worksheet out Init A B ono out ray error QUE error i
49. est vide et Index out 1 Si le lt gt choisi est lt Worksheet gt la r f rence du WS cr ressort par le param tre Excel Worksheet out Si le Type est Chart la r f rence du CH cr ressort par le param tre Excel Chart out SH Get out op Excel Workbook out Get L Excel Worksheet error mc E Excel Chart Index 13 NENNEN IS out Mame SH Excel Workbook 11 SRE out Excel Workbook out Excel Worksheet Get eene error Excel Chart Name 5H DERE aut Index Excel Workbook Renvoie s il existe les caract ristiques d un SH VI polymorphe qui accepte en entr e index du SH recherche son nom est renvoy chaine vide si le SH n existe pas e nom du SH recherch son index est renvoy 2 1 si le SH n existe pas lt Type out gt permet de savoir si le sheet est un WS ou un CH Il est n cessaire de s lectionner la r f rence Excel Worksheet ou Excel Chart qui correspond Type out SH Rename Excel Workbook op Excel Workbook out New Name Fen error in Index 1 Excel Workbook x Excel Workbook out en Sooo error error in Old Name esed Excel Worksheet op Excel Worksheet out New Name Ren amro ees error ut Excel Chart Excel Chart aut New Name O eege mes error Out Renom
50. interne de FPGA Eegen 99 Figure VII 2 Face avant du programme principal de test version 8 100 Figure VHS lt Les S tests aux limites EE 102 Figure VII 4 Comportement des CI FPGAS sous radiation a 104 Figure VII 5 Param tre t pris en compte dans les plans d exp rience de FPGA 8 106 Figure VII 6 Repr sentation 3D de t pour les 6 points extr mes Courbe bleue pour 0 et rouge pour 40MHz 107 Figure VII 7 Influence relative des 3 facteurs sur la longueur de ft 108 Figure 8 Param tre At pris en compte dans les plans d exp rience de FPGA 8 108 Figure VII 9 Influences relatives des trois facteurs sur la longueur de At 109 Figure VII 10 Figure VII 11 Pour un m me comportement du courant lt Atom Repr sentation 3D de At pour les 8 points extr mes Courbe bleue pour IOMHz et rouge pour 40MHz PERRO PRU Malte 110 Figure VII 12 Repr sentation 3D de At pour les 8 points extr mes Courbe bleue pour IOMHz et rouge pour 40MHz D A en ANTA 111 Figure 13 Influences relatives des trois facteurs sur la longueur de ty et de Az 112 Figure VII 14 Effets du d bit de dose D et de la temp rature T sur le compotement du courant 112 Figure 15 Re
51. l erreur associ e au num ro Numero L index et le nom du SH peuvent tre fournis si n cessaire Le chemin du vi lui est obligatoire Les erreurs qui peuvent tre renvoy es sont les suivantes 1 Le fichier sp cifi n existe pas 2 L index doit tre sup rieur 0 Les index de WS d marrent 1 3 Le SH n n existe pas index du SH dans le WB 4 Le SH n existe pas nom du SH 5 Le nouveau nom est vide 6 L index n est invalide du SH dans le WB 7 Le nombre maximum de param tres d une macro est de 30 8 Macro non trouv e 9 Pas assez de param tres 10 Trop de param tres 11 Mauvais param tres Avertissements Warnings Numero error QUE Index WEH SES vi path Renvoie l avertissement warning associ e au num ro Numero L index et le nom du SH peuvent tre fournis si n cessaire Le chemin du vi lui est obligatoire Les avertissements qui peuvent tre renvoy es sont les suivantes 101 Un num ro a t ajout au nom 102 Le tableau est vide 39
52. l hypoth se de l invariabilit du rapport 8 entre les dur es de fonctionnement des FPGA soumis aux rayons X et aux protons Pour obtenir une bonne description du lien existant entre l irradiation avec des rayons X qui ne prend en compte que les effets de dose et l irradiation avec des particules il est n cessaire de compl ter les exp riences sous protons diff rents d bits de dose et diff rentes temp ratures De plus l tude des films dosim trique irradi s PSI a mis en vidence une incertitude non n gligeable sur le flux de protons atteignant le circuit Le faisceau pourrait pr senter une divergence qui r duirait ce flux de 4 10 protons cm s d environ 20 La connaissance la plus pr cise possible des caract ristiques du faisceau est primordiale pour diminuer les incertitudes sur les param tres d un mod le comportemental de circuits lectroniques 136 La divergence du faisceau implique la dispersion angulaire de la trajectoire des protons atteignant la cible apportant une autre source d erreur L effet de l angle d incidence de protons sur l apparition de latchup a t mis en vidence dans des m moires SRAM particuli rement pour des temp ratures de fonctionnement lev es 40 75 C et avec un angle d incidence de 85 pa r rapport la surface du circuit la m moire a montr une sensibilit au latchup 16 fois sup rieure au m me mat riel 20 et avec un angle d incidence de 0 Pour une m me te
53. le nombre de registres cr s s l ve 15 15 entr es 15 sorties plus le reset L organisation de la m moire est donn e dans le Tableau 1 Mb registres Taille Tableau VI 1 Nombres et longueurs des registres dans le CI Les tests ont montr que la longueur des registres n a pas d importance sur les statistiques C est pourquoi les courbes des erreurs ne prennent en compte que la somme de toutes les erreurs sur tous les registres Les patterns utilis s ne sont pas al atoires mais ont t choisis pour viter des erreurs qui apparaissent bien que les CI ne soient pas irradi s La probabilit d apparition de ces erreurs un temps donn augmente avec le nombre de registres qui changent d tat C est la raison pour laquelle jai utilis un pattern 1 front pour lequel un seul registre change d tat chaque coup d horloge Avec ce pattern plus aucune erreur ind sirable n apparait Ce pattern est envoy et r cup r en sortie du Cl toutes les secondes Les donn es transitent une vitesse d horloge de 1MHz sur les 15 voies en parall le qui est la fr quence laquelle tout le syst me fonctionne du FPGA au programme LabVIEW Les rayons X utilis s ont une nergie principale de 10keV est possible de r gler le d bit de dose en jouant sur 3 parametres de la machine rayons X Tableau VI 2 et Tableau VI 3 la tension d alimentation 30kv 60kV le courant utilis pour mettre les p
54. les erreurs de protocole Son comportement est diff rent de celui des erreurs de lecture Les 8 tests d irradiation ont un comportement proche de la version 4 mais avec quelques renseignements suppl mentaires Les diff rentes tapes sont Augmentation du courant de consommation jusqu faire un pic Au d but du pic les erreurs de lecture passent 100 Le pic est un pic simple et troit pour les forts d bits 157rad s Pour les tests r alis s 15 rad s il s agit dune multitude de pics qui durent jusqu plusieurs heures Pendant ces pics les erreurs de protocole augmentent de facon exponentielle jusquau maximum 128 lorsque le courant se stabilise nouveau Ala fin de l irradiation le courant commence diminuer instantan ment Plus tard les erreurs de protocole commencent diminuer et tombent assez rapidement 0 Parall lement le courant se remet augmenter C est la p riode de r cup ration De la fin du pic de courant au d but de la r cup ration le programme LabVIEW n arrive pas communiquer avec le Cl Les erreurs de lecture tombent net O le CI fonctionne normalement accompagn es d une chute de courant qui reste cependant assez lev Les erreurs de lecture sont pr sentes depuis le d but du pic de courant jusqu ce point Ces tapes sont d crites dans le graphe suivant Figure VII 4 103 Cumulated dose LT Current p Protocol errors l Ca
55. mA E FPGA PIDA vi Set Paint C Kl e p 0 m m 5 S E E status code E a status code fo E 4 Lo source SOUrCE SEET 50 I Fo 200 400 600 DU 1000 Time R gulation lim Registers GPIB Alim PID Alim V Nb voies Nb valeurs 1 gs 0 I limit A Fr quence Hz Nb envois T chip C Lu D 40 Commande min dt s Ree a Ke jo 2 Frant Commande ez H Intervalle V 21 d 1M Periode 5 Mb erreurs 9 emm Param PID Glas icampliance 4 do Ai T 0 105 e 3 Mb pts int grale FPGA control C Gapteur Capteur Capteur 12 Mom ws essai Iu code Fichier EA 1 Vicern chidFs users a qabouriniBoulot SOUPCE 14 Th sel3 Banc de testiLabview FPGA4 Tests photons FPraad1R sulEaks xls Mesure Voie Tamb Filtre AUCUN 1 eat mm Wmd d Capteur 100 Voie e yz Unit C Tps int gration ls Figure VI 2 Face avant du programme principal de test version 4 Le programme cr e un pattern 1 front adapt au nombre de registres que l on souhaite tester et le r cup re la sortie prend ensuite en compte les longueurs des diff rents registres pour comparer les entr es aux sorties et affiche en temps r el le nombre d erreurs d tect es Un gr
56. nombre d erreurs observ es est trop faible il sera possible de diminuer la fr quence pour augmenter la sensibilit aux SEU V B Support du CI Des supports sp ciaux pour programmer des Cl ont t achet s et modifi s percage pour correspondre nos besoins Ces supports sont force d insertion nulle et permettent de tester des sans avoir les souder Ces supports sont en deux parties Figure V 6 Figure V 6 Parties inf rieure et sup rieure du support perc 67 base sur laquelle vient se poser le Cl qui se soude sur la carte lectronique Ele a t perc e pour laisser passer le syst me de chauffage qui vient se plaquer sur la face de dessous du FPGA la partie sup rieure qui vient bloquer la puce en se fixant sur la base par 4 vis Elle a t perc e pour laisser passer le faisceau de photons lors de l irradiation aux rayons X Une fois mont le syst me permet d acc der au FPGA par dessus et par dessous Figure V 7 At 1 L wech 1 L Ee a D E e KEE Figure V 7 CI ouvert par attaque chimique pr t tre test 68 V C Banc de chauffage V C 1 Pr sentation J ai commenc par r aliser la mod lisation sous CATIA v5r12 d un banc chauffage r alis en double exemplaire par l atelier principal du CERN Figure V 8 L l ment chauffant est une cartouche cylindrique ins r e dans un changeur de chaleur en acier Celui ci vient en cont
57. oiseau gt lt Birds De chaque c t du canal conduction l oxyde de grille s paissit pour former une barri re qui isole le transistor de ses voisins Sur une vue en coupe l oxyde ressemble une t te d oiseau dont le bec vient en contact avec l oxyde de grille Figure Il 24 Le bec est lui aussi soumis au champ lectrique de la grille et va donc pi ger des charges positives De plus tant bien plus pais que l oxyde de grille il va emmagasiner plus de charges et induire des courants de fuite entre drain et source qui contournent le canal situ sous l oxyde de grille 9 NORMAL FIELD OXIDE CHANNEL HEGION REGION POSITIVE TRAPPED CHARGE INDUCED CURRENT LEAKAGE PATH Figure 11 24 Pi geage des charges positives dans les lt bec d oiseau gt des oxydes Je dispose donc d informations sur les effets des radiations pour un transistor isol au travers de publications qui mettent en vidence le d calage des tension de seuil et l augmentation du courant de consommation qui accompagnent l effet de dose int gr e ainsi que les v nements singuliers SEU qui induisent des erreurs dans les m moires logiques 10 11 Il est possible de classer les pi ges de charges dans les oxydes en plusieurs cat gories 12 et des m thodes exp rimentales mettent en vidence les effets s par s de chacun de ces pi ges 13 mais aussi leurs r partitions spatiale et nerg tique dans les oxydes 14 La connai
58. om trie du LHC IV A 1 Vue g n rale Le LHC forme un cercle de p rim tre 27 km 100m sous terre divis en 8 octants d un peu plus de 3 km Tout le long de la machine les protons seront acc l r s dans les 2 sens l aide de 2 tubes s par s Ces 2 faisceaux se rencontreront qu au niveau des 4 d tecteurs ATLAS CMS ALICE et LHC B chacun plac au centre d un octant Figure IV 1 Low pp High Luminosity amp Future Expt Octant 3 10920 Low B physics Low pp High Luminosity Figure IV 1 Schema de principe du LHC Les faisceaux se croisent au niveau des 4 d tecteurs 52 IV A 2 D tail d un octant Un octant est compos de plusieurs zones dispos es de fa on sym trique par rapport son centre Si on part de ce dernier on se trouve dans une grande partie droite LSS Long Straight Section Dans la partie courbe du tunnel on trouve ensuite le DS Dispersion Suppressor qui refocalise les faisceaux puis l ARC qui courbe les faisceaux Figure 2 Les ch ssis sous dip les sont dispos s uniquement dans les DS et les ARCs __ Sector i itt e p Pa sss ee nt 2 em ARCiiti D gt Figure IV 2 D tail des zones du LHC LSS DS et ARC forment l octant IV A 3 Exemple de disposition des ch ssis Les Figure IV 3 et Figure 4 montrent la disposition des aimants dip les et quadrip les
59. pins 1 c ble 68pins 2 connecteurs SCSI 50 pins 3 c bles GPIB La cartouche est aliment e par une source KEITHLEY 2400 limit e en courant pour moduler la puissance fournie la cartouche et donc la temp rature finale appliqu e au La mesure 4 fils de la temp rature Pt100 est assur e par multim tre PREMA 5017 quip d un scanner pour lire plusieurs capteurs Un programme d velopp sous LabVIEW 7 1 commande les 2 KE THLEY et le PREMA par GPIB pour assurer la r gulation La mesure du courant de consommation du se fait directement avec le KEITHLEY qui sert l alimenter L acquisition des valeurs de courant se fait par GPIB L acquisition des bits de sortie des registres du Cl est assur e par des connecteurs SCSI 50 pins soud s sur le PCB Un c ble concu pour passer de ces connecteurs un connecteur SCSI 68 pins permet de faire la liaison avec la carte DIO 32 voies de chez National Instruments 17 V E 2 Pour la version FPGA8 Le sch ma du banc de test est le suivant Figure V 17 FPGAS inn PREMA 5017 Ke 2400 2400 GPIB Figure V 17 Vue sch matique du banc de test pour FPGA8 La principale diff rence avec FPGA4 r side dans la modification de la carte DIO du PC Il s agit d une carte de 96 voies num riques basique sans horloge puisque le FPGA utilise directement les horloges du PCB 3 connecteurs du PCB sont utilis s Un pour les entr e
60. place au syst me de chauffage et maintenir la stabilit de l ensemble Figure V 13 74 D MESE MIT see Kaz P d e LE ee le E Ce Ware de HAL Figure V 13 Banc de chauffage fix la carte Une plaque en acier fix e la carte par des entretoises est plaqu e sur le dessus pour rel cher les tensions sur les pattes soud es de la base du support du CI Figure V 14 Figure V 14 Carte lectronique avec support du FPGA 75 La Figure V 15 montre le banc de test pour la premi re version Mesure de temperature Carte du e Oh E J Wee Alim au chauttage mou A pale Figure V 15 Banc de test V E Pr sentation du banc de test Les tests ont t effectu s sur 2 versions de appel es FPGA4 et FPGA8 Les bancs de test pour ces versions ont quelques diff rences de connexions V E 1 Pour la version FPGAA Le sch ma du banc de test est d crit sur la Figure V 16 76 PREMA 5017 Ke 2400 2400 cia Figure V 16 Vue sch matique du banc de test pour FPGA4 On dispose du mat riel suivant 1 avec CI support et syst me de chauffage 1 PC avec 2 cartes PCI Carte DIO32HS 32 voies horloge int gr e Carte GPIB 1 Ke2400 alimentation de la cartouche chauffante 1 Ke2400 alimentation du Cl et mesure du courant de consommation 1 Multim tre PREMA 5017 scanner 1 c ble DIO NI 68
61. pour une activation A constante 26 est au point d inflexion 42 Ce front volue de fa on logarithmique dans le temps suivant l quation t R t A t t F t Soit 6 0 A E Bh boer Des tests ont mis en vidence la relation entre la gu rison des pi ges d oxyde et la production de pi ges d interface 28 Les transistors test s sont de technologie bulk et poss dent des volumes de grille largeur longueur paisseur de 16um 3um 45nm Ils ont t irradi s temp ratures tr s diff rentes 25 C 27 et 100 C avec une source de rayons X d nergie 10keV et le d calage de leur tension de seuil est surveill e pendant qu ils sont polaris s Les r sultats montrent que plus la temp rature est lev e plus les pi ges de trous dans l oxyde diminuent ce qui correspond une gu rison ou annealing gr ce la temp rature Cependant cette diminution des pi ges d oxyde est accompagn e par une augmentation quivalente des pi ges d interface qui se formeraient suite l arriv e des trous l interface Si SiOs Toujours en observant le d calage de la tension de seuil la vitesse de gu rison des transistors est constante et ind pendante de la temp rature durant l irradiation Ill A 7 Les effets macroscopiques Une fois pi g es les charges induisent des champs lectriques qui parasitent les champs du fonctionnement normal du transistor Ces champs parasites influencent l
62. rience pour FPGA A 93 On obtient l quation polyn miale suivante Prenons les effets s par ment Pour la moyenne ao la valeur est de 372 5krad s agit de la moyenne dans le carr d fini par les 4 points Nous pouvons observer que le d bit de dose a un effet coefficient de X2 65 6 fois plus important que la temp rature coefficient de X 11 sur la dose laquelle se produit la panne fonctionnelle De plus dans la r alit la temp rature restera dans les limites de ces plans d exp rience tandis que le d bit de dose sera beaucoup plus faible que D1 les 1Mrad seront accumul s sur 20 ans soit un d bit pr s de 10000 fois moindre C est pourquoi m me si la temp rature a un effet moindre lors de mes tests il est important de la prendre en compte pour repr senter au mieux le comportement des CI dans le tunnel du LHC Quant l interaction entre la temp rature et le d bit de dose elle reste n gligeable Ces 2 facteurs peuvent tre consid r s comme ind pendants 94 95 CHAPITRE VII TESTS SOUS RAYONS X DES CI VERSION FPGA 8 96 R sum du CHAPITRE VII Le programme VHDL dans le de la version FPGAG est similaire celui de FPGA4 si ce n est que les 15 registres ont la m me longueur de 128 bits L acquisition et le contr le sont assur s par un programme LabVIEW qui r alise les m mes t ches Pour cette version l horloge choisie est celle de la carte lectronique sur laquel
63. ris par des plans d exp rience pour connaitre avec pr cision et en temps r el la temp rature du silicium Les bancs de tests sont peu pres semblables pour les 2 versions de programmes des CI FPGA4 et FPGA8 Ils comportent des sources de tension pour la carte lectronique et le systeme de chauffage La lecture de la temp rature et du courant de consommation du CI se fait par GPIB La lecture des erreurs est r alis e par une nappe num rique 32 ou 96 voies 63 V A Programmation du Cl Dans les FPGA 545 72 il existe 2 types de cellules R pour register avec bascule D et C pour combinatorial logique combinatoire uniquement Dans la s rie SX A il n est pas possible de programmer les cellules C pour cr er les registres d calage Ceux ci resteront donc inutilis s SS Casta Input 21 Dect Connect HOLE Internal Logic Figure V 1 Structure d une cellule de type register dans un Cl ll reste les 2012 cellules R R Cell Figure V 1 comprenant chacune une bascule D accompagn e de multiplexeurs D Q CK Figure V 2 Bascule D La bascule D comprend une entr e not e D une sortie Q et une horloge CK Figure V 2 Q reste la m me jusqu ce qu un front d horloge montant ou descendant selon la configuration se produise et prend la valeur de D Pour mod liser un comportement il est plus int ressant de tester directement ces bascules pour d
64. servant r duire l nergie du faisceau ou le bloquer enti rement Pour une nergie nominale de 63 MeV les lames sont enti rement retir es 120 La Figure VIII 2 montre l ensemble du dispositif exp rimental dans la salle d irradiation On reconnait sur la droite les nappes qui viennent se connecter sur la carte lectronique Le faisceau de protons a une nergie nominale 63 MeV avec une dispersion gaussienne de 1 5 MeV Nous avons s lectionn un _collimateur afin d obtenir pour le faisceau une forme transversale carr e de 4 4 sur laquelle le flux de protons de 4 10 7 5 reste homog ne 4 capteurs dey et de _ TS fragments charg s protons B ru OI sortant de a cible sortie du faisceau Figure VIII 2 Vue d ensemble du banc de test Le faisceau arrive par la droite our la gauche de la photo deux d tecteurs ont t dispos s l arri re de la cible le premier plac sur la trajectoire du faisceau est un compteur des rayons sortant du FPGA consiste en un cristal de BGO dont la lumi re est lue par un photomultiplicateur Le deuxi me est un scintillateur permettant de compter le nombre de particules charg es principalement des protons produites dans le FPGA cible Il pr sente une surface la plus grande possible pour augmenter la section utile de collection de ces particules Comme pour le compteur de rayons y la lumi re mise par le scintillateur est r
65. signal S STB std 1 begin width for in O to io width 1 generate reg sr muxa8 generic map reg length gt reg length port SR gt reset SR MUX gt reset input SR gt inputs j output SR gt outputs j write SR gt write read SR MUX gt read end generate Compt compteur port map clk gt Clk reset gt reset counter gt count P process clk reset is begin if reset 1 then o ACK o SIB ges write lt 0 read lt 0 tempo lt 0000000 outputs lt others gt 0 150 state lt Sinit elsif rising edge clk then case state is when Sinit gt if OBF_BA 0 and count position then if OBF_AA 0 and OBF_AB 0 then write lt 1 state lt Sw1 else read lt 1 state lt Sri end if else state lt Sinit end if when Swi write lt 0 tempo lt count state lt 5 2 when Sw2 gt if tempo count then S ACK lt not S_ACK state lt 5 3 else state lt Sw2 end if when Sw3 gt if 1 and 1 and 17 then 5 lt 4 state lt Sinit else tempo lt count state lt 5 2 end if when Sri gt read lt 0 tempo lt count state lt Sr2 when Sr2 gt If tempo count then 5 lt not 8 state lt Sr3 else state lt 5 2 end if when Sr3 gt i
66. std logic unsigned all library Synplify use synplify attributes all entity FPGA8 2 is generic reg length integer 127 io width Integer 15 port clk in std logic reset in std logic inputs in std logic vector io width 1 downto 0 outputs out std logic vector io width 1 downto 0 position in std logic vector 6 downto 0 Ecriture OBF AA in std logic Actif sur fronts descendants OBF AB in std logic OBF BA in std logic ACK out std logic 1 Lecture SIB out std logic 2 15 IBF CA in std logic IBF CB in std logic end FPGA8 2 architecture archi of FPGAS8 2 is attribute syn radhardlevel of archi architecture is none component muxa generic reg length integer 8 port clk SR in std logic reset SR MUX in std logic write SR in std logic read SR MUX in std logic input SR MUX in std logic output SR out std_logic end component component compteur is 149 port in std logic reset in std logic counter inout std logic vector 6 downto 0 2 0000000 end component type Tstate is Sinit Sw1 Sw2 Sw3 Sri Sr2 Sr3 514 5 5 signal state Tstate Sinit signal write std logic 0 signal read Std_logic 0 Signal count std logic vector 6 downto 0 0000000 Signal tempo std logic vector 6 downto 0 2 0000000 signal 5 ACK std 1
67. travers la surface dS qui est donn e par Si je prends un l ment de mati re sph rique centr en P et de rayon dr Figure 111 2 quel que soit l orientation de ce volume il pr sente toujours la m me surface dS perpendiculaire une particule incidente Ainsi il n est pas n cessaire de distinguer les particules directes des particules secondaires afin de comptabiliser leur contribution nerg tique dans ce volume photon diffuse photon direc SEES Figure 111 2 Sph re l mentaire de centre P et de rayon dr travers e par des rayons X La surface d interaction est dS x dr Qui correspond l clairement db ds z dr Et la fluence s crit alors F 27 dr Faisons le bilan de l nergie d pos e dans la sph re l mentaire dW dW dW dW dW repr sente l nergie des particules entrantes dW moins l nergie des particules sortantes dW Les particules sortantes sont en majorit des photons et des electrons sinon des fragments nucl aires l gers On d finit le KERMA Kinetic Energy Released per unit MAss comme l nergie d pos e par unit de masse exprim e en Gray 19 33 dW Gray dm K KERMA On peut n gliger l nergie de masse des protons qui s arr tent dans la sphere car ils n interagissent plus avec les noyaux contrairement aux neutrons Pour calculer correctement le il faut que la constitution de
68. un point d interrogation dans un carr Il ne correspond pas un composant r el du circuit et n est donc pas soumis aux SEU Context Help Folte wi In 1 Id Sortie erreur in s Se erreur out Figure 11 12 Utilisation du vi Vote entre les drains d un NMOS et d un PMOS Si jamais le vi de vote re oit 2 signaux 2 et 2 il envoie une erreur Masse et Vec connect s Si les 2 signaux valent 1 et 1 ou tous les deux la sortie pr c dente est renvoy e Le Tableau II 3 indique les diff rentes valeurs de sortie possibles 2 Sortie prec PARSE Tableau 11 3 Valeurs de sortie du vi de vote en fonction de ses 2 entr es In1 et In2 et de son tat pr c dent Sortie prec II D 1 c Mod lisation d un registre d calage A partir des trois vi pr c dents il est possible de construire une bascule D qui correspond un bit m moire dans un registre d calage Figure 11 13 Ce mod le de bascule D constitu de 11 transistors 5 PMOS et 6 NMOS a t utilis au CERN pour caract riser des transistors de technologie 0 25um 7 Dynamic cell Figure 11 13 Sch ma lectrique d une cellule dynamique bascule D Par la suite je supposerai que la bascule D repr sent e sur la figure 11 13 est repr sentative de celle du FPGA d Actel puisqu il s agit de la m me technologie Les d tails des bascules d Actel ne peuvent pas tre fournis dans le cadre de ce trava
69. 0 Read err 95 protocol err 128 Temps s 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1500 2000 Figure 14 R sultats des tests de protons Sous un d bit de dose de 56 rad par seconde correspondant un flux de 4 10 proton cm s le FPGA a tenu 1180 secondes avant la panne fonctionnelle et pas un seul SEU n a t d tect parmi les 15 registres fonctionnant 10MHz La section efficace d un bit m moire peut tre major e par g Nb _ 1 1 x 17 10 F 15x10 4 10 La panne fonctionnelle n est que temporaire car les erreurs de protocoles et de lecture disparaissent 7 minutes apr s la fin de l irradiation Le circuit fonctionne nouveau correctement bien qu avec un courant presque 2 fois plus lev que le courant de d part A partir des r sultats des tests d irradiation avec les rayons X d crits dans le chapitre VII j ai propos une quation permettant d extrapoler les effets de la dose int gr e par les FPGA dans le tunnel du LHC Cette quation exprime le temps de fonctionnement d un circuit FPGA t heures en fonction du d bit de dose qu il re oit D rad s et de sa temp rature de fonctionnement T 131 1 3410 xXfq 1 U aD 7 895 10 x D En extrapolant ce mod le avec un circuit fonctionnant une temp rature de 70 et avec un d bit de dos
70. 00 Temps s Figure V 10 Evolution des carts de temp rature pendant le chauffage On peut construire la matrice d exp riences en variable naturelle Tableau V 3 N d exp rience Temperature Puissance Delta T essal FL ANI IL I p ee ae 40 5 11 8 EU 5 I 2 3 0 B Tableau V 3 R capitulatif des essais avec les variables naturelles grandeurs physiques 71 Puis en variable r duite en ajoutant les colonnes de la moyenne et de l interaction Tableau V 4 essal 1 z 12 4 68 O A Niveaul TI 50 Tableau V 4 Tableaux de calcul des effets de la moyenne des facteurs et des interactions Pour un essai une ligne du tableau les coefficients dans la colonne d interaction 12 sont obtenus par le produit des coefficients des facteurs X4 et X Par exemple pour l essai 1 le coefficient de l interaction vaut 1 1 1 Le tableau des niveaux en dessous rappelle pour chaque facteur la correspondance entre les variables naturelles et les variables r duites Le calcul de l effet d un facteur dans le dernier tableau est gal la somme des produits des coefficients de ce facteur par la r ponse Y le tout divis par le nombre d exp riences Par exemple pour la temp rature X4 qui a pour effet a 1 x1 9 1 x1 141x6 94 1x5 7 4 Coeff Temp D I 4 2 4 i l La moyenne se calcule par la somme de toutes le
71. 000 17000 19000 21000 R sultat du test FPGA 8 au point 8 166 167 ANNEXE 4 Manuel d utilisation de la biblioti que de vi pour d Excael 168 St phane GABOURIN le 31 Octobre 2007 AT ACHR IN T l 75478 stephane gabourin yahoo fr SOMMAIRE EE EE 2 EE d NR 8 Deseripho n AES EEN 9 Cat gorie 1 Gestion des objets lt Workbook gt WB 9 Creac ODE EE 9 Eeer 9 C los EE 10 COS EE 10 Cat gorie 2 Gestion des objets lt Sheet gt SH WS CH 11 UE 11 NO OG om CE 11 SHAR Ia P TT 12 uu E 13 s y uu HEN PM 13 S TO E 14 Cat gorie 3 Fonctions internes aux WS 15 a Manipulation des donn es criture et lecture 15 Ws Read 26 E 15 WS Read Bi E EE 16 WS Roud ABS bys Rr PR oe ee asuo a 16 WS Wie EE 17 WS Wite RE EE 17 W SMW MEOD ATA d cR 17 Ee Ee ERR e TOFHIG EE 18 ta Mom lee 18 WS Drow EE 19 KEE 19 EE Um T TE 19 20 NS NL uuu 20 Mm 21 ME E 2 CC IC COUR CTI EE 2 b IOVI IE RP 2 Cat gorie 4 Fonction
72. 164 all library Synplify use synplify attributes all entity mux8 is port reset mux in std logic in std logic a b sel in std logic out mux out std logic mux8 architecture archi of mux8 is attribute syn radhardlevel of archi architecture is none begin Pmux process reset mux clk mux is begin if reset muxz 1 then out mux lt 0 elsif rising edge clk mux then if sel 1 then out mux lt b else out mux lt a end if end if end process end archi Compteur library IEEE use IEEE std logic 1164 all use IEEE std logic unsigned all library Synplify use synplify attributes all entity compteur is port clk in std logic reset in std logic 155 counter inout std logic vector 6 downto 0 2 0000000 end compteur architecture archi of compteur is attribute syn radhardlevel of archi architecture is tmr begin PCounter process clk reset is begin if reset 1 then counter lt 0000000 elsif rising_edge clk then counter lt counter 1 end if end process end archi 156 157 AININIEXIE 3 Courbes de resuliats pour les CI version FPGA 8 SOUS rayons 158 1000 4 OU E Puce 3 T1 D1 F1 900 4 45 15rad s 10MHz 3 ln Current mA x 5 Rad krad SiO2 500 T chip C S 400 Read Err protocol err 120
73. 2mux std logic signal mux2out std logic begin Mux W mux8 port map reset mux gt reset SH MUX clk mux gt SR a gt reg2mux D gt input SR MUX sel gt Write SR out mux gt mux2reg Shifter SR8 generic reg length gt reg length port gt SR reset gt reset SR MUX input gt mux2reg output gt reg2mux Mux R mux8 port map reset mux gt reset SR MUX gt SR MUX 153 a gt mux2out D gt regamux sel gt read SR MUX out mux gt mux2out output SR lt mux2out end archi Registre d calage library IEEE use IEEE std logic 1164 all library Synplify use synplify attributes all entity SR8 is generic reg length integer 16 port clk in std logic reset in std logic input in std logic output out std_ logic end 588 architecture archi of SR8 is attribute syn radhardlevel of archi architecture is none signal x std logic vector reg length downto 0 begin x 0 lt 0 when reset 1 else input shift reg for i in reg length 1 downto 0 generate process clk reset begin If reset 1 then x i 1 lt 0 elsif rising edge clk then x i 1 lt x i end if end process end generate 154 output lt 0 when reset 1 else x reg length end archi Multiplexeur library IEEE use IEEE std logic 1
74. 5 19 45K 45K 4 4 45 4 01 Q2 05 01 02 04 05 1071 08 09 010 TAS MQXADFBX MBXW TAN MBRC ra pg XRP2 MQML iml DFBA uou MBA MBH MBB MQM G MBA MBB P5 ST mm marar r m y d es s EI A EC Fees _ EU Ir 5 522 719 1 A z UN RI 2 413 2 407 E 2409 2 407 19 05 BENI 54 0 68 1 898 1 93 1 898 12465 E 5 f 845 5 223134 22 837 29 95 g 29 96 5 168 29 96 4 8 20 96 57 79 60 745 Figure IV 4 Disposition des ch ssis dans le Dispersion Suppressor Right 5 de CMS 0585 IV B Les radiations dans le LHC IV B 1 Environnement radiatif Dans le tunnel les particules radiatives seront de tous les types d crits dans le chapitre Ill tout en pr sentant des spectres nerg tiques tendus On peut les classer en trois cat gories 36 Les particules lectromagn tiques que sont les photons lectrons et positons Les particules charg es lourdes hadrons comme les protons les pions et les ions Les particules neutres lourdes compos es principalement de neutrons Les protons et les ions qui seront acceleres dans la machine provoqueront des collisions avec les particules r siduelles des tubes Ces collisions engendreront une radioactivit sur toute la longueur du tunnel La fr quence de ces interactions sur les 27km a t valu e 1 05 10 m s 37 Les p
75. A chaque fois qu un bit atteint la sortie de SH le compteur contient sa position en m moire A cet instant la valeur du bit est pr sente la fois sur l entr e a de MUX W et sur l entr e b de MUX H e Si acet instant sel W vaut lt 1 gt entr se connecte sur l entr e de SR et la valeur de IN crase le bit C est l op ration d criture la position sp cifi e par le compteur e toujours au m me instant sel R vaut 1 la valeur du bit va se retrouver dans OUT et sera disponible la sortie du FPGA C est l op ration de lecture a la position sp cifi e par le compteur Lorsqu on d sire lire ou crire dans le Cl il faut au pr alable sp cifier la position concern e variable POSITION sur 7 bits 128 possibilit s Celle ci est compar e a la valeur du compteur Lorsqu il y a galit en fonction de la valeur des drapeaux du protocole de communication sel ou sel passe lt 1 gt et ex cute la demande 98 Pour favoriser l apparition des erreurs uniquement dans la m moire SR les op rations de lecture et d criture de la position reposent sur une logique tripliqu e POSITION et COMPTEUR sont en trois exemplaires dans le FPGA et un syst me de vote permet de supprimer une erreur qui surviendrait sur une des valeurs Pour plus de d tails sur le protocole et sur le code VHDL r f rez vous l ANNEXE 2 x15 En fonction des flags de Communication
76. CI Actel SX A d crits dans III B 2 ont mis en vidence une section efficace o 1 5 10 br 35 avec des protons d nergie 70MeV Le nombre de SEU que nous pouvons esp rer observer avec 2012 bascules et un flux de protons de 5 10 cm 7 6 maximum au PSI est Nb SEU 1 5x10 x5x10 x2012z 15x10 err s par FPGA Soit un taux maximum d une erreur toutes les 11 minutes Une fr quence de fonctionnement normale de la puce est 10MHz On peut ainsi valuer P 66 P L5x107 TN NN 7 4x10 SEU CIK par bascule 10 2012 Une probabilit aussi faible ne peut pas tre compens e par la valeur de n Les bits subissant 1 seul SEU seront rares 7 4 10 par cycle d horloge mais resteront largement majoritaires aux multiples SEU Nous pouvons calculer par exemple le rapport entre la probabilit qu un bit ait 1 seul SEU et la probabilit qu il en ait 2 1 P LSEU See 2 IP 27x10 P 2 SEU Px py nl P devrait y avoir 270 milliards fois plus d erreurs simples que doubles Le probl me sera donc l obtention d un nombre suffisant d erreurs simples plut t que d viter les erreurs multiples Trois longueurs de registres seront tout de m me programm es pour tudier d ventuelles dispersions Tableau V 1 Tableau V 1 Nombres et longueurs des registres programm s dans la puce Toutes les R Cells sont utilis es Une premi re s rie de tests sera r alis e la fr quence constante 1MHz Si le
77. Ce vi est polymorphe et poss de 6 sous menus P6 P6 est lui m me divis 2 sous menus Le 1 g re les graphes de courbes le 2 les graphes avec des aires EE CH Text D i regroupe les lignes 2 et 3 du tableau 11 est aussi polymorphe et se compose de 4 sous menus T1 T4 T CH Scale vi est commun aux axes quadrillages et n est pas polymorphe L emplacement de la l gende est d termin dans CH Options et n apparait donc pas dans ces 3 vi La cat gorie 5 permet d importer et d ex cuter une macro Visual Basic dans ke Excel La TEN Les vi de la cat gorie 6 sont utilis s pour la mise en forme des donn es dun WS 115 permettent de convertir des coordonn es de cellules tableaux 1D et 2D x E a D BE en Ranges ou inversement RangeToArea Pour appliquer une mise en forme sur de multiples Ranges il est possible de les regrouper dans un seul Range avec ConcatRanges La cat gorie 7 regroupe les diff rents outils qui peuvent s av rer utiles Pour l instant il n y en a qu un qui permet de compter en partant d une cellule de r f rence le nombre de cellules non vides verticalement ou horizontalement E 2x d Quelques exemples de vi sont fournis dans le r pertoire Exemples Ce document d crit rapidement la proc dure d installation de la palette Excel avant de d tailler le r le de chaque vi Le paragraphe suivant
78. III 3 Station de contr le un tage au dessus de la salle d irradiation 122 Figure VIII 4 L quipe de choc 3h du matin apres 7h de run sans caf Mes deux Co th sards Charlotte Ricol et R mi Rosset Lanchet Un autre cran dans la salle de contr le gauche sur la Figure VIII 5 permet de connaitre en temps r el toutes les caract ristiques du faisceau Ces caract ristiques ne sont qu indicatives et il est n cessaire de t l phoner la salle de contr le de la ligne d irradiation pour les modifier F u wawa LAELA 4 Ska a Vis 98 89 Figure VIII 5 Ecran reportant les donn es du faisceau en temps r el Pour chaque circuit FPGA la dur e moyenne d irradiation est de 21 minutes selon les variations du flux incident de protons En moyenne chaque circuit test subi une fluence d environ 5 10 p cm La chambre d ionisation d j pr talonn e et install e la sortie du faisceau indique un d bit de dose moyen de 0 53 Gy s pendant nos tests La dose totale cumul e est donc d environ 660 Gy quivalent silicium Cette dose correspond la dose totale int gr e dans un bloc de silicium correspondant un circuit int gr d paisseur gale 500 um Le faisceau de protons de 63 MeV ne c de qu une petite fraction de leur nergie dans le FPGA La dose accumul e donc plus faible que celle v hicul e par le faisceau
79. LE IV A 2 DETAIL D UN OCTANT IV A 3 EXEMPLE DE DISPOSITION DES CHASSIS IV B LES RADIATIONS DANS LE LHC IV B 1 ENVIRONNEMENT RADIATIF IV B 2 ESTIMATION DE LA DOSE DANS LES DS IV B 3 ESTIMATION DES FLUX DE PARTICULES DANS LES DS CHAPITRE V CONCEPTION DU BANC DE TEST R sum du CHAPITRE V V A PROGRAMMATION DU CI V B SUPPORT DU CI V C BANC DE CHAUFFAGE V C 1 PRESENTATION V C 2 CARACTERISATION V D CARTE ELECTRONIQUE V E PRESENTATION DU BANC DE TEST V E 1 POUR LA VERSION FPGA4 V E 2 POUR LA VERSION FPGAS CHAPITRE VI TESTS SOUS RAYONS X DES CI VERSION FPGA 4 R sum du CHAPITRE VI VI A INTRODUCTION VI B STRUCTURE DU CI VI C PROGRAMME LABVIEW VI C 1 CADRE FPGA VI C 2 CADRE lt REGULATION gt V C 3 CADRE lt CAPTEUR gt VI C 4 CADRE lt EXCEL gt VI D RESULTATS DES TESTS VI D 1 INTRODUCTION VI D 2 GRAPHES VLE PLANS D EXPERIENCE CHAPITRE TESTS SOUS RAYONS X DES CI VERSION 8 R sum du CHAPITRE VII INTRODUCTION VIL B STRUCTURE DU CI VII C PROGRAMME LABVIEW 96 97 98 98 99 VII D RESULTATS DES TESTS VI DI INTRODUCTION VII D 2 GRAPHES DES 8 TESTS VIL E PLANS D EXPERIENCE VILE 1 PLAN SUR LA DUREE DE FONCTIONNEMENT VILE 2 PLAN SUR L INTERVALLE AT T Tio 10 VILE 3 PLAN SUR L INTERVALLE AT gt T Tio 10oma EXTRAPOLATION POUR LES DOSES DU LHC VII G TEST DE V VII G 1 MODE OPERATOIRE STATIQUE VII G 2 MODE OPERATOIRE DYNAMIQUE
80. La courbe Rad gt dont les valeurs sont repr sent es sur l axe de gauche repr sente l volution lin aire de la dose absorb e par le circuit de silicium et se stabilise 663 Gy la fin de l irradiation Le comportement du FPGA irradi avec des protons est tr s similaire au comportement avec des rayons X Le courant de consommation Current en vert augmente de facon relativement exponentiele et forme un pic accompagn de la panne fonctionnelle du circuit Celle ci est caract ris e par la courbe des erreurs de lecture Read err qui passent instantan ment de 0 100 lisible sur l axe de droite Il 130 faut attendre un moment apr s la fin de l irradiation pour voir les erreurs de lecture retomber 0 Les erreurs de protocole protocol err sont les erreurs de communication entre LabVIEW et le FPGA qui sont test es pour chacune des 128 positions m moire du FPGA Les 128 erreurs apparaissent compl tement lors du pic de courant et de la panne fonctionnelle Elles ne rediminuent qu un moment apr s la fin de l irradiation et lorsqu elles atteignent O les erreurs de lecture disparaissent instantan ment 1000 500 Protons T 70 C D 56rad s DEE 5 450 gt aaae ee nennen nenne nnne DE fp 400 o 8 Current mA Rad krad SiO2 B Aane T chip TI IL SUS eee 35
81. T amb 127 4361 Param PID Fichier DIO h D FPGASIDIO txt FPGA control Fichier Reg W D AFPGASReg ExE stop Capteur Mb err pratacale Mesure 4 fils Sum err Mori vs Qo p Enregistrer T In Voie Tamb Filtre Aucun ii essai lt gt status code 5 di Capteur PETOD aff Voie T Fichier 5 4 92 Unite D FPG Btest xls jsource Tps int gration lis Capteur Figure VII 2 Face avant du programme principal de test version 8 D un c t la r gulation assure le maintien de la temp rature du CI gr ce l quation des plans d exp rience mod lisant le banc de chauffage C est aussi cette partie qui mesure le courant de consommation du car ce dernier est n cessaire pour valuer la puissance que doit fournir la cartouche chauffante D un autre c t la gestion des donn es num riques assure la communication entre le PC et le CI incluant l criture et la lecture des registres d calage 100 Lors du lancement d un test les parties r gulation et donn es sont lanc es ind pendamment La r gulation am ne le CI la temp rature souhait e et la r gule principalement en fonction des fluctuations du courant La partie g rant les donn es cr e un pattern al atoire de 15 127 bits puis l utilise pour remplir la m moire du Cl Ce pattern va tourner en rond 10MHz ou 40MHz dans le Cl et le progra
82. act avec le CI travers le support inf rieur gr ce un syst me de ressort La poign e se visse dans une bague fix e la carte lectronique par des entretoises Le maintien d une position est assur par un contre crou La force de pression de la t te de l changeur sur le Cl est la m me pour tous les tests suffit de maintenir constante la distance entre la poign e visser et le contre crou Figure V 9 _ ST SIE Y Figure V 8 Vue en coupe du banc de chauffage r alis e avec CATIA v5r12 Le transfert thermique entre la t te de l changeur et le dessous de la puce est facilit par de la p te thermique Une Pt100 prise en sandwich entre l changeur et le Cl permet la r gulation de la temp rature gr ce la caract risation du banc de test 69 Figure V 9 Echangeur ressort poign e et contre crou apr s assemblage V C 2 Caract risation L objectif est d tre capable de calculer la temp rature du en fonction de la Pt100 plac e entre l changeur et le Le param tre mod liser est l cart entre la temp rature de la Pt100 et celle du Pour caract riser le banc de chauffage il m a fallu mesurer directement la temp rature sur le CI ouvert avec une deuxi me Pt100 Deux param tres faisant varier cet cart sont prendre en compte la temp rature que l on d sire atteindre la puissance dissip e par le La tension d alimentation tant toujours de
83. aisceaux de protons dans les tubes sous vide Les particules r siduelles dans ces tubes rentreront en collision avec certains des protons acc l r s modifiant ainsi la trajectoire du proton Si les champs magn tiques des aimants supraconducteurs sont insuffisants pour ramener le proton dans la trajectoire du tube celui ci va provoquer des gerbes de particules d s qu il interagira avec de la mati re Ce ph nom ne va induire un environnement radioactif dans tout le LHC Le deuxi me ph nomene est plus violent mais aussi plus localis il s agit des collisions des paquets de protons dans les d tecteurs Seuls 4 points sur les 27 km seront touch s par ces radiations suppl mentaires qui se r percuteront de part et d autres sur une certaine distance dans le tunnel J ai mis en avant les zones les plus radioactives du tunnel dans lesquelles seront install es les cartes lectroniques utilisant les FPGA d Actel que j ai test s gr ce des simulations r alis es par le logiciel FLUKA IT s agit d un simulateur qui calcule les flux et nergies des particules pr sentes et la dose qu elles induisent en fonction des diff rentes interactions nucl aires provoqu es par les faisceaux de protons J ai commenc par rechercher les diff rentes positions des ch ssis sous dip les afin de d terminer celui ou ceux qui int greraient le plus de dose et subiraient la plus importante douche de particules La zone la plus radioactive ou se trouven
84. aleurs par 1 3kGy Les fluences finales s expriment en nombre de particules par n p ou n 7 67 10 n cem pour des neutrons d nergies sup rieures 100keV 2 21 10 p cm pour des protons d nergies sup rieures 100KeV 3 51 101 n cm pour des pions d nergies sup rieures 100 KeV Ces valeurs seront prises comme r f rences au CHAPITRE VIII afin de calculer la dur e de vie des circuits FPGA contenus dans ce ch ssis 60 61 CHAPITRE V CONCEPTION DU BANC DE TEST 62 R sum du CHAPITRE V Pour identifier facilement les erreurs qui surviennent dans la m moire d un FPGA j ai utilis la structure la plus simple le registre d calage qui consiste mettre des bascules D en s rie Si une erreur arrive sur une bascule elle est report e la sortie de la m moire et peut tre d tect e Pour ne pas tre vue il faudrait qu une 277 erreur se produise sur le m me bit pour lui redonner sa valeur initiale Des calculs de probabilit ont montr quel point ce ph nomene est n gligeable Le banc de tests a t cr de mani re pouvoir irradier directement le silicium Si des circuits int gr s gr ce l ouverture chimique des FPGA indispensable pour les rayons X Le FPGA est install sur un support amovible afin de n utiliser qu une carte lectronique sp cialement concue pour ces tests Un syst me de chauffage appliqu sous le boitier FPGA du CI a t caract
85. anquant laissant 2 atomes de silicium chacun avec une liaison covalente libre Un trou peut se faire pi ger par une de ces liaisons Figure 111 12 Neuf types de pi ges lt gt ont t r pertori s ce jour 24 d pendant des liaisons atomiques de l environnement M L Je A LS gt N h ms SSS 1 t Lem S 4 v PR K A a 1 A d Figure 111 12 M canisme de formation d un pi ge de type 21 Les centres Pb forment uniquement les pi ges d interface Ils sont g n r s par la modification du r seau au niveau de l interface Si SiOs Leur interaction avec le Si les fait pi ger des charges en fonction de la polarisation de la grille Ils pi gent des lectrons pour les NMOS et des trous pour les PMOS Bloquant les porteurs minoritaires ils s opposent directement au bon fonctionnement des 2 types de transistors Le graphe suivant d crit la dynamique du principal m canisme de pi geage des trous vers l interface Si SiO 25 La grille est ici polaris e positivement C est pourquoi elle attire les lectrons tandis que les trous sont pi g s sur le chemin menant l interface Si SiO Figure 111 13 e h pairs Ng interface trap created e o formation P gj by ionizing 50 radiation T HN A trapping AT near interface proton transport 2 proton Nessa A release J hopping transport of holes throu
86. ans un seul Range Utile pour appliquer une mise en forme sur plusieurs Range en un seul appel de vi 30 Cat gorie 7 Outils divers Count Elements Excel Worksheet E Excel Worksheet out From cell 1 1 ES n Count Direction 17 la error nut error in Compte en partant d une cellule de r f rence From Cell le nombre d l ments non vides Count en dessous de cette cellule si Direction est sp cifi Vertical par d faut adroite de cette cellule si lt Direction gt est sp cifi lt Horizontal gt 31 EXEMPLES 1 Manip de SH Cet exemple d crit l utilisation des vi de la 1 et 2976 cat gorie tout ce qui concerne la manipulation des 5 et des CH Le fichier Ex1 xis est cr La tempo permet de visualiser les tapes Ouverture ou cr ation du fichier test xls dans Nouveau nom Changement de place pour le 1er WS de mon autre WS Obtention du mon autre WS s Suppression de ler WS mon autre WS HD 4 7 2 Add Moy Del m Ajout de 2 autres SH D 1WS et 1 CH are Get All SH 1 graf UE i zu X PHZ Get All WS v Enregistrement a n r d Excel b0000000000 si non Visible l ouverture Get All CH Je index Obtention de tous les SH de tous les WS de tous les CH
87. ansistor Cet effet est appel le Latch up La technologie Silicon On Insulator SOI apporte une am lioration des performances Les CMOS SOI dissipent moins d nergie et la vitesse des tats transitoires des signaux lectriques en particulier sous irradiation est plus faible que chez les CMOS lt Bulk gt 4 La source S et le drain D sont d pos s sur une couche de SiO et sont ainsi isol s de B faisant disparaitre le thyristor et ainsi la sensibilit aux Latch up Figure Il 8 Cette caract ristique les rend plus r sistants aux effets singuliers induits par des radiations Cependant la technologie SOI de par son utilisation du dioxyde de silicium SiOz juste sous le canal reste plus sensible l effet de dose que la technologie Bulk Ce ph nomene d l effet de pi geage de charges conduit des dysfonctionnements 19 qui limitent les progr s apport s par cette nouvelle technologie SOI 5 De plus l augmentation de charges positives pi g es cr e un ensemble de champs lectriques parasites dont la cons quence principale est la cr ation de courants de fuite amenant l augmentation du courant de consommation g n ral du circuit et finalement un vieillissement acc l r 6 Les circuits FPGA que nous testons sont de 545 72 et sont produits avec la technologie Bulk Ils sont par cons quent moins sensibles l effet de pi geage mais 15 restent probablement sensibles
88. ansistors Les jonctions des zones dop es P et N font apparaitre un thyristor 3 Figure 11 7 Von Vout V55 THI T m TT T m eir EDEN eae TEETE IF Fedifd COTE EEE EEE m vr TI PRP RPE Ped IT P Pee PP Pe PP a SE ui Pdi FB Padi TE rddpuarpdd d aj i P r d wet FIT ipd pa iin LE ee da 4 T pudgd nr CELL hin GEZ get cke dent drm ete EI Pee eae ee Sr riies Fid F a Heidi sua Kr za HHI T ra RERRARAA ZE arrars Pe j k rk T THI HIP asrama ma Lela rear data r fatale lp d ay ragpirsigpsipsip num CLS ax sax as ELE er on err mnm deg kp 21 H d T d Wm Weg Meedchen zea rane ar Edi Pad Pid fud gd rirbPiricr de ger PE Ach cepe pss s LL Pear fda pu a m m T d 1 d re dE m mom eee A m R ee K 5 S s fa Be K Be T kb HE EORR omms K o Figure Il 7 Connexion des zones dop es formant le thyristor Une particule d posant suffisamment d nergie cr ant ainsi des paires lectron trou peut mettre ce thyristor en conduction et d truire le tr
89. ansistors Les jonctions des zones dop es P et N font apparaitre un thyristor Ce dernier peut conduire un Latch up d charge lectrique pouvant d truire le transistor cause des effets induits par le passage d un rayonnement ionisant En vue de comprendre le comportement du FPGA face aux effets singuliers modification de l tat de la m moire due aux rayonnements j ai mod lis l aide du logiciel LabVIEW un l ment repr sentatif constitu d un seul registre d calage J ai utilis le montage de la Figure Il 13 en tant que bascule D d un registre d calage en y ajoutant la possibilit de provoquer un v nement singulier sur chacun des transistors Les programmes LabVIEW vi que j ai labor m ont permis de simuler tous les cas possibles et de montrer que pour chaque coup d horloge il n y a qu un seul transistor sur les 11 constituant la bascule qui provoque soit dans l tat HAUT soit dans l tat BAS du signal d horloge une erreur en sortie s il subit un v nement singulier SEU Single Event Upset Suite la difficult d obtenir les d tails de composition des circuits qui me permettraient de mod liser pr cis ment le comportement des bascules D R Cells mes simulations n ont abouti qu l laboration d un mod le g n rique pouvant tre compl t pour d crire un circuit particulier Cependant ce chapitre est surtout destin faire office d introduction la probl matique de mon s
90. ants de base de la logique num rique que sont les NMOS et PMOS auxquels j ai adjoint la possibilit de provoquer une erreur grace un bool en ll est ainsi possible de r utiliser mes programmes pour assembler n importe quelle architecture bas e sur ces transistors MOS De plus les d tails de construction et la g om trie d un transistor qu il est n cessaire de prendre en compte pour un circuit r el sont des param tres qui jouent sur la probabilit que le niveau logique de sortie de ce transistor soit modifi Si la sensibilit de chaque transistor peut tre valu e par un constructeur il suffit d appliquer sur son bool en une probabilit d erreur adapt e et ainsi quantifier le plus pr cis ment possible les types d erreurs attendus Par la suite je suis rentr plus dans les d tails des effets des radiations sur les composants semi conducteurs Le m canisme le plus important est l ionisation de la mati re constituant les transistors due l nergie d pos e par interaction coulombienne lors du passage d une particule Cette ionisation est la base de deux effets distincts l effet de dose qui se produit dans les isolants en dioxyde de silicium SiOz servant isoler la grille d un transistor de son substrat mais aussi isoler les transistors les uns des autres L ionisation dans les isolants provoque le pi geage des charges positives qui poss dent une mobilit bien inf rieure celle des lectrons Ces
91. aphe permet de suivre l volution des diff rents param tres Le Front Panel du programme ci dessus est constitu de 4 cadres d crits ci apr s 84 VI C 1 Cadre FPGA C est la partie qui g re les transferts de donn es entre la carte DIO 32HS du PC et le CI Elle permet de r gler l alimentation via le GPIB fixer le nombre de voies test es donner la fr quence laquelle le Cl et le programme LabVIEW doivent fonctionner indiquer la p riode laquelle l ensemble de la m moire est lue Ce cadre renseigne aussi sur la longueur du pattern cr le nombre de fois qu il a t envoy et le nombre d erreurs de lecture Dans les tests qui suivent les patterns contiennent 16384 valeurs sur les 15 registres la fr quence est de 1MHz et la p riode de lecture est de 1 seconde Le bouton FPGA Control contr le la mise en route de l alimentation Une fois actionn s les boutons Start et Pause permettent de mettre en marche et d arr ter les transferts de donn es sans couper l alimentation VI C 2 Cadre R gulation Cette partie g re le contr le GPIB du KEITHLEY 2400 qui alimente la cartouche chauffante Il est possible de donner un intervalle la tension appliqu e et de limiter le courant Pour la r gulation elle m me il faut fournir la temp rature souhait e la p riode des mesures de temp rature et les param tres du PID qui stabilisent la temp rature du Cl Com
92. aquets de protons acc l r s produiront aussi des gerbes de particules suite aux interactions dans les 4 d tecteurs Les zones les plus radioactives sont donc les 4 points d interaction 1 2 5 et 8 associ s aux octants Ces collisions in lastiques vont envoyer des particules tous azimuts Une bonne partie restera au niveau des d tecteurs ou sera captur e par les absorbeurs TAS et TAN situ s de part et d autres des points d interaction dans les LSS Figure IV 3 et Figure IV 4 Seules les particules qui seront mises avec un tout petit angle atteindront les DS 37 dans lesquels les ch ssis d lectronique seront les plus touch s par les radiations IV B 2 Estimation de la dose dans les DS Le logiciel FLUKA a t utilis pour valuer les doses cumulables dans diff rentes parties de l acc l rateur Les simulations consistent suivre le flux des particules de hautes nergies sortant d un point d interaction de haute luminosit le long des 171m d un DS ainsi que les interactions des faisceaux avec le gaz r siduel dans le tube Une premi re simulation calcule la r partition de la dose sur une coupe longitudinale d un DS Figure 6 La coupe mesure en r alit la moyenne de la dose sur une paisseur de 60 cm englobant les tubes de faisceau sauf au niveau de ces tubes o l paisseur est de 40 cm comme d crit sur la Figure IV 5 our la Figure 6 sch matisant un DS les doses calcul es sont repr sent es par
93. autour du point 5 d tecteur CMS englobant la partie droite LSS o se trouvent le d tecteur et les 2 DS de part et d autre de la LSS Le DS de gauche quand on regarde depuis l int rieur de l anneau du LHC est appel DSL5 Dispersion Suppressor Left du point 5 Celui de droite est le DSR5 En s loignant des d tecteurs les DS sont compos s de 4 groupes dip le dip le quadrip le le dernier de ces groupes pr sentant un espace de plusieurs m tres s parant le 297 dip le du quadrip le 011 Un DS contient 4 ch ssis de cartes lectroniques repr sent s par des rectangles rouges sur les Figure IV 3 et Figure 4 et dispos s chacun sous le 2 dip le des 4 groupes Les distances indiqu es en rouge sont calcul es par rapport au z ro des graphes de simulation Figure IV 6 du paragraphe IV B Pour le d tecteur ATLAS au point 1 le nombre de ch ssis et leur positionnement sont similaires ceux de CMS 53 CMS 05 i K 4 45K K 9K 011 010 Q5 Q4 D2 01 105 Q2 Ql MEB MG MQTL MBB MBA MQML XRP3 MQML XRP2 MQY MBRC XRP1 TAN MBXW DABAMOXA Wb TAS r a EE G i elt Je E H m t S Hc lt 215 1898 y 1 85 1898 DE x uer 0 68 2407 9 2407 0 68 IN A4 Een 19 05 19 05 17 5717 29 06 ua 20 96 29 96 m 29 06 22 837 5 4 8 228 345 i 30 67 22 4 Lam ll LT E 268904 63 7967 55 75
94. aux responsables du d p t local de dose Le transport des lectrons dans la mati re est r gi par la formule de Bethe Bloch qui traite la perte d nergie comme une fonction continue En principe l lectron subit une succession d interactions l mentaires qui lui font changer sa trajectoire ou mettre des photons de freinage r duisant ainsi son nergie initiale cette nergie est c d e dans le premier cas comme nergie de recul de noyaux atomiques et dans le deuxi me cas comme l nergie du photon mis Le processus se r p te jusqu un certain seuil en nergie Les photons engendr s subissent galement une succession de processus l mentaires r sum s dans le paragraphe suivant et engendrant des particules secondaires d nergies de plus en plus petites 35 2 Interaction des photons avec la mati re L interaction des photons avec la mati re passe principalement par ph nom nes d pendants de l nergie des photons incidents 20 II A 2 a L effet photo lectrique Figure 111 4 a Incoming vvv Photon Figure 111 4 Effet photo lectrique 20 Photoelectric Photon Electron Le photon incident est absorb par un lectron d une couche atomique profonde qui est ject Un autre lectron d une couche plus lointaine va prendre la place vacante en lib rant un photon dit photo lectrique II A 2 b L effet Compton Figure 111 5 b Electron Incomin TH ANN AN e Photo
95. aux effets singuliers et aux lt Latch Up gt La figure 11 8 illustre la diff rence conceptuelle entre les technologies Bulk et SOI b Figure 11 8 Illustration de a la technologie lt Bulk gt et b la technologie lt SOI gt Il D Mod lisation d un Circuit Int gr Cl Il D 1 Premi re mod lisation sous LabVIEW En vue de comprendre le comportement du FPGA sous irradiations j ai mod lis sous LabVIEW un composant l mentaire de base repr sent par un simple registre d calage LabVIEW permet de cr er des instruments virtuels vi Chaque instrument est repr sent par une ic ne graphique encapsulant un code permettant de reproduire les fonctionnalit s de l instrument ou du composant II D 1 a Signaux en entr es sorties des composants A chaque signal d entr e sortie est associ un identifiant repr sent par un nombre Les 5 signaux d entr es sorties sont alors d finis comme suit 2 le signal est forc au niveau bas connexion la masse 1 gt le signal est au niveau bas mais pas directement reli une masse 0 le niveau du signal est ind fini 1 le signal est au niveau haut mais pas directement reli la tension d alimentation Vec 2 gt le signal est forc au niveau haut connexion 1 0 1 6 Composants l mentaires Les trois composants de bases n cessaires la simulation sont d finis pa
96. cette coupure sa r cup ration a t faible Le graphe de ce point commence donc une dose cumul e de 368krad 89 1000 500 Dose rate 15rad s o Total Dose 0 83Mrad 8 3kGy EE EE EE t 450 4 1 C e 200 I D LL dee 400 T ZU EE EE dE 0 Errors Glen WEE SH I Errors 128 95 SE EEE EE 2 E d cue d eec il ue LEE 250 ER EE eu cepe unu Sedes csset 200 WA 150 Tee ee eee Oe es ie ee 100 EE S MM NEU 22 EE 7 se aime cia men See EE 50 0 D an 20080 40080 60080 80080 100080 120080 lime s 140080 Figure VI 7 Point 2 T1 35 C et D1 15rad sec Le pic de courant a lieu la dose de 427krad Ce pic serait d au courant cr par le montage totem p le ou montage charges actives pr sent dans les modules logiques a cause de la diminution de la tension de pompage de charges IV A 5 a Les erreurs surviennent en 2 coups le premier tant au d but du pic La diff rence de comportement par rapport au point 2 temp rature basse se situe lors du retour progressif du fonctionnement du Cl Les taux d erreur des registres 32 bits diminuent plus t t et plus vite que pour les regi
97. charges induisent des champs lectriques qui parasitent le fonctionnement normal des transistors Dans le cas de l oxyde de grille les tensions de seuil de conduction d un transistor sont modifi es les NMOS deviennent de plus en plus passants et les PMOS de plus en plus bloquants Cet effet de dose est l int gration de l nergie d pos e dans les isolants exprim e en joules par kg et grandit au fur et mesure de l irradiation menant la panne fonctionnelle du circuit les v nements singuliers dus aux charges qui ne sont pas cr es dans les isolants Ces charges peuvent tre s par es par les champs lectriques de grille d un transistor par exemple et tre collect es par son drain modifiant son tat logique Cet v nement nomm SEU Single Event Upset est le plus couramment observ et correspond celui que j ai mod lis dans le programme d crit plus haut 134 ne s agit que d un des diff rents types d v nements singuliers qui peuvent aussi conduire la destruction pure et simple d un transistor en provoquant des d charges lectriques J ai ensuite mis en relation ces deux effets avec l environnement radiatif du tunnel du LHC L acc l rateur du LHC est constitu d un tunnel en cercle de 27 km de p rim tre sur lequel sont plac s 4 d tecteurs en diff rents points L environnement radiatif du tunnel sera provoqu par 2 ph nom nes distincts Le premier a lieu sur les 27 km du trajet des f
98. chute des erreurs de lecture VIE Plans d exp rience Pour tout ce qui suit les 3 facteurs consid r s sont X1 la temp rature C X2 le d bit de dose en radsioz s la fr quence de fonctionnement du en MHz Leurs valeurs extr mes sont Tableau VII 2 Tableau VII 2 Param tres des plans d exp rience pour FPGA 8 105 VILE 1 Plan sur la dur e de fonctionnement Le param tre mod liser est le temps au bout duquel le est en panne fonctionnelle c est dire lorsque les erreurs de lecture apparaissent Ce temps coincide avec le premier pic de courant qui survient Il s agit de la dur e de fonctionnement du Cl not t T Cumulated dose Pratacal errars Head errars Figure VII 5 Param tre t pris en compte dans les plans d exp rience de FPGA 8 A partir des tests pr c dents il est possible de construire la matrice d exp riences en variables naturelles Tableau VII 5 D bit de i Point du Circuit Temp rature dee Fr quence tf s Y 85531 cube Pc rad s MHz __ 1 10 34119 3 4 D 4 16 C 10 2615 DL 1 5 X 20 Tableau VII 3 Dose cumul e pour les 8 tests du plan d exp rience de t La Figure VII 6 montre ces points dans un graphe 3D 106 Figure VII 6 Repr sentation 3D de t pour les 8 points extr mes Courbe bleue pour 10MHz et rouge pour 40 2 La colonne Point du cube donne la cor
99. ct rise la tenue aux radiations du circuit A partir des tables donn es dans 34 on peut valuer le TEL des protons de 60 MeV dans le SiO LET PAM 9 10 MeV cm mg on se reporte la distribution de Weibull ci dessus on se retrouve tout fait sur la gauche du graphique Des protons de 60 MeV ne devraient en principe pas engendrer beaucoup de SEE 48 2 R sultats de tests Lorsque l on teste des Cl comme le A54SX72A un moyen simple et efficace de mettre en vidence les SEU est le registre d calage Un registre est une chaine de cellules logiques qui peuvent tre construites soit par des Register Cells bascules D soit par 2 Combinatorial Cells Ces derni res bien qu utilisant plus de transistors sont moins affect es par les radiations que les R Cells 18 Pour les puces RT54SX16 et 32 et pour un registre de 240 cellules de type des tests ont mis en vidence que seuls des protons tr s nerg tiques 193MeV induisent quelques SEU avec 6 6 3 10 cm FF 18 Il faut utiliser des ions lourds afin de pouvoir tracer une distribution de Weibull Dans les m mes conditions des protons de 55 MeV n ont pas eu d effet Rappelons que la s rie de CI d Actel RT Radiation tolerant est plus r sistante aux radiations que la s rie SX A que j utilise pour mes tests D autres tests ont t r alis s sur des CI Actel FPGA SX A pour le d tecteur ATLAS Les ont t remplis de registre
100. ctronique de 10 40MHz Le n est plus consid r comme un certain nombre de registres d calage mais plut t comme une m moire sous forme d un tableau avec la possibilit d crire dans un emplacement pr cis C est pourquoi les registres poss dent tous la m me longueur La structure de cette version 8 est bas e sur 15 registres de 127 bits de long Structure du Cl Le est compos de 15 structures identiques SR Figure VII 1 Chacune contient un registre d calage SR de 127 bascules D chaque bascule occupe une R Cell de la m moire Un multiplexeur MUX W est ins r avant SR pour permettre de choisir entre faire tourner le registre sur lui m me entr e a ou ins rer une nouvelle valeur entr e b Le choix est donn par la valeur de sel W 04a et 1b Ce multiplexeur est synchrone car il est branch sur l horloge du Un bit a donc besoin de 128 coups d horloge pour faire le tour entier de la m moire Le deuxi me multiplexeur R est plac en sortie mais en dehors de la boucle o transitent les bits ne rajoute donc pas un temps d horloge comme R permet de r cup rer une valeur un emplacement m moire pr cis et de la conserver en sortie jusqu ce qu une autre valeur soit demand e Le choix est donn par la valeur de sel H Un compteur interne au Cl variable sur 7 bits 128 possibilit s est incr ment chaque coup d horloge
101. d isolation d un module logique grace Vpump Charge Pump 15 Pour connecter le signal d entr e au buffer du module logique les deux transistors command s par lt Charge Pump gt doivent tre passants Il est n cessaire d avoir Vpump sup rieur au signal donc Vpp plus la tension de seuil du NMOS Vir V gt V V pump Dans la logique num rique TTL 0 5V le niveau logique 1 est associ une tension sup rieure 2 5V La tension de seuil des transistors est de 0 V 0 8V doit donc tre strictement sup rieure 3 3V pour laisser passer des signaux de niveau logique 1 dans le 45 oi cette condition n est pas respect e toute la m moire du Cl se vide et les ventuelles sorties tombent au niveau logique 0 soit OV 7 L influence de la fr quence D autres tests mettent aussi en vidence les effets de la fr quence de fonctionnement de la puce Les courants de consommation RT54SX16 ont t mesures fonctionnement statique basse fr quence 300kHz et haute fr quence 40MHz Figure 111 17 La tol rance pour la variation du courant est de 4mA En fonctionnement statique ou 300kHz la TID limite est de 50krads temp rature ambiante et environ 55 krads 55 C Le m me Cl fonctionnant 40MHz et se tro uvant naturellement 55 C a une TID limite d environ 70krads 17 comme le montre la Figure 111 17 Une fr quence de fonctionnement
102. de particules lourdes induisant plus de d g ts que la lumi re Afin d tre plus r aliste je suis all tester des FPGA avec un faisceau mono nerg tique de protons PSI en Suisse Pour des facteurs de temp rature et de d bit de dose quivalents ceux des rayons X les r sultats ont mis en vidence une dur e de vie 8 fois plus faible avec les protons Ce rapport 8 est utilis comme facteur de correction l quation d termin e par les tests aux rayons X et porte la dur e de du FPGA le plus irradi 5 ans 12 Cette estimation rend compte de la dur e de vie des circuits FPGA dans des conditions optimales Cependant dans le fonctionnement d un acc l rateur il faut s attendre des v nements plus ou moins fr quents provoquant une perte partielle ou totale Beam Dump des protons acc l r s Ces v nements communiquent des circuits une dose suppl mentaire qui peut tre importante et acc l rer ainsi l apparition de la panne fonctionnelle des FPGA ou n anmoins augmenter la fr quence des erreurs La dose qui sera r ellement mesur e lors du fonctionnement du LHC peut tre largement sup rieure celle attendue pour un fonctionnement 1 7 895 10 x D9 permet ce moment la avec la connaissance de la dose d tablir une nouvelle dur e de vie pour les circuits touch s par ces v nements id al de l acc l rateur Mon mod le p 2 34 10 xT Ce r sultat repose cependant sur
103. e Le courant augmente et finit par former un pic tr s raide accompagn de la panne fonctionnelle Le courant continue d augmenter jusqu la fin de l irradiation Figure VI 5 Un moment apres lirradiation toujours en maintenant la temp rature et le fonctionnement du les erreurs disparaissent progressivement et le se remet fonctionner correctement bien que le courant de consommation reste lev Les registres les plus courts sont un peu plus rapides retrouver leur fonctionnement normal Les plans d exp rience sont alors utilis s pour pr voir la dose int gr e laquelle la panne fonctionnelle apparait en fonction de la temp rature et du d bit de dose L quation donn e permet de mod liser le comportement des CI dans la zone des tests aux limites condition que l influence des facteurs soit lin aire 81 VIA Introduction Dans les tests d crits dans ce chapitre les sont programm s avec la version FPGA4 du code VHDL L objectif de la version 4 est d avoir un programme simple permettant d crire des donn es dans le puis de les r cup rer apr s un laps de temps plus ou moins long La structure la plus basique est le registre d calage Pour qu un bit de donn e reste un certain nombre de coups d horloge dans le Cl il suffit de jouer sur la longueur du registre C est pourquoi 3 longueurs de registres ont t choisies Pour pallier la limite de 32 voies num riques sur la carte DIO
104. e d pos e dans le 17 film sse eene cesser 129 Figure VIII 13 Profil de la dose d pos e dans le 2 lm 130 Figure 14 Resultats des tests de DYOIOBS etat needs 131 DES TABLEAU Tableau Valeurs prises par le Drain d un NMOS en fonction de sa valeur pr c dente de la grille et de la source CER 22 Tableau II 2 Valeurs prises par le Drain d un PMOS en fonction de sa valeur pr c dente de la grille et de la source 22 Tableau II 3 Valeurs de sortie du vi de vote en fonction de ses 2 entr es Inl et In2 et de son tat pr c dent Sortie PE M 23 Tableau III 1 Comparaison des caract ristiques du Si et du SiO 21 38 Tableau V I Nombres et longueurs des registres programm s dans la puce Toutes les R Cells sont utilis es 67 Tableau V 2 Tableau des carts de temp rature pour les valeurs extr mes des facteurs 71 Tableau V 3 R capitulatif des essais avec les variables naturelles grandeurs physiques 71 Tableau V 4 Tableaux de calcul des effets de la moyenne des facteurs et des interactions 72 Tableau V 5 R sultats donn s par l quation polyn miale partir des variables r duites indiqu es dans le tablea
105. e de 2 06 10 rad s les FPGA devraient avoir une dur e de vie d environ 44 ans avant la panne fonctionnelle Cette quation peut tre utilis e pour caract riser l effet du d bit de dose induit par des rayons X Cependant les radiations dans le LHC seront des particules massives qui font des d g ts suppl mentaires par rapport aux photons De plus ce sont elles qui induisent les erreurs que l on appelle les v nements singuliers C est pour ces deux raisons que j ai aussi men des tests sous un faisceau de protons l Institut Paul Scherrer PSI Villigen en Suisse en ressort que le temps de tenue d un circuit FPGA 70 avec un faisceau de protons d nergie nominale 63MeV d posant une dose de 56 rad par seconde est de i 1180sec En reprenant le modele obtenu a partir des rayons X ce temps devrait 1 3 tre 2 34 10 x 70 7 895 107 x 560 2 691 9534 sec soit 8 fois plus long Les protons font ainsi parvenir la panne fonctionnelle 8 fois plus vite que les rayons X En consid rant ce rapport ind pendant de la temp rature ou du d bit de dose il est possible d extrapoler la dur e de fonctionnement des FPGA dans le tunnel du LHC en fonction de la dose d pos e par les particules environnantes La dose totale attendue sur le ch ssis soumis au plus de particules radiatives a t valu e 1 3 kGy Cette dose s tale sur une dur e de 20 ans et correspond donc un flux moyen de 2
106. e de 63MeV o 1 5MeV Il pr sente un profil transversal carr de 4 4 centr sur le circuit FPGA L acquisition de la temp rature du courant ainsi que la comptabilisation des erreurs sont surveill es dans une salle de contr le s par e de la salle d irradiation Une connexion Ethernet assure le transfert des donn es entre les deux salles et le programme LabVIEW de FPGA amp permet le suivi des op rations l analyse et l enregistrement des donn es en temps r el J ai utilis trois m thodes diff rentes pour estimer la dose effectivement d pos e dans la partie silicium du FPGA La premi re consiste en un calcul de la dose partir de la courbe exp rimentale donnant le transfert d nergie lin ique sur la trajectoire de p n tration d un proton dans le silicium La seconde m thode est bas e sur des simulations J ai utilis le simulateur GEANT4 qui consiste en une plateforme permettant de mod liser l ensemble du dispositif exp rimental et de simuler les processus physiques de l interaction du rayonnement avec la mati re La troisi me m thode est bas e sur le logiciel de calcul rapide SRIM qui comprend la formule de Bethe Bloch donnant la perte d nergie d une particule charg e dE dx dans la mati re Enfin j ai effectu une mesure exp rimentale avec des films dosim triques de type radiochromics intercal s entre des plaques de silicium et expos s au m me faisceau de protons Cette mesure me permet de va
107. e de SEU qui se produisent il est int ressant d avoir P i SEU presque nul pour i gt 1 tout en ayant P 1 SEU le plus grand possible La Figure V 5 montre la probabilit qu une seule erreur se produise sur un bit oi par exemple la probabilit d avoir un SEU sur une bascule est de 295 statistiquement un SEU se produira toutes les 50 bascules Un registre de 10 bascules aura une probabilit assez faible d avoir une erreur alors qu un registre de 50 bascules aura la probabilit maximale d avoir un seul SEU par bit Si on continue d augmenter la longueur du registre la probabilit qu un second SEU vienne annuler l inversion du 1 SEU augmente et la probabilit de voir une erreur en sortie redescend ll existe ainsi une zone en rouge sur le graphe qui correspond aux param tres n et P optimis s pour observer une erreur en sortie des registres en cas de SEU La zone de faible probabilit en bas gauche du graphe est due un nombre trop faible de SEU tandis que la zone de faible probabilit en haut droite du graphe est due aux doubles SEU sur un m me bit qui r duisent la visibilit des erreurs E 38 4 Lu Eg ES 0 19 2 en EL 1 0 l 10 20 30 40 50 60 ZU 90 100 n Lonqueur du registre 0 00 Figure V 5 Probabilit que se produise un seul SEU sur un bit en fonction de P et de n Pour choisir n correctement il est important d valuer P Les tests sur des
108. e interface entre LabVIEW et Excel aussi bien en lecture qu en criture Avant tout il faut savoir qu un Workbook WB est un classeur contenant des Sheet SH Les SH g r s par mes vi sont les Worksheet WS et les Chart CH Ces vi peuvent se classer en 7 cat gories 1 2 3 Gestion des WB Gestion des SH WS et CH Fonctions s appliquant dans les WS a Lecture Ecriture de donn es b Mise en forme c Cr ation d un CH Fonctions s appliquant dans les CH a Chart Wizard b Modification des propri t s du CH Gestion des macros dans les WB Manipulation des Ranges r f rences de tableaux 2D oous menu pour les outils divers 25 4 oe m 2 x X 1 g Add Del Get lle ni K 1 La d marche classique de construction d un vi consiste ouvrir l application Excel avec un WB C est ce que r alise le 1 vi de la cat gorie 1 Creat Open est aussi possible d enregistrer un fichier Ger de fermer un WB LE ou Excel A Disposant d un WB on peut manipuler ses SH WS ou CH en utilisant les vi E de la cat gorie 2 Les vi Add 2742 et Get 77 s utilisent le WB en entr e et x x x renvoient un SH en sortie Les suivants M D A sont polymorphes ils acceptent soit un WB avec l index ou le nom du SH traiter soit directement la r f rence de ce SH qui peut tre renvoy e par
109. e l acc l rateur quadrip les et dip les Les 4 abscisses que j ai not es sur chacune de ces courbes correspondent aux positions des 4 ch ssis sous les 2272 gip les de chaque DS mesur es sur les Figure IV 3 et Figure 4 J ai ainsi pu valuer plus pr cis ment qu partir de la Figure IV 6 la dose annuelle attendue pour les circuits FPGA dans les DS droite et gauche des points les plus radioactifs 1 ATLAS et 5 CMS Q Gy an DSL 1 dose under magnets Pt 1 50Gy an Figure IV 8 Dose annuelle pour les 4 chassis du Dispersion Suppressor Right 1 DSR1 37 Pour le point 1 le ch ssis qui recevra le plus de dose est dans le DS de gauche avec 50Gy attendus par an soit 1kGy sur 20 ans Figure IV 7 57 Figure IV 10 Dose annuelle pour les 4 ch ssis du Dispersion Suppressor Right 5 DSR5 37 Pour le point 5 le ch ssis qui recevra le plus de dose est dans le DS de gauche avec 65Gy attendus par an soit 1 3kGy sur 20 ans Figure IV 9 Il s agit du ch ssis qui sera le plus soumis l effet de dose sur l ensemble du tunnel IV B 3 Estimation des flux de particules dans les DS Les simulations sous FLUKA prennent en compte les protons les neutrons et les pions charg s Elles comptabilisent ces particules au dessus des nergies de coupure 100keV 1MeV 20MeV 50MeV et 100MeV Par exemple le nombre d hadrons comprenant protons neutrons et pions d nergies sup rieures 20 MeV est donn dans la f
110. e soit la valeur de D si les transistors 2 et 4 ont la m me sensibilit aux radiations Il ne reste donc plus qu une possibilit sur 22 pour qu un SEU g n re une erreur sur un bit Seul un transistor sur les 11 a 50 de chances de provoquer une erreur sur la valeur de sortie de la bascule II D 2 Les limites du modele II D 2 a La complexit de l architecture interne Le mod le que j ai r alis reste tres illustratif En effet dans la r alit les transistors dans un circuit int gr ont une disposition sp ciale en cellules logiques R Cell et C Cell repr sent es sur la Figure Il 21 8 Pour compl ter mon mod le il aurait fallu connaitre l organisation et la g om trie des transistors dans les deux types de cellules Cependant m me si je ne dispose pas de l information exacte le mod le reste assez g n rique pour pouvoir y inclure les d tails des cellules d Actel ou d une autre firme quand celles ci seraient disponibles R Cell C Cell Se Data Input 31 HOLE CLEA CLKH intemal Logic Cluster 1 Cluster 2 Cluster 2 Cluster 1 Type 1 SuperCluster Type 2 SuperCluster Figure 4 Cluster Organization Figure 11 21 Organisation des clusters dans un FPGA A54SX72 A 8 En principe les cellules sont organis es en clusters et en super clusters qui sont reli s entre eux par des circuits d interconnexions Ces circuits sont diff rents pour les deux types de super clusters Certaines connexions entre cellules
111. e suppl mentaire j ai pris une quantit absolue en mA pour refaire un troisi me plan VILE 3 Plan sur l intervalle Ato t tio 40ma Le principe est exactement le m me que pr c demment mais pour une l vation de courant de 10mA La matrice en variables naturelles est 110 D bit de d exp rience Point du Circuit Temp rature dees Fr quence A s essal cube PC rad s 15055 a 4 485 167 885 d 1 0 5 5 2 15 10 1541 8 3 9 40 1 99 9 157 4Oj 4 Tableau VII 6 Valeurs de At pour les 8 tests du plan d exp rience our la courbe 3D de la Figure VII 12 le d bit de dose entre 15 et 157 rad s a une influence beaucoup plus grande que la temp rature entre 45 et 80 C Le graphe 3D ressemble plus celui de t Figure VII 12 ce mod le est donc plus fid le t que celui de At Figure VII 12 Repr sentation 3D de At pour les 8 points extr mes Courbe bleue pour 10MHz et rouge pour 40MHz L quation finale s crit Y 8132 585 X 7292 37 X 670 460 X X 155 X X 618 X X X En comparant les valeurs relatives des diff rents coefficients avec ceux de l quation de tf on s apercoit que ce mod le n est pas plus exempt d incertitudes En effet les effets des interactions entre les facteurs restent lev s 670 max par rapport l effet de la temp rature 585 C
112. ength gt length1 port map clk gt Clk reset gt reset input gt inputs j output gt outputs j end generate width2 for j in O to io width2 1 generate reg shift register generic map reg length gt reg length2 port clk gt Clk reset gt reset input gt inputs2 j output gt outputs2 end generate width3 for j in to io width3 1 generate reg shift register generic map reg length gt reg length3 port clk gt Clk reset gt reset input gt inputs3 output gt outputs3 end generate end archi Registre d calage library IEEE use IEEE std logic 1164 all 146 entity shift register is generic reg length integer 16 port clk std logic reset in std logic input in std logic output out std_ logic end shift register architecture archi of shift register is signal x std logic vector reg length downto 0 begin 0 lt 0 when reset 1 else input shift reg for i in O to reg length 1 generate process clk reset begin If reset 1 then 1 lt 0 elsif clk event and clk 1 then 1 1 lt 1 end if end process end generate output lt 0 when reset 1 else vireg length end archi 147 ANNEXE 22 Code VHDL des FPCA version 148 8 library IEEE use IEEE std logic 1164 all use IEEE
113. er c t d autres possibilit s j ai consid r en plus l tat pr c dent de la bascule Il en ressort 4 transitions possibles Figure 11 19 0 0 0 4 2 5 xm Sp Figure 11 19 les 4 combinaisons de bits sur 2 coups d horloge En r sum j ai consid r 22 x 4 soit 88 possibilit s la simulation n a renvoy que 4 erreurs possibles Figure 11 20 E Test d un registre mathematique vi Front Panel MES File Edit View Project Operate Tools Window Help H e 13pt Dialog Font Transitions 1 Zo E 1 r1 Figure 11 20 Face avant du vi de test math matique d un registre d calage sous radiations Chaque transition sur la gauche correspond une ligne Pour une seule transition les 11 transistors disposent de 2 bool ens Celui de gauche si le SEU a eu lieu l tat bas et celui de droite pour l tat haut Un bool en allum correspond un SEU En regardant de plus pr s on s apercoit que l tat pr c dent de D ne modifie pas la possibilit d avoir une erreur Il ne reste alors que 2 cas 26 lorsque D 0 un SEU apres le front montant sur le transistor num ro 2 provoque une erreur en sortie qui vaut lt 1 gt au lieu de lt 0 gt lorsque D 1 un SEU apres le front montant sur le transistor num ro 4 provoque une erreur en sortie qui vaut O au lieu de 1 La probabilit d avoir une erreur est donc la m me quelqu
114. er les bordures Freeze pane ligne de titres Init cell l ensemble du tableau re E Eri 38m 3 s x Sir Ex xls FA EM LX L X I Add pH CEE E Visible Esseg ES E LIT a Dre Concat Ligne de titres Couleur de remplissage et modification de la police des titres avec le Range Enregistrement r Lam om m I B E False PIS chert Visible El amp Cr ation et A ositionnement du raphe en tant qu objet GH Fermeture si non Visible l ouverture vi quivalents au Chart Wizard sous Excel vi permettant de changer les options 33 5 Les Macros L exemple 4 utilise les 2 vi servant importer executer une macro cat gorie 5 Ecriture des donn es 2D Ex cution de la macro Le nom du module et de la macro sont envoy s ainsi que le param tre Mom Ecriture de la ligne de titres Add Ouverture ou cr ation du Fichier Nom l jout du ws i 3 B9 x ES Zen Ligne de titres Nb colonnes la plac visible F Fermeture d Excel fichier MamaCroc Ext qui si non Visible l ouverture contient le m me code 34 CODES D ERREURS ET D AVERTISSEMENTS Erreurs Errors pfff QUE Numero Index Nom i a vi path Renvoie
115. erie Lines 2m Excel Chart Serie Number Area Excel Chart aut 25 D finit le motif des S ries de type Aires Serie Number de choisir la s rie modifier 1 par d faut Serie Lines change le style de trait de la courbe Area change la couleur de l aire de la s rie CH Text Modifie la police des diff rents objets composant un graphe Il existe 4 fonctions T1 T4 dans les lignes 2 et 3 du tableau suivant Chart Area Plot Area Legend Titles Axes Series fone de graphique Zone de tra age L gende tres Axes rGuadrillage cries PGa P6b Pattern Motifs P T3 CH Pattern P3 e cutee Alignment Aligqnement Scale Echelle CH Scale l est possible de modifier la taille la couleur le style gras italique soulign ombr ainsi que la mise l chelle automatique de la police Les valeurs par d faut sont les suivantes Font Chart Size 10 Color Black Bold Italic F Underlined Shadow F Autascale T Text Chart Font Chart Excel Chart Excel Chart aut Modifie la police de tous les objets du CH L gende titres et axes Text Legend Font Legend a Excel Chart Excel Chart aut error es error QUE Modifie la police de la l gende 26 Text Titles Font Title Excel Chart Alianment Tit
116. es flux de charges et induisent des courants de fuite engendrant une consommation de courant suppl mentaire La hausse du courant consomm est donc le reflet de la d gradation de la puce par la dose cumul e D un autre c t la dose recue ne peut elle seule tre associ e une d gradation observ e car d autres parametres polarisation temp rature d bit de dose r duisent ou amplifient consid rablement les effets La consommation de courant suppl mentaire va se traduire par une dissipation de chaleur plus importante qui acc lere le vieillissement de la puce Cependant en parallele l agitation thermique permet de lib rer plus rapidement les trous et lectrons pi g s et contribue ainsi la gu rison annealing de la dose cumul e A une temp rature constante la gu rison fait diminuer le courant de facon presque lin aire avec le temps 18 Tous ces effets interagissent entre eux et ne peuvent tre distingu s que par des tests dans lesquels la temp rature et les parametres d irradiation sont contr l s 43 7 Les effets du vieillissement Le vieillissement d un circuit peut avoir une influence sur sa tenue aux radiations Des m moires SRAM bas es sur du CMOS commercial de technologie bulk avec une longueur de grille de 0 8um ont t soumises des stress de temp rature de 1506 pendant des temps variant de 0 802 heures avant d tre irradi es par des rayons gamma de 1 25MeV ju
117. est pourquoi l extrapolation pour l environnement radiatif du LHC n utilise que le param tre 111 Figure VII 13 Influences relatives des trois facteurs sur la longueur de t et de At La modification de la dose conserve le m me profil du courant tandis que la modification de la temp rature influe plus sur que sur tout le temps fonctionnement ti Apr s une l vation de temperature le rapport sera plus important Figure VII 14 La fr quence n est pas prise en compte tant donn son influence minime Figure VII 14 Effets du d bit de dose D et de la temp rature T sur le comportement du courant Ainsi si 2 circuits ont mis le m me temps pour augmenter leur consommation de 10 celui qui fonctionne la plus haute temp rature tiendra plus longtemps la dose avant la panne fonctionnelle Sur la courbe 3D le d bit de dose entre 15 et 157 rad s a une influence beaucoup plus grande que la temp rature entre 45 et 80 C Figure VII 12 112 VIE Extrapolation pour les doses du LHC L tape suivante consiste v rifier la lin arit entre ces points pour le param tre ti C est pourquoi j ai choisi des points interm diaires au milieu de chaque ligne et au centre de l espace pour les fonctionnements 10MHz Figure VII 15 Repr sentation 3D de t avec les points interm diaires pour FZ10MHz En fonction du d bit de dose le Delta t avant la panne fonctionnelle semble suivre une exponentielle d
118. et clusters sont directes d autres n cessitent jusqu 5 fusibles faire fondre lors de la programmation Figure 1 22 27 DirectConnect Antifuses 0 1 ns Maximum Routing Delay t FastConnect One Antifuse e 0 3 ns Maximum Routing Delay IT HE TS HE mm Ju Routing Segments Typically Two Antifuses Max Five Antifuses DirectConnect No antifuses for smallest routing delay r FastConnect antifuse P Routing segments Typically 2 antifuses 5 antifuses Figure 11 22 Organisation des connexions des super clusters 1 en haut et 2 en bas 8 Pour prendre en compte l effet des radiations sur ces circuits d interconnexion il faudrait tout comme les transistors connaitre leur g om trie D autant plus que pour le FPGA 545 72 les pistes sont organis es sur 4 couches Figure Il 23 Amorphous Silicon Dielectric Antifuse Routing Tracks 31 Tungsten Plug Via gt Ca Tungsten Plug Via Tungsten Plug Contact Silicon Substrate Figure 11 23 Organisation en couche des l ments d interconnexion dans les FPGA A54SX72 A 8 28 11 D 2 b L importance des oxydes L interaction entre transistors d pend des oxydes d isolation qui subissent eux aussi les effets de dose et cr ent des champs parasites suppl mentaires Le meilleur exemple est celui de l effet bec d
119. ex WS tableau des index des WS dans le WB Get All CH Count Excel Workbook Excel Workbook out EIE L CH Ref IR Index CH Renvoie les r f rences noms et index de tous les CH d un WB Count Nombre de CH dans le WB CH Ref tableau des r f rences des CH du WB Names CH tableau des noms de tous les CH du WB Index CH tableau des index des CH dans le WB Cat gorie 3 Fonctions internes aux WS a Manipulation des donn es criture et lecture WS Head Cell Excel Worksheet Excel Worksheet out Cell Coord 1 1 Ee Value error in la error out 15 Lit une cellule et la renvoie en type string Cell Coord donne les coordonn es de la case o lire Le premier nombre correspond la ligne et le deuxi me la colonne Ces index d marrent 1 Par exemple la case C5 est donn e par les coordonn es 5 3 La valeur de sortie est un string qu il est possible de convertir entier WS Read 1D Array Excel Worksheet Excel Worksheet aut error in la error out Vertical T E per Lit un tableau 1D et le renvoie type string 1D Area donne la position et la taille du tableau lire Les 3 nombres fournir sont la ligne 1 par d faut la colonne 1 par d faut le nombre d l ments 2 par d faut Le bool en Vertical permet de choisir l orientation du tableau verticale par d faut Le tableau de sortie
120. f OBF_BA 1 then S ACK lt 1 tempo lt count state lt Sr4 else tempo lt count state lt Sr2 end if when Sr4 gt if tempo count then 5 STB lt not 8 STB state lt Sr5 else state lt 5 4 151 end if when 515 gt 1 and IBF_CB 1 then S STB lt 1 state lt Sinit else tempo lt count state lt Sr4 end if when others gt 5 lt 1 o STB lt 1 write lt 0 read lt 0 state lt Sinit end case end if end process lt 5 STB lt 5 SIB end archi Registre d calage avec multiplexeur library IEEE use IEEE std logic 1164 all library Synplify use synplify attributes all entity sr_mux8 is generic reg length integer 16 port clk SR MUX in std logic reset SR MUX in std logic write SR in std logic read SR MUX in std logic input SR MUX std logic output SR MUX outstd logic end er mux8 architecture archi of er mux8 is attribute syn radhardlevel of archi architecture is none component SRB is generic 152 reg_length integer 16 port clk in std logic reset in std logic input in std logic output out std logic component component mux8 is port reset mux in std logic clk mux in std logic a b sel in std logic out mux out std logic end component signal mux2reg std logic signal reg
121. faire rentrer au CERN en stage et qui en a par la suite remis une couche pour me permettre d y faire cette th se Un gros petit merci R mi ROSSET LANCHET et Pierre HENRIQUET qui se sont bien amus s j esp re m aider finaliser mes travaux Un petit gros merci S batien FRANZ Vincent BOYER et Julien LOLLIEROU pour m avoir sorti de mon travail tous les midis Je n oublie pas Equipe des amis de Narderans avec qui j ai pass de bons mercredi d tente et plus particulierement Michel HECHE qui m a fait d couvrir d autres horizons Encore merci Yohan PRIGENT qui m a emp ch de prendre la grosse t te Je remercie aussi globalement ma famille et mes amis qui ont jou le r le non n gligeable de relativiser l importance d une th se dans la vie Je remercie les th sards que j ai rencontr pendant les cours et qui ont partag la m me exp rience que moi en particulier Esther DELOCHE qui m a appris qu une th se c est pas toujours en sciences Gregory SANGUINETTI et le reste de l quipe du LAPP pour les sorties bowling Ainsi qu une th sarde dont je ne connais pas le nom mais qui a t de part ses voyages en Mongolie une de mes motivations partir au Cachemire et Ladakh par la suite Et je sais que j en rate mais m me s ils ne sont pas sur le papier ils restent dans mes pens es SOMMAIRI TABLE DES FIGURES TABLE DES TABLEAUX CHAPITRE INTRODUCTION CHAPITRE H LA TECHNOLOGIE CMOS R sum
122. finit par s arr ter au bout de 19 mm en atteignant son TEL maximum au pic de Bragg 124 MeV particule mm 0 2 0 4 06 08 1 12 1 4 1 6 1 8 2 Profondeur 7 Figure VIII 6 Simulation par GEANTA de l nergie d pos e par un proton de 63 MeV sur 2cm de silicium Le TEL calcul par GEANT4 sur le premier millim tre corrobore la valeur obtenue pr c demment Nous consid rons maintenant un volume de silicium quivalent celui du circuit soit 6 7 0 5 mm Sur l paisseur de 0 5 mm de silicium GEANT4 calcule une dose d pos e de 3 15 10 Gy par particule comme montr sur la Figure VIII 7 La surface du circuit tant de 0 42cm le proton d pose une dose de 3 15 10 0 42 1 323 10 Gy Avec le flux de protons de 4 10 cm s le d bit de dose se calcule par 1 323 10 4 10 0 53 Gy s Ce r sultat est compatible avec le d bit de dose d termin par le calcul direct 125 Gy Proton Circuit x10 0 0 01 0 02 0 03 0 04 005 0 06 Profondeur Z cm Figure VIII 7 Dose d pos e par un proton dans les 500um de silicium du FPGA VIII B 3 Estimation avec SRIM SHIM est un logiciel de calcul rapide qui utilise la formule de Bethe Bloch donnant la perte d nergie d une particule charg e dE dx dans la mati re 39 Il suffit de pr ciser la nature des particules incidentes proton leur nergie 63 MeV et la nature et l paisseur du mat riau cible silicium Le logiciel calcul alors l ner
123. ge sous radiations 26 Figure II 21 Organisation des clusters dans un FPGA 545 72 SF ins 27 Figure 22 Organisation des connexions des super clusters haut et 2 en bas 8 28 Figure 23 Organisation en couche des l ments d interconnexion dans les FPGA AS4SX72 A 8 28 Figure 24 Pi geage des charges positives dans les lt bec d oiseau gt des oxydes 29 Figure gerbe de particules provoqu e par un faisceau dans la mati re 32 Figure 2 Sph re l mentaire de centre P et de rayon dr travers e par des rayons X 33 Figure 3 In galit entre la perte d nergie cin tique et l nergie absorb e dans la sph re l mentaire 34 Figure TIE gt Effet photoelectrique 2 36 TOUTS dH 36 ipio THO SProducuonde paires ta dab eo efie Ts ee oe 36 Figure 7 Importance relative de l effet photo lectrique de la diffusion Compton et de la production de paires fonction del energie du photon incident 20 s e ed t S avast t dtt eU t I de 37 Figure III 8 Migration des charges dans le SiO pour un NMOS polaris
124. gh localized states in bulk SiO2 Figure 111 13 M canisme de pi geage des trous 25 41 UL AG Le modele de gu rison Un mod le math matique a t propos par Miller et al pour d crire le comportement de syst mes physiques activ s par un processus 26 L quation g n rale d crit la variation d un nombre d entit s gt associ es au syst me en fonction d un niveau d nergie du temps et des param tres d activation R t F t 0 9 RW on 9 t n t F exp AG 26 dr Dans le cas de charges pi g es dans le dioxyde de silicium repr sente le nombre de pi ges d nergie occup s R t en eV est le niveau d nergie de r f rence fix par le champ lectrique appliqu R r B E t 8 cte 27 A t eV est la fonction d activation thermique qui s crit A t k T t q 27 F t en Hz repr sente la fr quence de relaxation fr quence des tentatives d chappement des pi ges F t a T t a tant une constante 27 Le nombre de trous pi g s diminue une vitesse diff rente suivant le niveau d nergie 9 A chaque instant il existe une nergie dl laquelle le taux de variation de n o t est maximum C est pourquoi le processus de gu rison est d crit comme un front qui avance vers les pi ges d nergie de plus en plus grande profonde Figure 111 14 Avanc e du front Figure 111 14 Avanc e du front
125. gie c d e par unit de longueur dans le silicium Le r sultat du calcul est repr sent sur la Figure VIII 8 l est concordant du moins sur le premier millimetre qui nous int resse aux r sultats obtenus avec GEANT4 Ce r sultat donne galement 1 MeV d nergie d pos e par proton dans le FPGA la diff rence entre GEANTA et est inferieur a 1 96 Nous adoptons donc le logiciel SRIM pour essayer de raffiner le calcul du d p t de dose en y pr cisant au mieux la constitution de notre circuit Afin de connaitre pr cis ment l paisseur du silicium mais aussi les diff rents l ments qui l entourent pour r aliser le calcul du d p t d nergie des protons le plus proche possible de la r alit nous avons d coup un FPGA pour observer le profil du circuit Le r sultat est donn sur la Figure VIII 9 126 IONIZATION 1 4 1 2 1 0 Energy Loss eV Angsirom A Target Depth 20 mm Figure VIII 8 Energie d pos e par un proton de 63MeV sur 20 mm de Si par SRIM 2 IEAA T mn 3 r Silicium 5004m plastique 1140 Cuivre 240uim Support en aluminium gr 400 0 plastique 1250um Figure VIII 9 Coupe transversale du FPGA avec la description des ses couches Trois couches de mat riaux differents sont empil es de haut en bas dans le boitier plastique Au sommet nous avons le silicium dont l paisseur a t valu e 500 um fix par une colle thermiq
126. gmenter Les erreurs tombent net 0 le CI fonctionne normalement et le courant chute d un coup Il reste cependant bien sup rieur sa valeur initiale Ces tapes sont d crites dans le graphe suivant Figure VI 5 irradiation stop Cumulated dose S A Current SEN a e SEINS Ga Ed E s Head errors 128 bits Figure VI 5 Comportement des FPGA4 sous radiation Les tests suivants n ont pas tous mis ce sch ma de comportement en avant cause d erreurs du programme d enregistrements incomplets VI D 2 Graphes Les graphes sont donn s dans l ordre de num rotation des points sur le carr des tests aux limites Figure 4 Point 1 T1 D2 Figure VI 6 Le CI a t irradi 35 C et jusqu une dose totale TID total ionizing dose de 610krad 6 1kGy Figure 6 Pour ce test comme pour le suivant une erreur dans le programme a stopp l acquisition des valeurs de courant et de temp rature reste cependant les erreurs qui sont soudainement apparues une dose cumul e de 319krad Ce pont marque la panne fonctionnelle du 88 Cette panne correspond en fait toutes les sorties du CI qui tombent au niveau logique 0 ce qui conforte l hypoth se d une tension trop faible pour permettre aux signaux de transiter En laissant le fonctionner apr s l irradiation aucun changement n est apparu dans le c
127. hotons de 5mA 60mA a distance entre la sortie du faisceau et la cible le Cl Distance machine puce rcm 116 Tension machine kv Dose Rate DE min 1309 154 OO Courant Dose Rate DR rado min 1904 75 15 Tableau VI 2 Param tres de l irradiation pour le d bit de dose faible Di 82 Distance machine puce 16 Tension machine ky Dose Rate DE radasos min 1309 154 45 pe Courant e S Dose Rate DR radso min 9427 mint 157 radsc S Tableau VI 3 Param tres de l irradiation pour le d bit de dose lev D2 Avant les irradiations les FPGA ont des courants de consommation compris entre 50mA et 60mA Chaque test n cessite un nouveau circuit VI B Structure du CI Le est compos de 15 structures appel es SR Shift Register qui prennent en param tre le nombre de bascules D qu elles contiennent La Figure VI 1 repr sente l int rieur du Figure VI 1 Schema de la structure interne de FPGA 4 Tout l ensemble du CI fonctionne de facon synchrone avec le programme LabVIEW sur l horloge de la carte DIO Les d tails sur le code VHDL sont donn s dans l ANNEXE 1 83 VI C Programme LabVIEW La Figure VI 2 montre la face avant du programme d acquisition que j ai r alis Edit View Project Operate Tools Window Help Commande v 53 Temp rature C Courant
128. ic Le test dynamique n a donc pas non plus permis de mettre en vidence l influence de Vpump dans la tenue aux radiations Dans ce chapitre j ai d crit les tests sous irradiation X des circuits FPGA en fonction de la temp rature des CI du d bit de dose d irradiation et de la fr quence de fonctionnement Pour une fr quence de 10 MHZ j ai calcul l quation qui approxime au mieux la dur e de fonctionnement des circuits dans l espace d finit par les plans d exp rience Le d bit de dose est le facteur qui a le plus d effet sur le comportement des circuits mais en extrapolant des d bits de plus en plus faibles la temp rature reprend de l importance L quation qui ne prend en compte que l effet de dose pr dit une dur e de fonctionnement des circuits de 44 ans au d bit de dose moyen du LHC d termin partir des simulations sous le logiciel FLUKA du chapitre IV Je n ai pas pu confirmer la relation entre la diminution de la tension dans l apparition du pic de courant et de la panne fonctionnelle des FPGA 116 117 CHAPITRE VIII TESTS SOUS PROTONS DES CI VERSION FPGA 8 118 R sum du CHAPITRE VIII Les tests sous faisceaux de protons se sont d roul s en un shift de 8 heures l institut Paul Scherrer PSI Villigen en Suisse La m thodologie des tests reste la m me que celle labor e pour les rayons X pour la version FPGAG Le faisceau est constitu de protons ayant une nergie nominal
129. igure IV 11 Comme pour les simulations de dose l chelle est bas e sur des couleurs et l unit est le nombre de particules par cm et par Gy Il faut combiner ces graphes avec ceux d crivant la r partition de la dose pour obtenir la fluence totale 58 La grande majorit des particules pr sentes dans le tunnel seront les neutrons la figure IV 12 donne le nombre de neutrons d nergie sup rieure 100KeV hadrons gt 20 MeV 10000 8000 6000 4000 2000 2000 4000 6000 8000 1 0E 13 1 0 12 1 0 11 1 0 10 L OE 9 1 0E 8 1 0E 7 1 0 6 Figure IV 13 Fluence des hadrons de plus de 20MeV le long des DS 5 37 SH neutrons gt 100 keV 200 L 1 o 50 100 10000 8000 6000 4000 2000 0 2000 4000 6000 8000 L OT 13 1 0L4 12 0E 11 1 0E 10 LO 1 0748 L OG 7 1 0L 6 Figure 14 Fluence des neutrons de plus de 100keV le long des DS 5 37 Des tables reprenant les valeurs de ces graphes permettent de trouver pr cis ment la fluence des particules en fonction de la position dans le tunnel et du type de particules Ainsi sous les dip les les simulations ont calcul des fluences cm Gy de 37 59 10 2 496 pour des neutrons d nergies sup rieures 100 keV 1 740 5 pour des protons d nergies sup rieures 100 keV 2 740 5 pour des pions d nergies sup rieures 100 keV 99 Si on se r f re au ch ssis qui re oit le plus de dose il faut multiplier ces v
130. il La bascule est simul e en reliant les transistors et en placant les vi vote entre les vi PMOS et les vi NMOS Le c blage des vi est indiqu sur la figure 11 14 Le vi registre d calage utilise ce mod le et simule un cycle d horloge en interne tat bas puis tat haut sur un nombre d fini de bascules Nb bits Pour tre plus r aliste j ai aussi donn la possibilit aux SEU de se produire soit avant le front montant soit apr s Il m a paru n cessaire de distinguer ces tapes car les transistors ne se trouvent pas dans les m mes tats avant et apr s le front ce qui modifie leur sensibilit 23 au passage d une particule Cette particularit nous am ne consid rer 22 cas possibles qui sont r sum s sur la Figure 11 15 Figure 1 14 Repr sentation d une bascule D au niveau des transistors SEU 11 transistors CIk v SEU 11 transistors Figure 11 15 Les 22 possibilit s d apparition d un SEU 11 transistors 2 demi p riodes d horloge l est n cessaire de fournir au vi registre d calage l entr e In bool en et un cluster de 2 tableaux regroupant l ensemble des SEU sur chaque transistor pendant les 2 demi p riodes d horloge simuler SEU sur cycle d horloge Chaque l ment des tableaux contient 11 bool ens pour imposer les SEU sur chacun des 11 transistors composant une bascule Figure 11 16 SEU sur cycle d horloge Registre etat haut Etat haut
131. imations pr c dentes VIII B 4 Interpr tation des films dosim triques On utilise les profils de dose obtenus gr ce au d veloppement des 4 films dosim triques plac s sur la trajectoire du faisceau alternativement avec des plaques de silicium Ces plaques de silicium mesurant 14 mm d paisseur d j bien plus que mon circuit je ne m int resse qu aux deux premiers films le premier est plac avant tout le reste sur la trajectoire du faisceau de 63 MeV et le deuxi me est plac apr s une plaque de silicium d paisseur 14 mm comme repr sent sur la Figure VIII 11 128 Figure VIII 11 Sch ma du montage avec les films dosimetriques Les films ont t lus par un scanner dont les constantes d talonnage ont galement t obtenues sur un faisceau proton La Figure VIII 12 et la Figure VIII 13 repr sentent le d veloppement des films 1 et 2 correspondant aux profils transversaux du faisceau utilis L chelle de dose d pos e est repr sent e sur la colonne de droite en fonction de la couleur On peut distinguer une forme X croix sur le film elle repr sente l image de la chambre d ionisation plac e sur la trajectoire du faisceau ll est important de remarquer que le rectangle noir du centre de la figure repr sentant la position du circuit FPGA est uniform ment irradi 200 400 DL abt 1000 1200 1400 1600 1800 2000 500 1000 1500 2000 Figure VIII 12 Profil de la dose d pos e dans le 1 fi
132. in es es error out Excel Chart error es error out Supprime un SH VI polymorphe qui accepte en entr e la r f rence du WB et l index du SH r f rence du WB et le nom du SH la r f rence du SH WS ou CH SH Get All Vi polymorphe qui permet d obtenir les SH d un WB en fonction de leur type ll y a 3 possibilit s ressort tous les SH choisit que les WS choisit que les CH Get All SH C aunt Pen Excel Workbook out GebAll aa Ret L SH error QUE Types Excel Workbook error in Renvoie les r f rences noms et types de tous les SH d un WB Count Nombre de SH dans le WB Ref tableau contenant les r f rences des SH Les types des r f rences vi lt Variant to Data gt L_ Ell permet de r cup rer les r f rences Names SH tableau des noms de tous les SH du WB Types tableau des types WS ou CH de tous les SH Ce param tre permet de savoir quel type de r f rence utiliser pour r cup rer les r f rences contenues dans Ref 14 Get All WS t aunt Excel Workbook out Excel Workbook Get WS Ref error ce WS i ene Index 5 Henvoie les r f rences noms et index de tous les WS d un WB Count Nombre de WS dans le WB WS Ref gt tableau des r f rences des WS du WB Names WS tableau des noms de tous les WS du WB Ind
133. ion et dosim trie Journ es Scientifiques Alg ro Fran aises 29 novembre 13 d cembre 2004 Jim Schwank Total Dose Effects In MOS Devices 2002 IEEE NSREC section Ill paragraphe 2 1 Fr d ric Saign Une nouvelle approche de la s lection des composants de type MOS pour l environnement radiatif spatial Th se l universit de Montpellier Il Chapitre 1 novembre 1998 Jim Schwank Total Dose Effects In MOS Devices 2002 IEEE NSREC section paragraphe 3 2 C M Dozier D M Fleetwood D B Brown P S Winokur An evaluation of low energy X ray and cobalt 60 irradiations of MOS transistors IEEE Trans Nucl Sci Vol NS 34 No 6 p 1535 1987 Jim Schwank Total Dose Effects In MOS Devices 2002 IEEE NSREC Section Ill paragraphe 3 4 5 Jim Schwank Total Dose Effects In MOS Devices 2002 IEEE NSREC section paragraphe 3 0 139 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 S L Miller P J McWhorter W M Miller and P V Dressendorfer A practical predictive formalism to describe generalized activated physical processes Journal of Applied Physics 70 8 pp 4555 4568 15 October 1991 S L Miller D M Fleetwood P J McWhorter Determining the Energy Distribution of Traps in Insulating Thin Films Using the Thermally Stimulated Current Technique Physical Review Letters Volume 69 Number 5 p 820 823 1992 M R Shaneyfelt
134. iture dans un WS cat gorie 3a Tous les vi de mise en forme formatting demandent un Range en entr e WS Formatting Artistic Excel Range Geometrical EEF error in Excel Range out ps error OLE Mise en forme d une zone range d un WS ll est possible de modifier la mise en forme dite Artistique le trac des bordures a couleur de remplissage le style de texte en Arial Et la mise en forme dite G om trique l alignement des contenus de cellules la possibilit de faire un merge la taille des cellules Le vi de mise en forme contient les 6 vi de la ligne de dessous qui peuvent tre utilis s ind pendamment 18 WS Draw Borders Excel Range Borders es Ges errar in Excel Range aut pos error out Dessine les bordures d une zone range d un WS Borders Park Frame Frame Style Line Borders est un tableau dont chaque l ment repr sente une bordure tracer cadre par d faut le style de trait ligne normale par d faut et la couleur noir par d faut WS Fill Excel Range Excel Range aut Color Yellow error in pos error Colorie les cellules d une zone range d un WS Le jaune est la couleur par d faut WS Font Arial Excel Range Excel Range aut Params errar in x A 3 error out D finit le style de police d une zone range d un WS La police reste Arial Para
135. l faut maintenir le capteur Pt100 la temp rature T At At variant continuellement en fonction du courant consomm par le FPGA 13 V D Carte lectronique Une carte lectronique a t r alis e pour tester les Cl Les entr es sorties num riques sont d ploy es sur des connecteurs SCSI 50 pins en p riph rie de la carte Des r gulateurs de tension permettent d alimenter le Cl avec diff rentes tensions La carte est aussi quip e de 3 horloges quartz 10 20 et 40 MHz et d une connexion pour une horloge externe Comme le support inf rieur elle est perc e en son centre pour laisser passer le syst me de chauffage Figure V 12 cre eo TIC EE EE EE MN le Ce w a si m sg sir Ee d A 1 KS II eo Pee eee a m Ce RA ce o Les af si L ee m ir ras at Fa sa dl EVI TIREEREREHEHL HEFE TEST DE am L Ep I EN L L PD T m dk D AS n E ZK baut E m mm TTC em E mm LL LL dX Op OL ep Figure V 12 Carte electronique PCB pour le Cl Le support est soude au centre 4 trous perces aux angles permettent d installer des pieds pour laisser la
136. la sph re soit homog ne Pour un diam tre de 5 um bien sup rieur l chelle atomique donc sph re homog ne mais bien inf rieur la taille d un composant lectronique donc sph re l mentaire le KERMA est le volume de cette sph re que multiplie l nergie d pos e dans le silicium par unite de volume 14 55 10 eV cm x Urso J em 10keV Le est l nergie cin tique c d e l int rieur de la sph re Cependant cette nergie cin tique c d e peut tre absorb e dans ou en dehors de la sph re lors de l effet photo lectrique ou de l effet Compton Figure 111 3 par exemple 3 Photon effetCpt x Electron effet Cpt 1 effet PE ai den A 0 nergie absorb e effet PE Figure 11 3 In galit entre la perte d nergie cin tique et l nergie absorb e dans la sphere l mentaire Le KERMA ne correspond donc pas la dose D qui est l nergie effectivement absorb e dW dans la sph re de masse pala dm Avec un faisceau de rayons X on suppose l quilibre lectronique atteint apres une certaine profondeur de l ordre de 10 um dans le silicium L nergie entrant dans la sph re est gale l nergie qui en sort donc l nergie absorb e dans la sph re devient gale l nergie cin tique qui y est cr e Ainsi le KERMA est gal la dose K D Pour un faisceau de rayons X fixe et normal la surface dS l nergie transf r e dans la
137. ldo Total Dose and Single Event Effect SEE in a 0 25um CMOS Technology 138 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Daniel M Fleetwood Border Traps in MOS Devices IEEE Trans Nucl Sci Vol 39 N 2 April 1992 P J McWhorter P S Winokur Simple technique for separating the effects of interface traps and trapped oxide charge in metal oxide semiconductor transistors Appl Phys Lett 48 2 13 janvier 1986 D M Fleetwood S L Miller R A Reber Jr P J McWhorter P S Winokur M R Shaneyfelt J R Schwank New Insights into Radiation induced oxide trap charge through thermally stimulated current measurement and analysis IEEE Trans Nucl Sci Vol 39 N 6 decembre 1 992 J J Wang Radiation Effects in FPGAs G M Dallavalle A Montanari F Odorici G Torromeo R Travaglini M Zuffa Antifuse FPGAs for the Track Shorter Master of the CMS Muon Barrel Drift Tubes Design Issues and Irradiation Test F Sturesson S Mattson M Wiktorson R Harboe Sorensen Impact of Test Conditions on TID Results for Commercial FPGA Proceedings of the RADECS 2000 Workshop Belgium J J Wang Rich Katz Rocky Koga Brian Cronquist John McCollum Igor Kleyner Radiation Tests and Results of a Radiation Tolerant Antifuse FPGA RT54SX Proceedings of the RADECS 2000 Workshop Belgium p253 256 Abdel Mjid Nourreddine Radioprotect
138. le d Which rrrrrrr error out error in Modifie la police des titres avec Font Title Excel Chart out ll est aussi possible de modifier l alignement et l orientation angulaire du texte avec Alignment Title Le param tre Which permet de s lectionner les titres modifi s parmi celui du CH celui de l axe X et ou celui de l axe Y titre du CH par d faut Text Axes Font Axes SH Excel Chart w Orientation Wees A Which error out error in _ Modifie la police des axes Excel Chart aut ll est aussi possible de modifier l orientation angulaire du texte avec Orientation Les axes modifi s sont s lectionn s par le param tre Which les 2 par d faut CH Scale Scale er Excel Chart Which errar in Excel Chart out Bec error Out Definit l chelle des axes X et ou Y Y par d faut est possible de d finir de facon automatique ou manuelle le minimum le maximum unit principale unit secondaire la position d intersection avec l autre axe le type d chelle lin aire ou logarithmique 27 Cat gorie 5 Gestion des macros Import macro Excel Workbook fe Excel Workbook aut Macro Module error mers t Em error our Excel Workbook fre Excel Workbook aut File Module errar in me t Em error QUE Excel Worksheet kpa
139. le est install le FPGA Celle ci tourne la fr quence de 10MHz ou 40MHz comme les cartes qui sont install es dans le tunnel Le CI se comporte comme une m moire qui contient 128 valeurs 1 valeur comporte 15 bitsznombre de registres qui tournent en boucle dans les registres Figure 1 Le programme LabVIEW vient maintenant crire et lire dans la m moire de facon asynchrone Seul le FPGA fonctionne la vitesse de l horloge quartz de la carte Les tests ont t r alis s de mani re pouvoir y appliquer des plans d exp rience 8 tests aux limites ont t men s pour mod liser le comportement d un CI en fonction des 3 facteurs Figure VII 3 temp rature d bit de dose fr quence du CI Le comportement est similaire celui des FPGA de la version 4 augmentation du courant qui forme un pic tr s raide accompagn de la panne fonctionnelle Le courant continue d augmenter jusqu la fin de l irradiation Figure VII 4 Un moment apres l irradiation toujours en maintenant la temp rature et le fonctionnement du les erreurs disparaissent progressivement et le CI se remet fonctionner correctement bien que le courant de consommation reste lev Ces tests ont mis en vidence des circuits qui tiennent bien plus longtemps que d autres dans les m mes conditions Pour avoir une mod lisation plus propre j ai choisi comme param tre d terminer l intervalle de temps At entre l augmentation de 10
140. le substrat et les zones dop es du drain et de la source Simulateur d interaction rayonnement mati re Total lonizing Dose Dose totale d irradiation accumul e dans une cible FPGA par ex mesur e en Gray 1Gy 1Joule kg ou en rad 1rad 0 01Gy 142 143 ANNEXE 1 Coce des FPCA version 4 144 FPGA 4 library IEEE use IEEE std logic 1164 all entity FPGA is generic port reg_length1 reg length2 reg length3 io width1 width2 width3 clk reset inputs1 inputs2 inputs3 outputs outputs2 outputs3 end FPGA Integer 32 Integer 128 integer 892 integer 7 integer 7 integer 1 in std logic in std logic std logic vector io width1 1 downto 0 std logic vector io width2 1 downto 0 in std logic vector io width3 1 downto 0 outstd logic vector io width1 1 downto 0 outstd logic vector io width2 1 downto 0 out std logic vector io width3 1 downto 0 architecture archi of FPGA is component shift register generic reg length integer 8 port clk in std logic reset in std logic input in std logic output out std logic end component begin process CLK begin if clk event and 1 then inputs int lt inputs1 145 end if end process width1 for j in O to io width1 1 generate reg shift_register generic reg l
141. lider les calculs pr c dents d estimer la dose d pos e dans le FPGA et de mesurer son profil transversal Le comportement du circuit en fonction de la dose d pos e et de la temp rature a t tudi Les r sultats pr liminaires indiquent que pour le m me d bit de dose Gray seconde la panne fonctionnelle du circuit FPGA survient apr s un temps huit fois plus court avec les protons qu avec les rayons X 119 VIII A Dispositif experimental Les tests avec les protons se sont d roul s Villigen en Suisse al manique dans le hall PIF Proton irradiation Facility l Institut Paul Scherrer PSI Le dispositif exp rimental est le m me que celui pr c demment utilis avec les rayons X pour la version FPGAS Il est d crit dans le CHAPITRE VII La Figure VIII 1 montre la carte lectronique mont e verticalement sur son support avec le FPGA plac en son centre Celui ci est dispos de mani re recevoir le faisceau de protons de 63 MeV perpendiculairement la surface du circuit FPGA Sur le bas de la photo on remarque les nappes utilis es pour la lecture et l criture des donn es num riques dans les registres ainsi que les 4 fils du capteur de temp rature incorpor dans le syst me de chauffage du FPGA H 1 Wi SE E KREE i2331222222 Figure 1 Carte lectronique et en position d irradiation sous faisceau our la gauche on peut observer les lames d aluminium
142. lm 129 200 400 BDD 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 500 1000 1500 2000 Figure VIII 13 Profil de la dose d pos e dans le 2 film J ai valu la dose d pos e dans le rectangle du premier film 123 Gy et celle du deuxi me 211Gy Le pouvoir de d position d nergie par les protons dans un film a donc t accru d un facteur 1 71 211 123 apr s la travers e des 14mm de silicium Dans ce cas les protons de 63 MeV qui d posent 2MeV par mm l entr e du silicium d posent la sortie de la plaque de 14mm 2 1 7123 43MeV par mm silicium avec l approximation justifi e par la courbe d un accroissement lin aire du d p t d nergie dans les 14 premiers mm de Silicium Cette valeur est comparer aux 3 5 MeV par mm calcul s avec SRIM On trouve alors par la mesure la dose attendue par la simulation du moins tant qu on n est pas encore au pic de Bragg R sultats tant donn les r sultats obtenus dans les paragraphes pr c dents nous adoptons le r sultat de mesure donn e par la chambre d ionisation pour repr senter le d bit de dose L incertitude sur ce d bit estim e en comparant les diff rentes m thodes reste de l ordre de 596 Ce qui est bien suffisant pour l tude que nous menons La Figure VIII 14 donne les r sultats pour l un des circuits FPGA Le circuit FPGA a t maintenu tout le temps du test a la temp rature de 706 repr sent e par la courbe bleue Ton
143. lus de 10000 de ces FPGA dans le tunnel et le choix de circuits rad tol tol rants aux radiations aurait induit des d penses allant au del du budget allou 11 15 seront pourtant soumis diff rentes radiations suivant leur position dans le tunnel oelon leur environnement imm diat ils baigneront dans diff rentes temp ratures ambiantes Figure l 2 Chassis contenant les cartes d acquisition install sous un dipole tube bleu Le travail initial de ma th se consiste irradier ces Cl diff rentes temp ratures parfaitement d finies et contr l es afin de mod liser les effets de la temp rature d une part et des radiations d autre part sur le courant de consommation et sur le taux d apparition d erreurs logiques Une erreur logique consiste d tecter un tat oppos Haut au lieu de Bas ou Bas au lieu de Haut celui attendu dans une porte num rique J ai utilis la m thode des plans d exp rience pour mod liser le comportement des Cl Les travaux publi s sur les tests d irradiations et que j ai trouv s dans la litt rature ne prennent que rarement en compte l effet de la temp rature Quand c est le cas ce n est g n ralement que pour sp cifier le point de fonctionnement en temp rature Nous n avons pas encore trouv de travaux d crivant la mod lisation des effets combin s de la temp rature et de l irradiation Les r sultats obtenus dans ce travail permettront avec un suivi continu du stress subi
144. mati re est donn e par la formule de l att nuation 34 dW di AVEC W Energie incidente des photons Coefficient d absorption du mat riau Le KERMA s crit alors _ dW WA dx Ha VW dm pdS dx dS K Par d finition est la fluence nerg tique du faisceau F donc Cette relation lie une grandeur propre l nergie transf r e la mati re K et l nergie F v hicul e par le faisceau ind pendamment de la mati re par un coefficient caract ristique de cette mati re Si le KERMA est mesur dans un milieu de r f rence souvent de l air il est possible de d terminer le KERMA dans un mat riau gr ce la connaissance de sa densit et de son coefficient d att nuation Hao 0 Dans le milieu de r f rence K x F Et le KERMA se calcule avec K K i Ka Cette derni re formule est souvent utilis e dans les calculs partir du moment o l on se place dans les conditions o l quilibre lectronique est atteint La mani re dont une particule c de son nergie ou plus fondamentalement interagit avec une autre particule est r gie par la m canique quantique Lors de la travers e de la mati re une particule subit une succession d interactions l mentaires Dans le cas qui nous int resse il s agit de l interaction lectromagn tique et moindre mesure de l interaction forte ou nucl aire Les photons ou les lectrons sont les princip
145. me pour la partie FPGA les boutons Start et Pause donnent la possibilit d arr ter et de d marrer tout moment sans g ner et sans avoir stopper le reste du programme VI C 3 Cadre Capteur Ce sont d une part les param tres pour le contr le du GPIB du PREMA 5017 et d autre part les donn es sur les capteurs de temp rature qui permettent de configurer le PREMA VI C 4 Cadre Excel Cette partie permet de sauvegarder toutes les mesures dans un fichier Excel Les vi qui r alisent l interface entre LabVIEW et Excel aussi bien en lecture qu en criture ont fait l objet d un d veloppement important et sont d crits plus pr cis ment dans l ANNEXE 4 Cette annexe est en fait le manuel d utilisation que j ai joint la biblioth que de vi Je les ai mis disposition sur le site du CERN version1 0 http itcofe web cern ch itcofe Services LabView UserProjects welcome html La version actuelle est la 2 0 et comprend une palette de 38 vi Figure VI 3 Elle est disponible sur mon site http stephane gabourin free fr 85 S search E En 29 ei LE WX X Add Get Ren Mo Del Get lle X 2X _ R2A g Figure VI 3 Palette de vi Excel de la version 2 0 Ceux ci sont organis s en diff rentes cat gories comme indiqu es sur la Figure VI 3 1 2 3 Nm VID Manipulation des fichiers Excel workbooks Manipulatio
146. me un SH Si le nom est vide rien n est chang Si un autre SH a d j ce nom un num ro est ajout VI polymorphe qui accepte en entr e la r f rence du WB et l index du SH r f rence du WB et le nom du SH la r f rence du SH WS ou CH 12 SH Cop Mov Action Mowe Source WE ux Source Wb out Dest WE Mor L Dest WEB nut Dest Index 1 EI T1 error nut error in Source Index 1 Action ove RER Source WB Source Wb out E Dest WE L Dest WB out Dest Index 1 w tkr a error errar in SH Action ove Source 5 x Source W S aur Dest WB L Dest WB out Dest Index 11 EK zs error out error in Action Mowe Source CH 4X Source out Dest WE L Dest WE out Dest Index 1 cvs error nut error in SC D place ou copie SH Action permet de choisir entre d placer valeur par d faut ou copier La destination doit tre sp cifi e par le WB et l index auquel on d sire ins rer VI polymorphe qui accepte en entr e pour la Source r f rence du WB et l index du SH r f rence du WB et le nom du SH la r f rence du SH WS ou CH SH Delete Excel Workbook Excel Workbook out zt Del error eR ess error ori Index 1 Excel Workbook Excel Workbook out zt error ins em error out Marne SH 13 Excel Worksheet Del error
147. ment du courant d alimentation du tube qui va de 5mA niveau bas 60mA niveau haut La fr quence de fonctionnement a pour niveau bas 10MHz plus petite valeur d horloge du PCB et 40MHz plus grande valeur d horloge du PCB Le Tableau VII 1 Les trois facteurs tudi s pour FPGA 8 r sume ces facteurs Temp rature IC 45 80 Tableau VII 1 Les trois facteurs tudi s pour FPGA 8 Ces 3 facteurs 2 niveaux forment un cube pour lequel les 8 sommets correspondent un test aux limites Figure VII 3 D rad s Figure VII 3 Les 8 tests aux limites des 3 facteurs Les 8 tests d crits ci apr s sont les tests des 8 sommets T D et F sont les 3 facteurs et 1 et 2 sont les niveaux bas et haut Par exemple D2 est le niveau haut du d bit de dose soit 157 rad s Tous les CI ont t irradi s jusqu la m me dose totale de 1Mrad Sur les graphiques 5 courbes sont trac es 102 1 Rad krad cest la dose cumul e dans le Cl Celle ci augmente r guli rement C est donc une droite qui part de 0 pour plafonner 1000krad soit 1Mrad axe de gauche 2 Tchip C Temp rature du CI maintenue soit 45 C soit 80 C 3 Current mA Le courant a un comportement similaire celui d j observ avec la version 4 4 Read errors 96 La courbe des erreurs de lecture est aussi comparable aux r sultats donn s par la version 4 5 Protocole errors nbr 128 La 5 courbe repr sente
148. mme va se contenter de le lire de facon s quentielle en terme de position dans la m moire Lorsqu une erreur m me d un seul bit est d tect e dans la lecture d une position de 15 bits une 2 lecture puis ventuellement une 3 viennent confirmer s il s agit d une erreur ponctuelle de communication dans ce cas la 227 ou 3 lecture est correcte ou bien d une erreur due l effet de dose des rayons X l erreur reste toutes les lectures Si l erreur est r p t e les trois fois le programme crit nouveau la bonne valeur dans la m moire Cette erreur est appel e erreur de lecture Un 2 type d erreur existe pour cette version du l erreur de protocole gt Cette erreur est enregistr e lorsque le CI n est plus capable de confirmer par drapeaux soit s il a crit dans sa m moire soit s il a mis en sortie la valeur demand e par LabVIEW Le protocole ne fonctionne plus et la communication entre le PC et le est rompue Une erreur de protocole est toujours accompagn e d une erreur de lecture LabVIEW v rifie que la valeur de sortie est incorrecte m me sans protocole Par contre une erreur de lecture peut se produire sans erreur de protocole L volution temps r el des diff rents param tres mesur s commande de r gulation temp rature du Cl courant de consommation du erreurs de lecture et erreurs de protocole est report e sur le graphe Afin de limiter les d g ts si une partie venait
149. mp rature de 75 et en ne prenant en compte que la diff rence angulaire 0 a 85 le circuit reste 4 fois plus sensible au latchup 85 Bien que la dispers ion angulaire du faisceau ne soit pas aussi importante celle ci rajoute une incertitude qu il est n cessaire d valuer car le d p t de dose d une particule dans un circuit sera d autant plus important que l angle d incidence par rapport la normale et donc la longueur du trajet de la particule dans le silicium est grand Le r sultat de cette th se permet de mettre pour la premi re fois le comportement d un circuit en quation en fonction de plus d un facteur Les plans d exp rience sont un outil tr s puissant et permettront pour une prochaine tude de faire jouer d autres facteurs que la temp rature et le d bit de dose afin de d crire au mieux les r actions des circuits CMOS Dans le but d obtenir un plan d exp rience optimis pour d terminer la dur e de vie d un circuit en particulier il me semble appropri de retenir au moins 5 facteurs pouvant rentrer en compte de facon non n gligeable La temp rature Le d bit de dose Le vieillissement du circuit Il s agit en fait de l int gration de l effet de la temp rature sur le circuit qui a t mis en vidence dans 29 Ce facteur peut aussi contenir l information d une irradiation pr c dente d une gu rison ou d un stress de temp rature sur une certaine p riode etc ll correspond au
150. ms permet de choisir la taille et la couleur des caract res et le style appliquer gras italique soulign ou ombr 19 Params Size 10 9 10 Color Black Bald F Italic Underlined F Shadow F WS Alignment Excel Range Excel Range out Params L Aligne le contenu des cellules d une zone range d un WS Params gt permet de fixer les alignements vertical et horizontal d autoriser le retour la ligne Wrap ou de faie rentrer le texte en largeur Shrink dans une cellule Si Wrap est coch Shrink n a pas d effet Params Halign Left Left align Bottom r wrap F Shrink F WS Merge Excel Range Merge T UE E e STEEP error QUE Excel Range aut Fusionne ou d fusionne les cellules d une zone range d un WS Merge est vrai True pour fusionner et faux False pour d fusionner By Row permet de fusionner les cellules ligne par ligne Lors d une d fusion ce bool en n a pas d importance 20 WS Size Cells Excel Range Excel Range out amori e es error out Definit la taille des cellules d une zone range d un WS SIZES Rows 12 75 Columns 2 8 43 Sizes est un cluster contenant la hauteur des lignes 12 75 par d faut et la largeur des colonnes 8 43 par d faut WS Freeze Excel Worksheet Excel Worksheet out Cell 8777
151. n Vertical T E Ecrit un tableau 1D Init Coord correspond aux coordonn es de la premi re case du tableau Le premier nombre correspond la ligne et le deuxi me la colonne Ces index d marrent 1 Par exemple la case B4 est donn e par les coordonn es 4 2 Le tableau crire est pris en tant que variant pour accepter diff rents types Vertical permet de choisir l orientation du tableau verticale par d faut Renvoie la r f rence du range du tableau 1D pour les VI de mise en forme WS Write 2D Array 17 Excel Worksheet Excel Worksheet out Init Coord 1 1 pee HB Excel Range out 2D Array lo error out error in Transpose Fi EE 3 Ecrit un tableau 2D Init Coord correspond aux coordonn es de la premi re case du tableau Le premier nombre correspond a la ligne et le deuxieme a la colonne Ces index d marrent a 1 Par exemple la case D1 est donn e par les coordonn es 1 4 Le tableau crire est pris en tant que variant pour accepter differents types Transpose permet de choisir l orientation du tableau comme dans Excel par defaut Renvoie la reference du range du tableau 2D pour les VI de mise en forme b Gestion de la mise en forme Quand on parle de Range il s agit de la r f rence a un ensemble de cellules dans un WS Les Range s obtiennent en utilisant les vi de la cat gorie 6 ou par les vi d cr
152. n _ Compton Photon Figure 111 5 Effet Compton 20 Le photon incident a suffisamment d nergie pour jecter un lectron et continuer sur sa trajectoire avec une nergie plus faible II A 2 c La production de paires Figure 6 C NCOMING A RE Fhoton My Positron Figure 111 6 Production de paires 20 Avec une nergie encore plus importante au moins gale deux fois la masse d un lectron le photon interagit avec l atome pour produire une paire lectron positron II A 2 d La relation entre ces effets Pour les 3 effets le principal r sultat est l ionisation de la mati re par la cr ation d une paire lectron trou e h dans le cas des semi conducteurs La pr sence de ces effets ne d pend pas seulement de l nergie du photon incident mais aussi de la charge lectrique 36 du noyau Z qui d finit le nombre d lectrons par atome de la cible La Figure 111 7 r sume l importance relative des trois effets en fonction du num ro atomique du milieu travers 10 keV 1 25 MeV X rays Co 60 y rays 120 100 PHOTOELECTRIC EFFECT m PAIR PRODUCTION a DOMINATES 2 DOMINATES F 80 E gt 2 o 60 or COMPTON SCATTERING LL DOMINATES N 20 SILICON 0 01 0 1 1 0 10 100 PHOTON ENERGY MeV Figure 7 Importance relative de l effet photo lectrique de la diffusion Compton et de la production de paires en fonction de l nergie du photon incident 20
153. n des feuilles de calcul worksheets et de graphes Charts Ecriture et lecture des donn es dans les worksheets et mise en forme des cellules Cr ation de graphiques Importation et ex cution de macros en Visual Basic Manipulation des objets range pour r f rencer plusieurs groupes de cellules et leur appliquer la m me op ration de mise en forme par exemple oous menu d outils le seul actuel permettant de compter les cellules non vides d une ligne ou d une colonne R sultats des tests VI D 1 Introduction L objectif tant de mod liser le comportement des Cl et ne disposant que d un nombre limit de circuits j ai utilis la m thode des plans d exp rience Tout comme pour la caract risation du banc de chauffage il s agit de d terminer un param tre mod liser ainsi que les diff rents facteurs qui peuvent rentrer en compte dans les variations de ce param tre Le param tre mod liser est la dose cumul e dans le CI en krad des l apparition des erreurs de lecture Pour mod liser ce param tre 2 facteurs sont pris en compte 86 la temp rature en C A le d bit de dose en radsio s Chacun de ces facteurs a un niveau bas et un niveau haut ce qui correspond 4 tests Figure VI 4 Figure VI 4 Les 4 tests aux limites des 2 facteurs T temp rature et D d bit de dose sont les 2 facteurs et 1 et 2 sont les niveaux bas et haut Par exemple T1 est le niveau bas de la temp ratu
154. omportement toujours 100 d erreurs 1000 500 Dose rate 157rad s Total Dose 610krad 6 1kGy 900 450 Current mA zi Cumulated dase krad E BD w77 400 T chip C Read errors 700 350 BIG co mese RS ne EE EE EE 300 SEET 250 DRE C Cr MC 200 SHE CT d M LEE 150 200 100 Time s 400 1400 2400 3400 4400 5400 6400 7400 8400 Figure VI 6 Point 1 T1 35 C et D2 157rad sec Point 2 T1 D1 Figure VI 7 Le Cl a t irradi 35 C et jusqu une TID de 830krad 8 3kGy Figure VI 7 A un d bit de dose plus faible D1 au lieu de D2 les erreurs montent aussi brusquement 100 qu avec un fort d bit Dans ce test elles surviennent une dose de 448krad Le plus int ressant est la r cup ration des fonctionnalit s du Cl qui commence 3 4 heures apres la fin de l irradiation A partir de ce point la longueur des registres joue un r le Bien que le nombre d erreurs commence diminuer au m me moment les registres les plus courts 32bits sont plus rapides r cup rer Cependant la r cup ration totale survient d un coup pour tous les registres 21h apr s le d but des erreurs et 14h apres la fin de l irradiation Point 3 T2 D1 Figure VI 8 Le Cl a t irradi 70 C et jusqu une TID de 1Mrad 10kGy Figure VI 8 Une coupure de courant stopp pendant quelques heures Le n tant pas en fonctionnement pendant
155. onduction 1 EE 17 Figure II 4 Repr sentation simplifi e d une structure CMOS III 18 Figure II 5 Etats du drain D d un NMOS et d un PMOS en fonction de la grille Ge 18 PTaute I 06 Fonctiognement d wi mnyperseut LITT aas etate e Ee vitu 19 Figure II 7 Connexion des zones dop es formant le thyristor ss 19 Figure II 8 Illustration de a la technologie lt Bulk gt et b la technologie lt SOI gt 20 Figured I CONNEXIONS du v ENM OS EE 21 EE EE 21 Figure E ANT VOlg Su Su Saya 22 Figure II 12 Utilisation du vi lt Vote gt entre les drains d un NMOS et d un PMOS 23 Figure II 13 Sch ma lectrique d une cellule dynamique bascule D 23 Figure II 14 Repr sentation d une bascule D au niveau des transistors 24 Figure 15 Les 22 possibilit s d apparition d un SEU 11 transistors 2 demi p riodes d horloge 24 Figure II 16 Tableau permettant d affecter des SEU n importe quel transistor aussi bien avant qu apr s le front EE 24 Figure TEE 25 Figure 18 Face avant du programme de test d un registre d calage sous irradiations 25 Figure II 19 les 4 combinaisons de bits sur 2 coups d horloge 26 Figure 20 Face avant du vi de test math matique d un registre d cala
156. ont connect s la masse alors D sera au niveau 0 ou 1 suivant la tension logique Vps C est l qu intervient la Grille Gr ce la couche isolante de SiO les charges ne peuvent pas transiter de G B Lorsque Vas 0 le champ lectrique va repousser vers le bas les charges positives majoritaires de B et attirer les porteurs minoritaires charg s 16 n gativement les electrons vers la surface Si SiO Cet apport d lectrons va connecter lectriquement 5 et D en cr ant un canal Le transistor est ferm avec le potentiel de G au niveau logique lt 1 gt Figure 11 2 Mu MM Mage 2 15014 nt 1 Pra IE Etna Da ana era ata source canale drain Figure 11 2 Conduction entre Drain et Source pour le NMOS 1 A ce moment si D est au niveau logique 1 Vps gt 0 un courant de porteurs minoritaires va circuler de S vers D Le transistor PMOS se comporte exactement comme son homologue NMOS mais avec les charges inverses les porteurs minoritaires sont les trous ou absences d lectrons Le substrat est dop N tandis que S et D sont dop s P Dans ce cas S et B sont connect s la tension d alimentation Vos Lorsque Vse Ves gt 0 le champ lectrique entre G et repousse les lectrons vers le bas et attire les trous vers l interface 51 5102 pour former le canal L interrupteur est ferm avec le potentiel de G au niveau logique 0 gt Figure 11 3 E GEES Be ea Ce c
157. orkbook WB Create Open File template Excel Application File path Excel Workbook x lt Action Create Open errar in pe error Visible Fi 2 Ouvre un fichier Excel s il existe ou cr e un nouveau fichier s il n existe pas Le param tre Action donne la possibilit de forcer la cr ation du fichier un num ro est ajout s il existe d j ou de forcer l ouverture renvoie une erreur s il n existe pas Si le fichier est cr il est possible de lui donner un template modele Si aucun template n est sp cifi ou s il n existe pas un WB contenant 3 WS est cr Si lt Visible gt est mis lt True gt Excel s ouvre normalement S il est mis False l application est ouverte en arri re plan Dans ce dernier cas il est n cessaire de la fermer avec le vi Close Excel La r f rence du WB correspondant au fichier est renvoy e en sortie ainsi que celle de l application utilisable par Close Excel Save Excel Workbook Ed Excel Workbook out File Excel Worksheet Excel Worksheet out File Excel Chart Excel Worksheet out File Enregistre un WB Si le nom de fichier n est pas sp cifi il enregistre dans le WB en cours VI polymorphe qui accepte en entr e r f rence du WB enregistrer ou r f rence d un de ses SH WS ou CH Close WB Excel Workbook errar in Excel
158. osants semi conducteurs Le d p t d nergie d une particule de haute nergie dans un composant semi conducteur est principalement aux interactions coulombiennes est comptabilis localement dans le composant par des ionisations et des excitations atomiques ou mol culaires diverses Quand la particule incidente est lourde c est le cas des hadrons tels que les protons ou les neutrons les interactions nucl aires peuvent induire des d placements ou des fragmentations de noyaux atomiques pouvant induire un changement des propri t s chimiques ou physiques du milieu comme dans le cas des implantations d ions Dans le cas qui nous concerne c est dire le comportement de composants CMOS sous irradiations dans le tunnel du LHC les dysfonctionnements sont majoritairement caus s par les processus coulombiens susceptibles de cr er des distributions de charges lectriques incompatibles avec le fonctionnement correct du composant La quantit d nergie c d e par la particule incidente est accumul e dans le silicium Si du circuit int gr CI Elle engendre un pi geage de charges positives trous dans les isolants en SiO Ces charges cr ent des champs parasites qui perturbent le fonctionnement des composants l mentaires du circuit c est dire les transistors Les dysfonctionnements ou leur probabilit d apparition sont quantifi s en fonction de la dose recue par le circuit c est dire la quantit d nergie recue par uni
159. our i 2 SEU nous rencontrons le cas de figure d crit dans l exemple suivant On consid re un bit de donn e qui transite dans le registre C est pourquoi chaque case du tableau ci dessous correspond une bascule D du registre un temps de d calage par rapport ses voisines imm diates de to tn Pour cette configuration nous devons prendre en compte 2 fois la probabilit qu un SEU se produise P mais aussi n 2 fois la probabilit que les autres bascules restent int gres 1 P Figure V 4 Figure V 4 Configuration probabiliste d avoir 2 SEU sur un bit avec un registre de longueur n Deux de ces cases contiennent la probabilit P tandis que les autres qui ne sont pas touch es par une particule prennent la probabilit compl mentaire 1 P Cette configuration survient lorsque la 1 re bascule n est pas touch e et que la 2 me n est pas touch e etc Sa probabilit d existence est donc le produit des probabilit s de chaque bascule 1 1 1 1 1 1 1 2 l existe exactement combinaisons de bascules dont 2 ont la probabilit et n 2 la probabilit 1 P Finalement la probabilit d avoir 2 SEU sur un bit est de 25 0 C xP x 1 En g n ralisant la formule la probabilit qu un bit subisse i SEU le long d un registre de longueur n est 65 PU SEU C xP x 1 P Si l on veut compter correctement le nombr
160. phe lII A 7 b et dans 15 J ai utilis deux modes op ratoires un mode statique l autre dynamique VII G 1 Mode op ratoire statique Voump est une tension directement reli e la tension d alimentation Vec J ai donc fait fonctionner plusieurs circuits des tensions d alimentation diff rentes 5V 6V et pour comparer leur tenue aux radiations Figure VII 16 Figure VII 18 1000 r 500 Puce 2171 02 1 o 45 157 40 2 EE EE Zeie 450 9 800 1 lt lt 5 lt lt 255125225555 552252255 24522 5 25 55 4 522 552 2 54 55255552525 245 4454222 225244 2 242 400 col err Current mA Rad krad Si02 5 ee EE GE EE An e SE EE T chip 1 Read Err R 600 EE E d EE E UE EA Sas ee EEN EE Prot errors 128 EE Tcl 200 2200 4200 6200 8200 10200 12200 14200 16200 18200 20200 Figure VII 16 Point 4 des tests de rayons X de FPGA8 45 D 157rad s V 5 114 Puce D2 F1 OR E E VC 157radis GE we i Alim 6V i 400 200 EN E 150 204 24 4 5 3 15 15 2 21
161. plus lev e rend le Cl plus r sistant l effet de dose ind pendamment de la temp rature Static RT gt lt Low Freg RT gt lt Static 55C gt lt Low Freq 55C gt ameduwaa ase lt High Freq gt supply Current mA cumulated Total Dose kRad Figure 111 17 Diff rentes volutions du courant en fonction de la fr quence et de la temp rature 17 Les effets singuliers SEE 1 Description g n rale et caract risation Le passage d une particule peut aussi induire un effet instantan le Single Event Effect ou SEE 8 types de SEE ont t r pertori s certains n induisant que des erreurs et d autres d truisant les transistors 31 Le m canisme l origine des SEE est le m me que celui de l effet de dose mais au lieu de se produire dans l isolant il se produit dans le silicium du substrat du drain ou de la source Le SEE non destructif le plus commun est le SEU Single Event Upset qui change l tat logique d un transistor de 0 1 ou de 1 0 Figure 18 Dans le cas d un NMOS si la particule passe par le drain elle peut cr er suffisamment de paires e h pour changer 46 son potentiel Des tests de radiations sur des m moires logiques ont mis en vidence une probabilit de passer de l tat 0 1 97 des cas beaucoup plus importante que de 1 0 32 P type substrate Figure 111 18 Passage d une particule par le drain
162. pr sentation 3D de travec les points interm diaires pour 10 esses 113 Figure VII 16 Point 4 des tests de rayons X de FPGAS T 45 C D 157rad s V 5SV 0 114 Figure Vids Teste Vous d 45 C DELTAS EE 115 Figure VISTO Tede Viso 1945 C DSI EE 115 Figure VII 19 Passage de la tension d alimentation de SV 6V pour tester Vpump 116 Figure VIII 1 Carte lectronique et CI en position d irradiation sous faisceau 120 Figure VIII 2 Vue d ensemble du banc de test Le faisceau arrive par la droite 121 Figure VIII 3 Station de contr le un tage au dessus de la salle d irradiation 122 Figure VIII 4 L quipe de choc 3h du matin apr s 7h de run sans caf 123 Mes deux Co th sards Charlotte Ricol et et R mi Rosset Lanchet ss 123 Figure VIII 5 Ecran reportant les donn es du faisceau en temps r el eene eene nnne 123 Figure VIII 6 Simulation par GEANTA de l nergie d pos e par un proton de 63 MeV sur 2cm de silicium 125 Figure VIII 8 Energie d pos e par un proton 63MeV sur 20 mm de Si par SRIM 127 Figure VIII 9 Coupe transversale du FPGA avec la description des ses couches 127 Figure VIII 10 Energie d pos e dans les diff rentes couches du FPGA esses enhn eene 126 Figure VIII 11 Sch ma du montage avec les films dosim triques ss 129 Figure VIII 12 Profil de la dos
163. r chacun d entre eux en variant avant de construire le tableau Cat gorie 6 Manipulation des Ranges CellToRange Excel Worksheet Excel Worksheet out E Excel Range out error in la error out Convertit les coordonn es d une cellule Cell en Range utilis dans les vi de mise en forme Cell est un cluster de 2 nombres la ligne et la colonne de la cellule d part 1 1 Excel Worksheet Excel Worksheet out rea 1D Excel Range out error in error out Convertit les coordonn es d un tableau 1D Area 1D en Range utilis dans les vi de mise en forme Area 1D est un cluster de 3 nombres la ligne et la colonne de la cellule de d part puis la dimension du tableau Le bool en Vertical permet de choisir l orientation du tableau verticale par d faut 2DArrayToRange Excel Worksheet Excel Worksheet aut E 20 Area e EEH Excel Range aut error iwa error out Convertit les coordonn es d un tableau 2D Area 2D en Range utilis dans les vi de mise en forme 29 Area 2D est un cluster de 4 nombres la ligne et la colonne de la cellule de d part puis le nombre de lignes et de colonnes du tableau RangesToArea Excel Range aut Range type Excel Range Convertit une r f rence Range en un tableau dont chaque l ment contient les caract ristique
164. r les vi suivants 20 1 le vi NMOS c est le vi repr sentant le fonctionnement d un transistor NMOS Sa repr sentation graphique est repr sent e sur la Figure 11 9 Context Help NUS vi Figure 11 9 Connexions du vi lt NMOS gt 2 le vi PMOS c est le vi repr sentant le fonctionnement d un transistor PMOS il est repr sent sur la Figure 11 10 Context Help PMOS i Figure 11 10 Connexions du vi PMOS Chacun des deux vi NMOS et PMOS dispose des connexions normales Grille Source et Drain mais aussi dune entree SEU Il s agit d un booleen grace auquel on peut inverser la sortie le drain d un transistor par rapport son fonctionnement normal lorsque celui ci est bloqu pour simuler l effet des radiations Un SEU Single Event Upset et un v nement singulier d au passage d une particule qui inverse l tat logique du drain par collection de charges voir le paragraphe III B L entr e lt Id gt est utilis e pour identifier le transistor qui r alise l op ration En effet les vi NMOS et PMOS gardent en interne la valeur pr c dente de leur drain Pour deux transistors NMOS c est le m me vi qui est utilis est donc n cessaire de garder en m moire les valeurs des drains de tous les transistors dans un tableau La variable Id permet de retrouver la valeur pr c dente du drain dans le tableau Par exemple pour le transistor NMOS lorsque la grille
165. re soit 35 C ll est important de prendre les valeurs min et max pour chaque facteur car l quation du comportement n est valable pour l int rieur du carr our les 4 graphiques d crits plus loin jusqu 6 courbes sont trac es krad c est la dose cumul e dans le Celle ci augmente r guli rement C est donc une droite affine qui plafonne diff rentes doses totales suivant les tests Tchip C Temp rature du CI maintenue soit 35 C soit a 70 C Current mA s agit de la consommation de courant du Cl Read errors 96 courbe de la somme de toutes les erreurs de lecture Elle est exprim e en 96 Errors 32 96 Cumul des erreurs des registres 32 bits exprim en 96 Errors 128 96 Cumul des erreurs des registres 128 bits exprim en 96 Le registre de 892 bits tant particuli rement sensible aux erreurs m me sans radiations il n a pas t utilis lors des 4 derniers tests J ai men 9 tests d irradiation en trois fois Globalement le comportement des est le suivant Augmentation du courant de consommation jusqu faire un pic 87 Au pic toutes les sorties du CI passent 0 100 d erreurs Le courant continue d augmenter la fin de l irradiation le courant commence diminuer instantan ment Plus tard les erreurs commencent diminuer diff remment suivant la longueur des registres Parall lement le courant se remet au
166. res La dose cumul e correspond une quantit d nergie d pos e par unit de masse Elle s exprime en Gray ou en rad 1Gy 100rad 1J kg Le nombre de paires e h cr es est proportionnel la dose int gr e Dans les semi conducteurs l nergie n cessaire la cr ation d une paire e h est reli e l nergie de gap E par la relation empirique suivante E eV 2 67 E eV 0 87 cas du Si 20 Pour un isolant E eV 2 Eg eV cas 5102 20 Le nombre de paires produites par Gray pour le silicium et le dioxyde de silicium est donn dans le Tableau 111 1 ae Mobilit Se Bande Energie de Densit de SEH 1 Cr ation de paires dans 5105 3 ev paire Eem ev 1 Cup 196 um o aT mere 22 9 1 7804 Tableau 111 1 Comparaison des caract ristiques du Si et du SiO 21 Le SiO tant un isolant les charges cr es ne peuvent pas tre evacuees par les lectrons et les trous du mat riau 4 La recombinaison annealing initiale Une fois les paires cr es elles ont tendance se recombiner entre elles Cependant dans le SiO s parant la grile du substrat la polarisation du transistor provoque la s paration puis la migration des lectrons et des trous dans des directions oppos es Les lectrons plus mobiles que les trous parviennent sortir en quelques picosecondes Figure 8 Grille Si Figure 111 8 Migration des cha
167. respondance avec les sommets du cube des plans d exp rience de la Figure VII 3 La colonne Circuit correspond au nom donn au circuit qui a subi le test En prenant en compte les interactions du 2 mod le est de la forme ordre l quation polyn miale du b Ad PO Ay S E Ay Xs TES Ar As La matrice d exp riences en variables r duites est d exp rience M Temp rature D bit de dose Fr quence Interaction 1 Interaction 2 Interaction 3 essal 1 a 12 13 3 Beet ET sss ss 1 1 1 1 1 1 JEN THE ae a12 a13 23 __ 18366 0G 15897 134 702 751 255 Tableau VII 4 Calcul des coefficients de l quation des plans d exp rience de t On obtient l quation polyn miale suivante Y 218356 606 X 15897 X 134 702 X X 751 X X 255 X X 812 X X X 107 Le d bit de dose est le param tre qui influence le plus la dur e de fonctionnement Plus il est fort plus la dur e de fonctionnement est faible car le coefficient est n gatif Le 227 facteur avoir le plus d effet est la temp rature du X4 Quand elle s l ve la dur e de fonctionnement augmente car le coefficient est positif Son influence est quand m me 25 fois plus faible que celle du d bit de dose En effet son coefficient ne d passe pas ceux des interactions Quant la fr quence son influence peut tre consid r e comme nulle
168. rges dans le SiO pour NMOS polaris La fonction de non recombinaison de Yates 22 donne de fa on empirique le pourcentage de paires qui parviennent a se s parer en fonction du champ lectrique en MV cm induit par la polarisation de la grille Figure 111 9 38 Co 60 10 keV X ray 700 protons wv o particles 1 2 3 4 o Electric Field MV cm Figure 9 Fraction de trous echappant la recombinaison initiale pour diff rents types de radiations 22 Fraction of Unrecombined Holes Pour des Rayons X 0 9 m 23 E ll reste d terminer le champ lectrique appliqu Les puces d Actel A54SX72A sont polaris es 3 3V 2 5V L paisseur de l oxyde de grille est de 5 nm 5 10 m Pour la p riph rie E 3 3V 5 10 m 6 6 10 V m 6 6 MV cm Pour le c ur E 2 5V 5 10 m 5 MV cm Pour de tels champs la non recombinaison est d au moins 8096 Cependant si lors du passage du photon ou de la particule ionisante le transistor n est pas polaris les paires ne se s parent pas et la recombinaison est presque complete 5 Le pi geage des charges dans l oxyde La plupart des trous non recombin s se font pi ger pendant leur migration vers l interface de plus bas potentiel Les pi ges font apparaitre des zones charg es actuellement r pertori es en 5 groupes 21 12 Figure 111 10 39 Charges mobiles 10115666 ee Charge pi g e dans oxyde e
169. rors 71 28 E ae 300 P hell 250 400 200 200 Time s 200 2200 4200 ban Ban 10200 12200 14200 16200 15200 20200 R sultat du test de FPGA 8 au point 4 162 500 s Puce 4 T1 D1 F2 45 C 15radis 40MHz E ZEN EE s Ce E E a 83 450 Current mA 2 Rad krad SiO2 800 4 T chip er 400 Read err 75 5 vU See eee protocol a 1 28 EE EE PPS P e D 5555555 m e 35 0 ZEN 10600 20600 30600 40600 50600 0600 OU re 100600 R sultat du test de FPGA 8 au point 5 163 1000 500 Puce 9 I T2 D1 F2 80 C 15radis 40MHz a 4 4 4 5 450 Current mA 2 Rad krad SiQ2 DU G s uer Esc Esa 2 2 dde NL p C e EE Read err 55 See eee Es EEN SEH Mm EELER nnne 1 35 5 BOD AE 1 1 300 500 4 gt 4 ule 1 250 400 EE en E 200 300 4 3 552 1 1 41 150 uA 100 100
170. rsion Suppressor Left 5 de CMS 515 54 Figure IV 4 Disposition des ch ssis dans le Dispersion Suppressor Right 5 de CMS DSK3L 54 Figure IV 5 Section transversale du tunnel utilis e pour calculer la dose sur une coupe longitudinale du tunnel 38 56 Figure IV 6 R sultats de la simulation FLUKA de la dose mise le long d un DS du point 5 1387 56 Figure IV 7 Dose annuelle pour les 4 ch ssis du Dispersion Suppressor Left 1 DSLI 36 esses 57 Figure IV 8 Dose annuelle pour les 4 ch ssis du Dispersion Suppressor Right 1 DSRI 38 57 Figure IV 9 Dose annuelle pour les 4 ch ssis du Dispersion Suppressor Left 5 DSL5 38 58 Figure IV 10 Dose annuelle pour les 4 ch ssis du Dispersion Suppressor Right 5 DSR5 38 58 Figure IV 13 Fluence des hadrons de plus de 20MeV le long des DS 5 38 59 Figure IV 14 Fluence des neutrons de plus de 100keV le long des DS 5 38 _ 59 Figure V I Structure d une cellule de type lt register gt dans un CT 64 POUE BON EE 64 Papure Vioc Reen NCA EE 64 Figure V 4 Configuration probabiliste d avoir 2 SEU sur bit avec un registre de longueur n 65 Figure V 5 Probabilit que se produise un seul SEU sur un bit en fonction de P et de n
171. rticules secondaires cr es dans le bloc En pratique la mesure de l nergie d pos e dans la mati re n cessite l utilisation de capteurs Ceux ci sont dispos s dans et ou autour du bloc de mati re tudi Des notions de dosim trie seront n cessaires pour comprendre la grandeur effectivement mesur e pour quantifier l nergie re ue par la mati re Mati re Figure Ill 1 gerbe de particules provoqu e par un faisceau dans la mati re 1 Notions de dosimetrie Les sources de radiations pr sentent des spectres de raies ou des spectres continus Par exemple dans le cas d une source rayons X il s agit d un spectre de raies Pour les tests avec des protons on utilise un faisceau de particules nergie fixe et le spectre correspond une simple raie Quel que soit le type de spectre le flux nerg tique g n r par la source not s exprime comme une puissance nergie par unit de temps L nergie totale transport e par le faisceau est T W joules 0 Le flux d nergie suivant une direction est donn par Ze Watt steradian dQ Pour un element de surface dS perpendiculaire a la direction du faisceau l clairement s crit 32 db I E si le faisceau est isotrope is Re R tant la distance parcourue par le faisceau depuis son point d origine La fluence est d finie comme l int grale sur le temps des tests de l clairement C est l nergie totale ayant
172. s d calage de 4 bits puis irradi s avec une fluence de protons de 2 6 10 p cm d nergie 70MeV le tout temp rature ambiante 35 Ces tests ont mis en vidence une section efficace lt 1 5 10 cm FF pour la s rie SX A avec une probabilit de 90 Des 545 32 utilis s dans la chambre muon de CMS de la m me s rie que ceux que je teste ont t test s l aide de registres d calage de 450 bits avec des patterns al atoires et une fr quence de 1MHz 16 Les particules utilis es sont des protons de 59MeV donc avec un d p t d nergie similaire ceux de 63MeV que j ai utilis PSI et ce jusqu une dose de 40krad 70krad suivant les FPGA cette nergie 1019 protons cm d posent 1 4krad soit 14Gy dans le circuit int gr Aucune panne fonctionnelle ni latch up n ont t relev s et seul 1 SEU est apparu sur le signal d horloge apr s une fluence 1 4 10 protons cm La section efficace a donc t major e pour un FPGA entier Oseu lt 2 9 10 1 D apres des diff rentes publications il faut s attendre tr s peu de SEE pour mes tests Le principal effet sera l effet de dose d crit pr c demment Les d placements atomiques La derni re cat gorie des effets est prendre un peu part des 2 premi res Les particules radiatives peuvent interagir avec les noyaux atomiques et les d placer de leur site Ces d placements atomiques sont l origine
173. s environ 10 Tesla et n cessiteront un refroidissement l h lium liquide Les capteurs cryog niques d livrent des signaux de faible amplitude de l ordre du millivolt Il s agit de capteurs Cernox pour les temp ratures de capteurs Baumer pour les pressions et de jauges Cryog nics pour mesurer les niveaux d h lium dans des cuves Ces signaux tant faibles ils seront conditionn s et trait s localement sur le lieu de la mesure amplification filtrage calcul de moyenne avant d tre exploit s dans le monitorage et l asservissement de l acc l rateur Electronic component for the system of the LH C standard cell d eft ARC a AUD EL i 1 Electronic component for the system of the LHC standard cell Right ABC E TS Po Jw B E SS B Cuad Free D From i I ORL Figure 1 Disposition des ch ssis crates sous les dip les du LHC Les ch ssis contenant les cartes d acquisition sont dispos s directement sous les dip les Les op rations de filtrage et de calcul de moyenne sont effectu es num riquement par des circuits int gr s CI FPGA A54SX72A d Actel qui seront dispos s sous les aimants Figure 1 1 et Figure l 2 Ces Cl sont des composants COTS commercial off the shelf c est dire pas sp cialement concus pour r sister des radiations L instrumentation n cessitera p
174. s ligne et colonne de d part nombre de lignes et de colonnes d une zone du WS tableau 2D l est n cessaire d avoir un tableau en sortie car un Range peut contenir plusieurs tableaux 2D gr ce notamment ConcatRanges Range Type informe sur le type du Range d entr e cellule simple tableau 1D tableau 2D Multiple Cell Multiple 1D Multiple 2D Dans le cas des Multiple le tableau Areas Array contient plusieurs l ments Cell un seul l ment qui est une cellule 1D Array V un l ment qui est un tbleau 1D vertical 1D Array H un l ment qui est un tbleau 1D horizontal 2D Array un l ment qui est un tableau 2D Multiple Cell plusieurs l ments qui sont des cellules Multiple 1D V indique que les aires ne s tendent que sur 1 dimension verticale S il y a plusieurs tableaux 1D ils sont tous sur une ligne Multiple 1D H indique que les aires ne s tendent que sur 1 dimension horizontale S il y a plusieurs tableaux 1D ils sont tous sur une colonne Multiple 2D indique qu il y a au moins une aire qui s tend horizontalement et une aire Ila m me si tab 2D qui s tend verticalement Les multiples sont utilis s pour savoir ce qu il est permis de tracer en interne du vi des bordures Draw Borders ConcatRanges Ranges Array E Excel Range out error iri e error ou Concat ne des Range d
175. s des registres un deuxi me pour les sorties et le troisi me pour le contr le des communications entre PC et FPGA Le banc de test ainsi r alis est fonctionnel Il sera transport dans les salles d irradiations pour r aliser les tests d crit dans les chapitres suivants 78 19 CHAPITRE VI TESTS SOUS RAYONS X DES CI VERSION FPGA 4 80 R sum du CHAPITRE VI Le programme VHDL dans le de la version FPGA4 est constitu de registres d calage de diff rentes longueurs L acquisition et le contr le sont assur s par un programme LabVIEW Tout le syst me fonctionne la m me fr quence de 1MHz donn e par l horloge de la carte num rique d acquisition de National Instruments en PCI Les patterns donn es binaires envoy es aux registres utilis s ne sont pas al atoires mais ont t choisis pour viter des erreurs qui apparaissent bien que les CI ne soient pas irradi s La probabilit d apparition de ces erreurs un temps donn augmente avec le nombre de registres qui changent d tat C est la raison pour laquelle j ai utilis un pattern 1 front pour lequel une seule entr e de registre change d tat chaque coup d horloge Les tests ont t r alis s de mani re pouvoir y appliquer des plans d exp rience 4 tests aux limites ont t men s pour mod liser le comportement d un en fonction des 2 facteurs temp rature et d bit de dose Le comportement est toujours le m m
176. s internes aux CH 21 a Chart KE 2 C IDD E i EE ad ere OU I T T T 27 EE ee sacs eae T S SU S T 23 ib Modification des proprietes du eege eege ee Eed 23 CEPI S ence a E LE 23 EK n TAM eR 26 DEC nv D 27 Cat gorie 5 Gestion des macros 28 Bi DOEL AT eme dt Re ce de At nee 28 HEEN 28 Cat gorie 6 Manipulation des lt Ranges gt 29 EE 29 IDAiray KEE 29 OR ARE 29 eege Ae 30 ee EE 30 Cat sori 7 S Outils diyepkyu k uy A A u a 31 Count MEN eebe eege 31 uw Dg LM C apa 32 SH EE 32 2 Manip de A REENEN 32 3 Mise en forme et utilisation de Tab Ranges 33 A Les MACEOS n 33 Codes d erreurs et d avertissements 35 m E 35 Sigur opidi fete T 35 INTRODUCTION Cette librairie de vi d velopp e sous LabVIEW 7 1 constitue un
177. s r ponses Y divis e par le nombre d exp riences C est pourquoi tous ses coefficients sont 1 Une fois les effets calcul s on peut les int grer dans l quation polyn miale Y 239424 X 0 5 X 0 I X X Les variables r duites X et X se calculent partir des variables naturelles par une r gle de 3 Figure V 11 40 50 gp 50 i o5 0 Figure V 11 Passage des variables naturelles aux variables r duites Par exemple pour la temp rature X 50 C 50 60 20 0 5 72 L quation polyn miale peut directement se r crire partir des variables naturelles temp rature en C et P puissance en Watts AT Y 239424 T2899 5 2225 6 2 60 P725 20 2 5 20 2 5 Pour v rifier si ce mod le correspond bien au syst me on peut calculer des valeurs interm diaires et les v rifier exp rimentalement Dans le Tableau V 5 on retrouve les 4 carts de temp rature pr c demment mesur s Tableau V 5 R sultats donn s par l quation polyn miale partir des variables r duites indiqu es dans le tableau Quelques tests suppl mentaires ont confirm la lin arit des effets de la temp rature du Cl et de la puissance dissip e Tableau V 6 Tableau V 6 R sultats des tests exp rimentaux Ce mod le est donc utilis lors des irradiations pour valuer la temp rature du Cl en fonction de la temp rature du capteur Pt100 plac en dessous Pour lever le CI une temp rature T i
178. squ une dose de 100kradsio2 avec un d bit de dose de 64 5 rad sios S 29 Sans stress pr alable les circuits ont tenu presque 80krad SiO2 avant que la moiti de leur m moire ne soit d fectueuse Une semaine de stress 150 avant l irradiation n a pas montr de diff rences Avec un stress en temp rature pr alable de 150 et sur une dur e de plus d une semaine 1 68 heures plus ce temps de stress est important et plus le temps de tenue aux radiations est faible pour 802 heures de stress la moiti de la m moire est en panne fonctionnelle au bout de 48krad SiO2 seulement soit 4096 de diff rence avec les tests sans stress La relation existant entre les temp ratures et les temps de stress a t valu e H 1 1 ln 2 Xx d k Par exemple si sait que le circuit fonctionnera T4260 333K pendant une dur e de 6 mois soit t 4320 heures un stress la temp rature T2 150 423K est quivalent a ces 6 mois si l exerce sur une dur e E 1 1 1 c CES 0 06x t 260heures soit un peu moins de 11 jours III A 7 6 Le circuit de pompage La meilleure d marche pour l tude de la TID est de choisir diff rents parametres mesurer A chacun est associ e une sp cification ou tol rance c est dire un intervalle de valeurs en dehors duquel le circuit est dit en panne fonctionnelle Les param tres les plus couramment mesur s sont
179. ssance des ph nom nes au niveau d un transistor est cependant insuffisante pour mod liser le comportement d une puce enti re En effet les effets collat raux de l irradiation bec d oiseau impact sur les circuits d interconnexions ne sont pas quantifiables car je n ai pas une compl te connaissance de toute la structure du Cl D autres publications concernent des circuits logiques entiers 15 16 pour lesquels les 2 effets tudi s sont la dose totale et les v nements singuliers Certains parametres sont tudi s pour connaitre leurs implications dans le dysfonctionnement des circuits comme la fr quence de fonctionnement 17 ou la tension de pompage de charges 18 Ces implications sont d taill es dans le paragraphe III A 7 En r sum dans ce chapitre j ai r alis un mod le num rique simple permettant d illustrer l apparition des v nements SEU C est une approche que j ai choisie pour illustrer la probl matique de mon travail de th se Cependant la mod lisation multi physique qui permettrait de simuler correctement l origine physique de l apparition d un SEU reste en dehors du cadre de travail de ma th se 29 CHAPITRE III EFFETS DES RADIATIONS SUR LES COMPOSANTS MOS 30 R sum du CHAPITRE III Sous l effet des radiations les composants lectroniques peuvent montrer des changements d tats qui sont l origine de dysfonctionnements temporaires ou permanents C est particuli rement le cas des comp
180. ssi bien un SH de type CH qu un objet CH inclus dans un WS Bien qu il n y ait que 5 vi ils sont divis s en 2 groupes J ai fait en sorte que la logique de ces vi suive celle d Excel tout en vitant d avoir des dizaines de vi Il y a 2 mani res de traiter un graphe Soit on passe par l assistant graphique soit on modifie les propri t s des objets du graphe une fois que celui ci est cr Souvent on fait m me les 2 successivement 1 Les 2 premiers vi remplacent l assistant graphique CH Datas CR correspond aux tapes 1 et 2 choix du graphe et des donn es et CH Options ii correspond l tape 3 L tape 4 dans laquelle on choisit l emplacement location a d j t r alis e lors de la cr ation du CH Les 3 autres vi permettent de retoucher les propri t s des objets internes aux CH Zone de graphique ou Chart Area zone de tracage ou Plot Area S rie ou Serie Axe ou Axis Quadrillage ou Gridline Titres ou Titles et L gende ou Legend Le tableau suivant rend compte des propri t s associ es aux objets fone de graphique de tra age L gende tres Axes Guadrllage S ries Motifs Pi P2 P3 P a PBb Pattern T2 mm T3 T4 CH Text Alignment Alignement Scale Echelle CH Scale En partant de ce tableau on peut retrouver la logique avec laquelle j ai structur les 3 vi gis 1 CH Pattern t Wi il s agit de la 1 ligne du tableau
181. stres 128bits un peu avant m me que le courant augmente de nouveau Le retour brutal du fonctionnement sans erreurs est accompagn d une chute de courant de pres de 400mA Point 4 T2 D2 Figure VI 9 Le Cl a t irradi 70 C et jusqu une TID de 1Mrad 10kGy Sur ce test tout a bien t enregistr Figure VI 9 Les rayons X font augmenter le courant de facon exponentielle avec un pic de hauteur 300mA est accompagn de la panne fonctionnelle du Cl une dose de 296krad A cette temp rature avec un d bit de dose plus fort que pour le point 3 le pic de courant est moins important mais le courant de fin d irradiation monte 700mA contre 430mA Le comportement des erreurs est le m me que celui du point 3 90 500 Dose rate 15rad s Total Dose 1Mrad 10kGy goo 3 450 Current mA 900 4 54 Cumulated dose krad 400 T chip C am Read 39 aen Errors 32 95 Errors 128 95 BD ik de lt gt C CC 300 5 2 122272 a ne a n LEE 250 400 o EE EE ie a ae ae 200 SOG Sas s S ass LE 150 SE 100 50 Time s 1200 11200 21200 31200 41200 51200 61200 1200 51200 Figure VI 8 Point 3 T2 70 C D1 15rad sec 500 Dose rate 15 rad s 5 Total Dose 1Mrad 10kGy SEI 450 Current mA Cumulated dose krad i T chip
182. t 1 mm Dans l hypoth se d un TEL constant on aE 1 10 x16 10 216 10 J d pos e par proton dans la masse du circuit La densit du Si est psi 2 3 10 sa surface est Sci 42 et son paisseur e 0 5 mm ce qui donne une masse de silicium Py 5 4 83 10 Kg L nergie lib r e par les protons dans le divis e par la masse du est gal au KERMA qui doit tre voisin de la dose effective Ce calcul est donc une valeur indicative de la dose dont le d bit pour un flux moyen f 4 10 protons cm s est E xfxS ce S pen f a _ 1 6 10 x 4 10 Me 4 83 10 N anmoins on constate que la valeur obtenue est coh rente 5 7 pr s de la valeur indiqu e par la chambre d ionisation faisant partie de l installation PIF VIII B 2 Simulation sur GEANTA Le simulateur GEANT4 consiste en une plateforme permettant de mod liser l ensemble du dispositif exp rimental et de simuler les processus physiques de l interaction du rayonnement avec la mati re 38 La Figure VIII 6 montre le r sultat d une simulation GEANT4 de l nergie d pos e par un proton de 63 MeV en fonction de sa profondeur de p n tration dans du silicium dE dx Dans cette simulation les interactions coulombiennes et les interactions nucl aires sont prises en compte On observe bien que d s son entr e dans la mati re le proton d pose 2 MeV mm puis il communique de plus en plus de son nergie et
183. t de masse exprim e en Gray Un Gray est gal un joule par kilogramme C est un exercice d licat de calculer la dose recue par un l ment de mati re car elle ne correspond pas forc ment l nergie lib r e par les particules radiatives dans cette matiere La dose est l nergie effectivement absorb e par cette matiere Dans le cas de composants fins tels que les circuits CMOS une partie de l nergie lib r e sort de la mati re Les charges pi g es dans les oxydes se lib rent en fonction du temps et de la temp rature en suivant le mod le dit modele de gu rison Le d bit de dose et la temp rature du circuit sont donc des parametres importants dans la mod lisation du comportement du circuit ainsi que pour la quantification des probabilit s d apparition disparition d erreurs dans son fonctionnement Nos circuits sont des FPGA de technologie CMOS Des tests 18 ont d j mis en vidence le lien entre la panne fonctionnelle d un FPGA la diminution d une tension de r f rence du FPGA Vpump due aux radiations D autres tests ont fait ressortir l importance de la fr quence de fonctionnement des FPGA pour une m me temp rature et m me conditions d irradiations Il est utile de distinguer entre un v nement singulier SEU pour Single Event Upset et une panne fonctionnelle temporaire ou permanente Pour caract riser les v nements singuliers que sont les changements d tats logiques caus s par une particule ionisan
184. t la probabilit qu un transistor soit soumis un SEU inversion de la valeur de son drain lt P SEU 95 gt Edit View Project Operate Tools Window Figure 11 18 Face avant du programme de test d un registre d calage sous irradiations Le programme renvoie le nombre total de SEU nb SEU qui se sont produits sur les transistors Parmi ces SEU seule une fraction va conduire une erreur la sortie de la bascule Nb erreurs Le nombre d erreurs est aussi ramen au pourcentage d erreurs erreurs par rapport au nombre de bits envoy s Une barre de progression permet de savoir o en est le d roulement de la situation 25 Pour mieux comprendre comment le nombre d erreurs volue en fonction des diff rents param tres jai r alis un autre programme nomm Test d un registre math matique qui se contente de balayer toutes les possibilit s de SEU en fonction de l tat de la bascule Figure Il 20 Etant donn la tr s faible proportion de doubles SEU attendus voir le paragraphe V A ne pr sente ici que les cas ou un seul transistor peut tre touch n y a donc que 11 cas possibles Les transistors peuvent tre touch s soit avant soit apres le front d horloge ce qui conduit 22 cas diff rents Le dernier param tre qui influence la possibilit d erreurs est le signal d entr e de la bascule lt D gt Il faut distinguer les cas D 0 et D 1 Pour tre sur de ne pas pass
185. t les ch ssis d lectronique a t donn e autour d un des 4 points celui du d tecteur CMS pr cis ment dans les Dispersion Suppressor La dose maximale int gr e est de 1 3 kGy soit 130 krad et la fluence d hadrons s l ve pr s de 10 cm sur les vingt ann es de fonctionnement du LHC apportant un d bit de dose moyen de 2 06 10 rad s Pour connaitre exp rimentalement les effets de dose sur les FPGA d Actel en fonction de la temp rature de fonctionnement et du d bit de dose j ai men des tests avec des rayons X d nergie 10 keV au CERN L irradiation a t r alis e sur des circuits en fonctionnement contenant des registres d calage et maintenus une temp rature fixe Pour tre capable de maintenir la temp rature d un circuit j ai concu un banc de chauffage pour lequel j ai utilis un plan d exp rience pour calculer le plus pr cis ment possible la temp rature du circuit en fonction de 2 facteurs le courant de consommation du FPGA et la puissance fournie la cartouche chauffante plac e sous le FPGA J ai d velopp sous le logiciel LabVIEW un programme permettant de contr ler la boucle de r gulation de la temp rature du circuit En parall le ce programme g re la communication avec le FPGA et les op rations de lecture criture dans les registres d calage ainsi que la sauvegarde des donn es Ces sauvegardes sont r alis es en temps r el dans des fichiers texte en cas de plantage de
186. te on utilise la section efficace o propre au circuit et exprim e en nombre d erreurs cm le transfert d nergie lin ique TEL ou Linear Energy Transfert LET propre au faisceau de particules incidentes et exprim en MeV cm mg Pendant mes tests j ai tudi le comportement des FPGA sous irradiations avec des photons de 10keV avec une source a rayons X au CERN et avec des protons de 63 MeV a PSI Paul Sherrer Institute a Villigen en Suisse 31 III A Le d p t d nergie dans la mati re Les deux interactions coulombienne et hadronique interaction forte sont l origine de la perte d nergie d une particule de haute nergie lors de la travers e de la mati re La quantit d nergie c d e la mati re d pend la fois de l nergie de la particule incidente et de la nature de la mati re travers e En bout de compte l nergie effectivement re ue par un circuit est principalement due aux mouvements de charges lectriques m me si ces derni res ont t cr es par un processus hadronique dans le circuit Pour nos tudes la quantification de l nergie effectivement d pos e dans le silicium par les radiations est cruciale pour pouvoir mod liser les dommages occasionn s A titre d illustration la Figure 111 1 repr sente les traces des particules dans un bloc de silicium Il s agit d un faisceau de protons traces bleues entrant par la gauche les traces d autres couleurs repr sentent les pa
187. tout le syst me puis automatiquement dans des fichiers Excel la fin de chaque exp rience J ai moi m me cr les 38 fonctions pour Excel et je les ai rassembl s dans une biblioth que avec fichier d aide disponible en ligne Ce 135 d veloppement tait n cessaire pour relire les donn es plusieurs centaines de milliers de valeurs par test et automatiser leur traitement Mes donn es sont faible statistique tant donn le nombre limit d exp riences r alisables J ai par cons quent d cid d utiliser la m thode des plans d exp rience Cette m thode permet de tenir compte des deux param tres temp rature et d bit de dose pour mod liser le fonctionnement du circuit dont l arr t est marqu par une panne fonctionnelle soudaine accompagn e d un pic important de courant Les plans d exp rience consistent choisir des valeurs extr mes pour les diff rents facteurs ici la temp rature et le d bit de dose et mettre en quation le comportement d un param tre ici la dur e de fonctionnement dans l espace d fini par ces valeurs extr mes L extrapolation de l quation du plan au d bit de dose attendu dans le LHC 2 06 10 rad s m a permis d valuer une dur e de vie de 44 ans pour le circuit le plus touch par les radiations une temp rature de 706 Ce plan ne prend cependant en compte que le d bit de dose d pos par des photons tandis que les radiations dans le LHC seront compos es de multitudes
188. u 73 lableau V 6 Resultats des Tests experimentQux EE 73 Tableau VI 1 Nombres et longueurs des registres dans le CL 82 Tableau VI 2 Param tres l irradiation pour le d bit de dose faible DI 82 Tableau VI 3 Param tres l irradiation pour le d bit de dose lev D 63 Tableau VI 4 Param tres des plans d exp rience pour FPGA 4 ss 93 Tableau VI 5 Dose cumul e pour les 4 tests des plans d exp rience de FPGA 4 95 Tableau VI 6 Calcul des coefficients de l quation des plans d exp rience pour FPGA 4 93 Tableau 1 Les trots facteurs tudi s pour FPGA D se e ete etc re ono ue renes taces cua vau s ape ee teste ee 102 Tableau VII 2 Param tres des plans d exp rience pour FPGA 8 ss 105 Tableau VII 3 Dose cumul e pour les 8 tests du plan d exp rience de fe 106 Tableau VII 4 Calcul des coefficients de l quation des plans d exp rience de 1 107 Tableau VII 5 Valeurs de At pour les 8 tests du plan d exp rience 109 Tableau VII 6 Valeurs de At pour les 8 tests du plan d exp rience LR 111 Tableau VII 7 Comparaison des temps de panne fonctionnelle en fonction de la tension d alimentation V 115 10 CHAPITRE 1 INTRODUCTION Le futur acc l rateur de particules du CERN LHC utilisera des aimants supraconducteurs pour atteindre des nergies de collision de 14 TeV 14 10 eV dans le centre de masse Ces aimants fourniront des champs magn tiques tr s puissant
189. ue sur une plaque de cuivre qui repose elle m me sur un support en aluminium assurant la solidit m canique de l ensemble moul dans le plastique Nous avons rentr ces diff rentes couches dans SRIM avec les paisseurs pr sent es sur la Figure VIII 9 Le r sultat du calcul est pr sent sur la Figure VIII 10 Elle montre la perte d nergie des protons en fonction de la profondeur dans les diff rentes couches qu ils traversent 127 ER IONIZATION Distribution IONIZATION IONS jg REG OILS Energy Loss eV Angsirom Gave Save Figure VIII 10 Energie d pos e dans les diff rentes couches du FPGA Le faisceau traverse 1 14 mm de polycarbonate en y d posant 1 36 MeV par proton avant d atteindre le silicium Les protons atteignent le cuivre en ayant d pos 1 MeV par proton dans silicium Nous pouvons calculer l nergie moyenne d un proton la sortie du FPGA dans le cuivre il d pose 6 MeV par mm sur 240 um soit 1 5 MeV ensuite il c de 2 3 MeV par mm sur les 400 um d aluminium soit 1 MeV et enfin 1 3 MeV par mm dans 1250 um de polycarbonate soit 1 6 MeV Au total le proton de 63 MeV qui rentre perpendiculairement au FPGA en ressorte avec une nergie moyenne de 56 6 MeV et une dispersion angulaire de l ordre de 5 On constate que m me en incorporant dans le logiciel de calcul les diff rentes couches du circuit l nergie d pos e dans le circuit reste effectivement la m me 196 pr s que les est
190. ujet de these 15 Principe du MOS Les transistors MOS sont la base de l lectronique num rique moderne 2 Ils sont les structures constituantes des op rateurs logiques AND OR NOT NAND qui constituent les FPGA Field Programmable Gate Arrays Il est donc indispensable de connaitre leur fonctionnement pour comprendre leur comportement sous irradiations Le transistor MOS se comporte comme un commutateur command par une tension 0 5V 0 3 3V Il en existe 2 types Le NMOS qui se comporte comme un interrupteur ferm pour une commande logique de niveau 1 tension haute et le PMOS qui se comporte comme un interrupteur ferm pour une commande logique de niveau 0 tension basse Prenons par exemple le NMOS canal N Figure 11 1 2227222222 WEE See pay wera s Ti SR Sei SOU CE Figure 11 1 Sch ma en coupe d un NMOS 1 ll est constitu d un substrat B en silicium Si qui est le support du transistor d une source S et d un drain D qui correspondent aux 2 extr mit s de l interrupteur d une grille G conductrice en silicium polycristallin ou polysilicium Si poly qui joue le r le de la commande d ouverture fermeture Le substrat est faiblement dop positivement P tandis que la source et le drain sont fortement dop s n gativement N Ceci induit des zones de charge d espace ZCE qui isolent S de B et D de B De plus S et B s
191. ussi mes 3 directeurs de th se savoir Michelle PASSARD qui est la seule m avoir courageusement suivi du d but la fin YvesTEISSEYRE qui se souciait autant de mon bien tre que de mon travail et Madjid BOUTEMEUR qui m a assist et motiv pour les derniers mois qui comme tout le monde le sais ne sont pas les plus cool Merci Dragoslav Laza LAZIC d avoir accept de faire partie de mon jury Christine GALEZ pour sa gentillesse et pour avoir t la premi re m appeler docteur Toute ma reconnaissance va la section AT ACR IN du CERN dirig e par Juan CASAS CUBILLOS pour m avoir accueilli pendant plus de 3 ans Le CERN restant mes yeux un lieu de travail exceptionnel tant par les moyens de travail dont on dispose bien que ce soit diff rent d une section l autre que par les gens que j ai pu y rencontrer provenant d un peu partout sur la plan te Encore merci de m avoir donn cette chance Merci entre autres Federico FACCIO pour le pr t de la machine rayons X et pour m avoir expliqu certaines notions de physique et Serge BROBECKER pour ses cours particuliers de VHDL Pour l aide et le soutien sans faille aucune qu il m a prodigu pendant mais aussi avant la th se je remercie G rard GAUTIER et dans le prolongement l ensemble du personnel du laboratoire de Polytech Savoie Annecy cours plan d experience Je remercie particuli rement Lucia DI CIACCIO qui s est d men e pour me
192. x effets pass s cumul s L angle d incidence des particules radiatives est aussi important tant par la diff rence des effets observ s 40 que par la vari t d environnements radiatifs dans lesquels les directions des trajectoires des particules sont isotropes dans l espace les acc l rateurs les centrales nucl aires Le type de particules Ce facteur est d j couramment utilis pour caract riser la sensibilit des circuits aux v nements singuliers Cependant il est tout aussi important de connaitre la diff rence de doses int gr es auxquelles les circuits tombent en panne en fonction de ces particules 137 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 BIBLOGRAPAI Jean Luc Danger Sylvain Guilley Philippe Matherat Yves Mathieu Lirida Naviner Alexis Polti Jean Provost BCI TPSP Electronique num rique int gr e http comelec enst fr tpsp eni poly eni pdf septembre 2005 Henry Mathieu Physique des semiconducteurs et des composants lectroniques Editions DUNOD 5 7 dition 2004 F Azais a B Caillard a P Nouet a and P Salom Caract risation et mode lisation de thyristors parasites en technologie CMOS fortement submicronique V Ferlet Cavrois P Paillet M Gaillardin D Lambert J Baggio J R Schwank G Vizkelethy Shaneyfelt K Hirose E W Blackmore O Faynot C Jahan L Tosti Statistical Analysis of the Charge
193. xiste 7 fonctions P1 P6b qui composent la 1 ligne du tableau suivant 23 Chart Area one de graphique Plot Area Legend Titles Axes Series fone de tra age L gende tres Axes fQuadrillage cries P pa P P5 CH Pattern CH Text CH Scale attern dote ont Police Alignment Alignement vin r 65 TIT e m D gt zy m acatian Emplacement Pattern Chart Area Chart Border ENER Excel Chart Fill Color Shadow SS Re im fs error aut error in Excel Chart out Definit le motif de la zone de graphique est possible de sp cifier la couleur de remlissage lt Fill Color gt blanc par d faut le style de ligne de la bordure Chart Border et l effet d ombre avec Shadow Pattern Plot Area Plot rea Border Excel Chart Fill Color BL Excel Chart aut D finit le motif de la zone de tracage est possible de sp cifier la couleur de remlissage lt Fill Color gt jaune par d faut et le style de ligne de la bordure PlotArea Border Pattern Legend Legend Border o zx Excel Chart Fill Color 7 Wila Shadow error in Excel Chart aut ecc error D finit le motif de la l gende est possible de sp cifier la couleur de remlissage Fill Color blanc par d faut le style de ligne de la bordure

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