단일사건 번아웃: 정격 전압 안에서도 파괴를 확인해야 하는 이유

전력 MOSFET의 정격 전압에는 아직 여유가 있고, 방사선 누적량도 크지 않은데 소자가 영구 고장 났다고 하자. 단일사건 번아웃(SEB)은 이런 상황을 설명할 수 있는 파괴 현상이다. 긴 시간 쌓인 손상을 기다릴 필요 없이, 입자가 만든 국소 전하가 바이어스된 소자 내부에서 큰 전류와 발열을 시작할 수 있다.

입자가 공급하는 에너지와 회로가 공급하는 에너지

실리콘 전력 MOSFET의 한 설명에서는 입자가 생성한 전하가 내부 전위를 바꾸고 기생 바이폴라 경로를 켠다. 이어지는 전류는 공핍 영역과 전계를 바꾸며 파괴로 이어질 수 있다. NASA의 전력소자 강의는 이 경로를 단계별로 제시한다. 같은 강의에서 다이오드에는 다른 기작을 설명하므로, 모든 전력소자의 번아웃을 동일한 바이폴라 경로로 설명해서는 안 된다. NASA의 전력소자 방사선 신뢰성 강의, 23–28쪽

입자는 시작 조건을 만들지만, 이후 가열에 쓰이는 에너지는 전원과 회로의 저장 에너지에서도 나온다. 따라서 입자의 에너지를 소자가 타는 데 필요한 에너지와 일대일로 비교하면 중요한 경로를 놓친다. 사건 중 전류가 어디로 집중되는지, 회로가 그 전류를 얼마나 오래 공급하는지가 함께 필요하다.

이 차이를 가상 커패시터로 살펴보자. 드레인 쪽의 1nF 커패시터가 400V로 충전돼 있다면 저장 에너지는 CV²/2=80µJ다. 같은 커패시터를 800V로 충전하면 320µJ가 된다. 전압이 두 배면 저장 에너지는 네 배다.

이 값 전체가 반드시 칩의 한 지점에서 열로 바뀐다는 뜻은 아니다. 실제 방전 경로와 배선의 임피던스가 필요하다. 또한 에너지가 네 배라고 사건 확률도 네 배가 되는 것은 아니다. 이 계산이 보여 주는 것은 입자가 지나간 뒤에도 회로에 전류를 밀어 넣을 자원이 남아 있다는 사실이다. 연결된 전원이 계속 공급하는 에너지는 여기에 따로 더해질 수 있다.

정격의 여유가 사건 중 여유를 대신하지 않는다

일반적인 항복 전압과 동작 전압을 비교하는 것은 필요하다. 다만 그 비교만으로 입자에 의해 달라진 국소 전계와 전류 분포를 계산할 수는 없다. 소자가 꺼져 있어 정상 전류가 작아도 높은 드레인 전압이 걸려 있을 수 있다. 정상 상태의 소비 전력이 작다는 이유로 사건 중 파괴도 작다고 결론 내릴 수 없는 것이다.

누적 방사선량에 대한 내성이 높다는 결과도 같은 방식으로 읽어야 한다. 일정 선량 이후의 문턱 전압 변화가 작다는 관측과, 특정 바이어스에서 한 입자가 파괴를 일으키는지는 다른 관측이다. 서로 다른 시험 결과를 하나의 ‘방사선에 강함’으로 묶으면 어떤 고장을 확인했는지 흐려진다.

전압을 낮추면 유리할 가능성은 있지만, 특정 비율을 모든 소자에 적용할 수는 없다. 소자 구조와 입자의 종류·에너지·침투 조건을 바꿔도 같은 경계를 갖는지 확인해야 한다. 그 경계를 설명하지 않은 ‘정격의 절반으로 쓰면 안전하다’는 문장은 실제 사용 조건의 근거가 되기 어렵다.

사건이 없었던 시험에서 무엇을 말할 수 있을까

가상의 시험에서 동일한 조건으로 입자를 10⁷개/cm² 조사했고 번아웃이 한 번도 관측되지 않았다고 하자. 사건이 일정한 단면적을 따르는 포아송 과정이고 검출 누락이 없다고 놓으면, 사건 수 0에 대한 단측 95% 상한은 −ln(0.05)/10⁷≈3.0×10⁻⁷cm²다.

이는 측정 단면적이 정확히 0이라는 뜻이 아니다. 사용한 표본과 바이어스·입자 조건에서 이 정도의 통계적 상한을 얻었다는 뜻이다. 다른 온도나 전압의 결과는 새로 확인해야 한다. 전원 보호가 사건을 중간에 끊었다면, 영구 파괴의 검출 여부와 사건 중 전류 관측도 구분해서 기록하는 편이 좋다.

단일사건 번아웃의 판단은 정격표의 숫자 하나로 끝나지 않는다. 국소 전류를 시작한 조건, 그 뒤에 에너지를 공급한 회로, 사건을 검출한 방식까지 연결해야 한다. 그래야 ‘문제가 없었다’는 기록이 어떤 동작 범위를 지지하는지 정확히 읽을 수 있다.