Les effets des radiations sur les circuits électroniques

Les circuits intégrés modernes dans des environnements radiatifs différents. Ces derniers sont généralement classés en deux catégories : l’environnement radiatif spatial et l’environnement radiatif atmosphérique.

A. Environnement radiatif spatial
Cet environnement est divisé en quatre milieux principaux de sources de radiations à savoir le rayonnement cosmique, le vent solaire, les éruptions solaires et les ceintures de radiations. Ces environnements émettent des particules énergétiques différentes qui comprennent essentiellement des électrons, des protons et des ions lourds. Les caractéristiques de ces différents milieux sont présentées dans ce qui suit.

1) Le rayonnement cosmique
Les traces du rayonnement cosmique ont été détectées pour la première fois en 1912. L’origine de ce rayonnement, malgré qu’elle ne soit pas tout à fait connue, est supposée provenir des sources galactiques ainsi que d’autres sources extragalactiques. Le rayonnement cosmique est composé essentiellement de 1 % d’ions, qui sont les particules les plus énergétiques et dont leur énergie varie de quelques MeV jusqu’à plusieurs GeV. Les protons représentent 87 % du rayonnement cosmique tandis que les noyaux d’hélium en constituent 12 %.

Les flux du rayonnement cosmique sont influencés par l’activité du soleil. En effet, lors d’un vent solaire, le soleil est en pleine activité, ce qui entraîne une diminution de la densité des particules générées par le rayonnement cosmique dans le système solaire, vu que les flux cosmiques s’opposent au vent solaire.

2) Le vent solaire
Le vent solaire est issu de la couronne solaire; la partie atmosphérique extérieure du soleil. Ce vent émet des flux de plasma remplissant tout le système solaire. Le plasma est formé principalement par des électrons, des protons et noyaux d’hélium. La densité des particules du plasma varie de 10¹² particules/cm3 au niveau du soleil jusqu’à 10 particules/cm3 au niveau de l’orbite terrestre.

Le vent solaire, dans son interaction avec les planètes du système solaire en général et avec la Terre en particulier, crée des cavités magnétosphériques. En effet, la magnétosphère terrestre est une cavité naturelle créée par les interactions du vent solaire avec le champ géomagnétique, afin de protéger la Terre des attaques radiatives spatiales.

3) Les éruptions solaires
Les activités solaires varient d’une façon cyclique, chaque cycle durant en moyenne 11 ans et pendant lequel le soleil passe des années d’activité maximale et des années de calme. Durant un cycle solaire, on distingue deux périodes essentielles; la première est la période de forte activité qui dure en moyenne 7 années et la période de faible activité durant en moyenne 4 années. La période de forte activité est marquée par les éruptions solaires qui se manifestent par la diffusion intensive des particules énergétiques. Selon la nature de ces particules, on distingue deux types d’éruptions solaires:
• les éruptions solaires à protons où les particules émises sont essentiellement des protons. Cette émission de protons dont leur énergie peut atteindre quelques centaines de MeV dure de quelques heures à quelques jours;
• les éruptions solaires à ions lourds, comme le nom l’indique, correspondent à une émission d’ions lourds de durée maximale de quelques heures.

Les effets des radiations sur les circuits électroniques sont habituellement classés en deux catégories principales (Foucard, 2010): les effets de la dose cumulée et les effets dits “singuliers” causés par la collision d’une seule particule dans une zone sensible du circuit. Dans la suite, les deux types d’effets sont détaillés.

Les effets de dose
Les effets de dose cumulée consistent à une accumulation des charges au niveau des oxydes isolants des circuits intégrés. En effet, après que les particules ionisées soient entrées en collision avec le circuit intégré, elles cèdent une partie ou la totalité de leurs charges au circuit. L’accumulation de ces charges a un effet nuisible sur les circuits intégrés, comme par exemple une variation de la tension de seuil d’un transistor. Effectivement, elle peut mener au dysfonctionnement de ces derniers et même à leur destruction (Bocquillon, 2009; Foucard, 2010).

Les évènements singuliers
Les évènements singuliers (single event effect, SEE) (Gaillard, 2011) sont générés par une seule particule entrant en collision avec le circuit. Ces évènements sont classés en deux catégories selon leurs effets sur les composants électroniques, selon que ces effets soient destructifs ou non.