Wpływ promieniowania jonizującego na elektronikę cyfrową w technologii CMOS oraz sposoby jej zabezpieczeń

• Autorzy: Ostrysz Marek , Kołodziej Jakub

Warianty tytułu

EN

The influence of ionizing radiation on digital electronics in CMOS technology and methods of its protection

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wpływ promieniowania jonizującego na elektronikę cyfrową stanowi istotne zagadnienie w kontekście niezawodności i trwałości systemów elektronicznych pracujących w trudnych warunkach radiacyjnych. W artykule omówiono główne źródła promieniowania, jego oddziaływanie na układy elektroniczne oraz strategie ochrony przed skutkami napromieniowania. Przedstawiono trzy podstawowe mechanizmy degradacji: całkowitą dawkę jonizującą (Total Ionizing Dose, TID), uszkodzenia przemieszczeniowe (Displacement Damage, DD) oraz efekty pojedynczych zdarzeń (Single-event effects, SEE). Ponadto, opisano różnorodne metody zabezpieczenia układów scalonych, w tym wykorzystanie technologii odpornych na promieniowanie, modelowanie wpływu promieniowania oraz testy laboratoryjne. Szczególną uwagę poświęcono nowoczesnym rozwiązaniom materiałowym, jak półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej, technologie kompozytowe oraz wykorzystanie druku 3D w projektowaniu osłon fizycznych. Dodatkowo uwzględniono metody monitorowania promieniowania, które umożliwiają precyzyjne śledzenie zmian w poziomie promieniowania w czasie rzeczywistym.

EN

The impact of ionizing radiation on digital electronics is a crucial issue in the context of its reliability and durability in harsh radiation environments. This article discusses the main sources of radiation, its effects on electronic circuits, and strategies for protection against radiation exposure. Three primary degradation mechanisms are presented: total ionizing dose (TID), displacement damage (DD), and single-event effects (SEE). In addition, various methods for securing integrated circuits are described, including radiation-hardened technologies, radiation modeling, and laboratory testing. Particular attention is given to advanced materials such as wide-bandgap semiconductors, composite technologies, and the use of 3D printing in designing physical shields. Additionally, radiation monitoring methods that enable precise real-time tracking of radiation changes are considered.

Słowa kluczowe

PL

promieniowanie jonizujące; CMOS; komplementarny półprzewodnik tlenku metalu; odporność radiacyjna; technologia kompozytowa; druk 3D; system monitorowania

EN

ionizing radiation; CMOS; complementary metal-oxide-semiconductor; radiation hardness; composite technology; 3D printing; monitoring system

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Nukleoniczne
• Czasopismo: Postępy Techniki Jądrowej
• Rocznik: 2025
• Tom: z. 2
• Strony: 5--11
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., fot., rys.

Twórcy

autor

Ostrysz Marek

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Warszawa

autor

Kołodziej Jakub

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Elektroniki, Warszawa

Bibliografia

• [1] M. Bagatin i S. Gerardin, Ionizing Radiation Effects in Electronics. From Memories to Imagers, CRC Press, 2015.
• [2] T. Tietz, „James van Allen and the Weather in Space”, SciHi Blog, 2018.
• [3] L. Dobrzyński, Zarys nukleoniki, Otwock (NCBJ): Wydawnictwo Naukowe PWN, 2017.
• [4] A. R. C. C. C. M. J. R. S. T. A. &. B. H. J. Benedetto, „Radiation-Induced Defects in BJTs on NASA ELDRS Space Experiment”, w 38th Hardened Electronics and Radiation Technology (HEART) Conference, 2022.
• [5] Masayuki Naito, Hisashi Kitamura, Masamune Koike, Hiroki Kusano, Tamon Kusumoto, Yukio Uchihori, Toshiaki Endo, Yusuke Hagiwara, Naoki Kiyono, Hiroaki Kodama, Shinobu Matsuo, Ryo Mikoshiba, Yasuhiro Takami, Masahiro Yamanaka, Hiromichi Akiyama, Wataru Nishimura, Satoshi Kodaira, ”Applicability of composite materials for space radiation shielding of spacecraft”, Life Sciences in Space Research, https://doi.org/10.1016/j. lssr.2021.08.004.
• [6] Toto, Elisa, Lucia Lambertini, Susanna Laurenzi, and Maria Gabriella Santonicola. 2024. “Recent Advances and Challenges in Polymer-Based Materials for Space Radiation Shielding” Polymers 16, no. 3: 382. https://doi. org/10.3390/polym16030382.
• [7] Brounstein Z, Zhao J, Wheat J, Labouriau A. Tuning the 3D Printability and Thermomechanical Properties of Radiation Shields. Polymers (Basel). 2021 Sep 26;13(19):3284. doi: 10.3390/polym13193284.
• [8] Voronka, Nestor. “Versatile Structural Radiation Shielding and Thermal Insulation through Additive Manufacturing”, 2013.
• [9] Patpatiya P, Chaudhary K, Shastri A, Sharma S. A review on polyjet 3D printing of polymers and multi-material structures. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C. 2022;236(14):7899-7926. doi:10.1177/09544062221079506.
• [10] E. Grossman, N. Atar, A. Bolker, B. E. Riggs, T. K. Minton, I. Gouzman, Y. Vidavsky, Space Durable 3D Printed High -Performance Polymers Based on Cyanate Ester/Extended-Bismaleimide. Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2313255. https://doi.org/10.1002/adfm.202313255.
• [11] Woosley, S., Galehdari, N.A., Kelkar, A. et al. Fused deposition modeling 3D printing of boron nitride composites for neutron radiation shielding. Journal of Materials Research 33, 3657–3664 (2018). https://doi.org/10.1557/ jmr.2018.316.
• [12] Jreije, Antonio, Swaroop Kumar Mutyala, Benas Gabrielis Urbonavičius, Aušrinė Šablinskaitė, Neringa Keršienė, Judita Puišo, Živilė Rutkūnienė, and Diana Adlienė. 2023. “Modification of 3D Printable Polymer Filaments for Radiation Shielding Applications” Polymers 15, no. 7: 1700. https://doi.org/10.3390/polym15071700.
• [13] Petrosyants, K.O., Sambursky, L.M., Kharitonov, I.A. et al. Radiation-Induced Fault Simulation of SOI/SOS CMOS LSI’s Using Universal Rad-SPICE MOSFET Model. J Electron Test 33, 37–51 (2017). https://doi.org/10.1007/ s10836-016-5635-8.
• [14] Muhammad Sajid, N.G. Chechenin, Frank Sill Torres, Muhammad Nabeel Hanif, Usman Ali Gulzari, Shakaib Arslan, Ehsan Ullah Khan, Analysis of Total Ionizing Dose effects for highly scaled CMOS devices in Low Earth Orbit, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, https://doi.org/10.1016/j.nimb.2018.05.014.
• [15] Pesic-Brdanin, Tatjana. (2017). Spice modeling of ionizing radiation effects in CMOS devices. Facta universitatis – series: Electronics and Energetics. 30. 161-178. 10.2298/ FUEE1702161P.
• [16] „How does electronics deal with ionizing radiation?”, 7 June 2023. [Online]. Available: http://ncbj.gov.pl/en/aktualnosci/how-doeselectronics-deal-ionizing-radiation.
• [17] „CERN RadiatiOn Monitoring Electronics,” [Online]. Available: https://crome.web.cern.ch/node/25.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025).