Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Tranzystory GaN do zastosowań kosmicznych

ghost666 28 Lip 2020 00:34 582 1
  • Tranzystory GaN do zastosowań kosmicznych
    Rys.1. Przekrój typowego krzemowego
    tranzystora MOSFET.
    Tranzystory mocy GaN są idealnym wyborem do zastosowań związanych z zasilaniem i systemami RF w systemach kosmicznych. Dzięki nowym rozwiązaniom eGaN, firma EPC Space gwarantuje odporność na promieniowanie i SEE (efekty pojedynczego zdarzenia) dzięki urządzeniom zaprojektowanym specjalnie do krytycznych zastosowań w komercyjnej przestrzeni satelitarnej. Urządzenia te charakteryzują się wyjątkowo wysoką ruchliwością elektronów i niskim współczynnikiem temperaturowym przy bardzo niskich wartościach RDS(on).

    „EPC Space jest wspólnym przedsięwzięciem VPT i EPC. VPT jest liderem w dziedzinie przetwornic mocy do zastosowań awionicznych, wojskowych, kosmicznych i przemysłowych, podczas gdy EPC jest liderem w technologii konwersji mocy opartej na GaN. EPC Space jest następcą Freebird Semiconductor, powstałego w 2015 roku” opowiada Bel Lazar, CEO EPC Space.

    Elektronika na pokładzie satelitów na orbicie Ziemi oraz w satelitach badawczych w najdalszych obszarach jest stale narażona na promieniowanie gamma, neutrony i ciężkie jony. Promieniowanie kosmiczne składa się w 85% z protonów i w 15% z ciężkich jąder. Może ono prowadzić do szybkiej degradacji urządzeń półprzewodnikowych, a w konsekwencji do nieciągłości działania urządzenia.

    Promieniowanie kosmiczne

    Naładowane cząsteczki i promienie gamma powodują jonizację, która może zmienić parametry półprzewodnika. Wielkość tych zmian jest szacowana na podstawie całkowitej dawki jonizującej (TID). Zaabsorbowaną dawkę mierzy się w radach, czyli pochłoniętej energii 100 ergów na gram materiału. Czas trwania misji satelitarnych może trwać latami, co przekłada się na kumulację dużej dawki. Niektóre misje kosmiczne wymagają odporności do 10 megaradów, ale krzem nie dostarcza takiej wytrzymałości.

    Rysunek 1 to przekrój typowego krzemowego MOSFETa. Jest to urządzenie pionowe ze źródłem i bramką na górnej powierzchni oraz drenem na dolnej. Bramka jest oddzielona od kanału warstwą dwutlenku krzemu. W takim tranzystorze MOSFET promieniowanie zakłóca elektrony w bazie, wyzwalając dodatni ładunek w bramce, który zmniejsza próg napięcia, aż tranzystor przejdzie ze stanu normalnego wyłączenia do załączonego. Wtedy, aby wyłączyć klucz, konieczne będzie ujemne napięcie.

    Efekty tzw, pojedynczego zdarzenia (SEE) występujące w środowisku kosmicznym z powodu promieniowania o wysokiej energii, są nieprzewidywalne i mogą wystąpić w dowolnym momencie podczas misji. Na SEE składa się kilka zjawisk; efekty przejściowe (lub błędy miękkie), takie jak stany przejściowe pojedynczego zdarzenia (SET), zaburzenie pojedynczego zdarzenia (SEU), efekty katastroficzne, takie jak wypalenie pojedynczego zdarzenia (SEB), przerwanie bramki pojedynczego zdarzenia (SEGR) i zatrzaśnięcie pojedynczego zdarzenia (SEL). Mechanizm leżący u podstaw każdego SEE polega na akumulacji ładunku we wrażliwym obszarze urządzenia po przejściu wysokoenergetycznej cząstki.

    Tranzystory GaN do zastosowań kosmicznych
    Rys.2. Pęknięcie bramki z pojedynczym
    zdarzeniem (SEGR) w tranzystorze
    MOSFET, spowodowane przez atom
    wysokoenergetyczny wytwarzający wysokie,
    przejściowe pole elektryczne w tlenku
    bramki, które uszkadza dielektryk.
    Na przykład pęknięcie bramki spowodowane jest przez atom indukujący tak wysokie, przejściowe pole elektryczne na dielektryku bramki, że ulega on pęknięciu, jak pokazano na rysunku 2. Wypalenie lub SEB jest spowodowane, gdy cząstka wysokoenergetyczna przechodzi przez obszar dryfu urządzenia, w którym występują stosunkowo duże pola elektryczne.

    „Dzieje się tak, że, jeśli cząstka omija bramkę i przebija się przez inną część urządzenia, energia tej cząstki nie tylko powoduje uszkodzenie kryształu, ale także generuje ogromną chmurę wolnych elektronów i dziur, które przewidzą, a robiąc to, urządzenie doświadcza chwilowego zwarcia” tłumaczy Alex Lidow, dyrektor generalny EPC.

    Tranzystory GaN do zastosowań kosmicznych
    Rys.3. Przekrój typowego
    urządzenia eGaN.
    Tranzystor eGaN

    Urządzenia GaN pracujące w trybie wzbogacenia (eGaN) są zbudowane w inny sposób niż krzemowe MOSFETy. Wszystkie trzy terminale znajdują się na górnej powierzchni. Podobnie jak w ranzystorze krzemowym, przewodzenie między źródłem a bramką jest modulowane przez polaryzację bramki od zera do wartości dodatniej. Bramka jest oddzielona od kanału warstwą azotku glinu i galu. Warstwa ta nie gromadzi ładunku pod wpływem promieniowania gamma (patrz [/b]rysunek 3[/b]).

    „GaN z natury jest odporny na promieniowanie o wysokiej dawce (…) przez cały okres eksploatacji urządzenia. Jednak, aby wytrzymać pojedyncze zdarzenie, trzeba zaprojektować urządzenie inaczej niż elementy komercyjne” powiedział Bel Lazar. „W urządzeniach GaN nie mamy tlenku. Więc nie mamy pojedynczego zdarzenia pęknięcia bramy. I nie ma dziur, które mogłyby dobrze przewodzić w GaN, więc nie masz tego problemu” dodaje Alex Lidow.

    Aby zademonstrować działanie urządzeń eGaN, rodzina tranzystorów eGaN 100 V firmy EPC Space została poddana działaniu 500 kRad promieniowania gamma. Na czas trwania testu mierzono prądy upływu od drenu do źródła i od bramki do źródła, a także napięcie progowe i rezystancję kanału urządzeń w różnych punktach kontrolnych, potwierdzając, że nie ma znaczących zmian w działaniu urządzenia.

    „W przypadku efektów pojedynczego zdarzenia opracowaliśmy bardzo interesujący test laserowy, w którym możemy symulować cząstkę wysokoenergetyczną za pomocą zogniskowanego lasera. Możemy też zdjąć tylną powierzchnię urządzenia i wstrzelić laser przez azotek galu i zobaczyć, które obszary są wrażliwe. Znajomość najsłabszych części urządzeń pozwoliła nam udoskonalić nasze projekty ” opowiada Alex Lidow.

    Tranzystory GaN do zastosowań kosmicznych
    Rys.4. Główny mechanizm awarii SEE
    urządzeń eGaN bombardowanych
    ciężkimi jonami.
    Tranzystory GaN do zastosowań kosmicznych
    Rys.5. Energia przemieszczenia
    w porównaniu z odwrotnością
    stałej sieci dla różnych kryształów.
    Ponadto GaN przewyższa krzem w odporności na promieniowanie neutronowe, przemieszczenia atomów w strukturze w porównaniu z krzemem (patrz rysunek 5).

    GaN może być używany do tworzenia urządzeń półprzewodnikowych, takich jak diody i tranzystory. Projektanci zasilaczy mogą wybrać GaN zamiast krzemu ze względu na mniejszy rozmiar i wyższą sprawność urządzeń. Tranzystory GaN rozpraszają mniej energii i oferują wyższą przewodność cieplną w porównaniu z urządzeniami krzemowymi. Nowe elementy zasilające są również bardziej odporne na promieniowanie i zapewniają teoretyczną temperaturę złącza pracy do 600°C.

    „W misjach kosmicznych stosowane napięcia są w rzeczywistości niższe niż większość napięć sieci prądu przemiennego, więc urządzenia 200 V, a czasem 300 V są dostateczne. W tym zakresie GaN ma znacznie wyższą sprawność niż węglik krzemu, więc jest lepszym wyborem. Idąc dalej, azotek galu (…) jest znacznie łatwiejszy do zintegrowania” tłumaczy Alex Lidow. Obciążenia elektryczne w satelicie mogą się znacznie różnić w zależności od podsystemów i wykonywanych funkcji, jednakże ochrona systemów zasilania satelitarnego jest niezbędna, aby zapobiec awariom jednostek, które mogą powodować degradację czy nawet wyłączenie satelity z eksploatacji.

    Tranzystory GaN do zastosowań kosmicznych
    Rys. 6. Zdjęcie przetwornicy SGRB10028S
    firmy VPT zbudowanej przy wykorzystaniu
    urządzeń GaN od EPC Space oraz typowa
    zmierzona sprawność systemu.
    Tranzystory mocy GaN to idealny wybór do zastosowań związanych z przetwarzaniem mocy w kosmosie. Urządzenia eGaN są bardziej wytrzymałe niż wzmocnione krzemowe tranzystory MOSFET, gdy są wystawione na różne formy promieniowania. Sprawność elektryczna i cieplna GaN również wykazała doskonałe działanie w środowisku kosmicznym.

    Źródło: https://www.eetimes.com/gan-transistor-for-space-missions/

    Fajne! Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9872 postów o ocenie 8097, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • #2
    baseemitercollector
    Poziom 16  
    Co to za potwor "zatrzaśnięcie pojedynczego zdarzenia"? Przeciez tutaj nie nie zatrzaskuje sie pojedynczego zdarzenia tylko jest to pojedyncze zdarzenie w ktorym tworzy sie pasozytniczy tyrystor - ktory jest aktywny dopoki uklad jest zasilany. Stad w jezyku ang. jest uzyty latch-up w sensie permanentnego efektu.