Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Tranzystory eGaN trafiają na pokład misji kosmicznych

ghost666 25 Nov 2020 23:08 1602 2
  • Tranzystory eGaN trafiają na pokład misji kosmicznych
    Azotek galu (GaN) kontynuuje swoją misję przejęcia coraz szerszego spektrum aplikacji. Nie wystarczy jego obecność na Ziemi, GaN znajduje także aplikacje w kosmosie w postaci np. tranzystorów mocy. Są one idealnym wyborem dla aplikacji mocy i RF do obsługi misji kosmicznych. Firma EPC Space dopilnowała tego dzięki swoim nowym rozwiązaniom eGaN. Nowe rozwiązania eGaN od EPC Space gwarantują odporność na promieniowanie i SEE (efekty pojedynczego zdarzenia) dzięki urządzeniom zaprojektowanym do krytycznych zastosowań w komercyjnej przestrzeni satelitarnej. Urządzenia te charakteryzują się wyjątkowo wysoką ruchliwością elektronów i niskim współczynnikiem temperaturowym dla i tak już małego RDS(on).

    Bel Lazar, CEO EPC Space, opowiada „EPC Space to spółka joint venture pomiędzy VPT i EPC. VPT jest liderem w dziedzinie konwersji 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, założonego w 2015 roku”.

    Współczesne satelity telekomunikacyjne mają konstrukcję zoptymalizowaną pod kątem umieszczania ich na orbicie. Złożony jest z centralnej części, w której znajduje się większość sprzętu elektronicznego; satelita ma również system napędowy, w którym znajdują się odpowiednie zbiorniki paliwa lub gazu pod ciśnieniem. Dodatkowo, w satelicie, znajdują się kolejne moduły elektroniczne, zależne od roli, jaką ma on pełnić na orbicie.

    Satelity badawcze w najdalszych obszarach doświadczają różnych form formy energii poprzez promieniowanie gamma, neutrony i ciężkie jony, rozpędzone do dużej prędkości. Na orbicie okołoziemskiej także występuje promieniowanie kosmiczne. Składa się ono głównie w 85% z protonów i 15% z ciężkich jąder atomów. Skutki promieniowania mogą prowadzić do degradacji półprzewodników, oraz w konsekwencji przerw i nieciągłości w działaniu urządzenia.

    Bombardowanie to może powodować szereg uszkodzeń półprzewodnika, takich jak np. zniszczenie kryształu. W szczególności może powodować powstawanie poziomów pułapkowych w przerwie energetycznej kryształu lub generować nadmiarową chmurę nośników (par dziur elektronowych), które zaburzają działanie urządzenia poprzez tworzenie zwarć. W urządzeniach eGaN energetyczne cząstki z kosmosu nie mogą wytworzyć chwilowego zwarcia, ponieważ pary elektron-dziury nie współistnieją w materiale.

    Promieniowanie kosmiczne

    Naładowane cząsteczki i promienie gamma powodują jonizację materiału, co może zmienić parametry urządzenia. Zmiany te zależne są od całkowitej dawki jonizującej (TID). Zaabsorbowana dawka jonizująca mierzona jest w Radach, czyli pochłoniętej energii 100 ergów na gram materiału. Czas trwania misji satelitarnych może trwać lata, przez co, elementy mogą zbierać dużą dawkę TID. Niektóre misje kosmiczne wymagają dziesięciu odporności dziesięciu megaradów, czego krzem nie może spełniać. Wymagania dotyczące odporności na promieniowanie determinują projekt elementu elektronicznego od podstaw, tworzony tak, aby wytrzymać działanie promieniowania.

    Tranzystory eGaN trafiają na pokład misji kosmicznych
    Rys.1. Przekrój typowego krzemowego tranzystora MOSFET


    Rysunek 1 to przekrój zwykłego krzemowego tranzystora MOSFET. Jest to urządzenie pionowe, ze źródłem i bramką na górnej powierzchni oraz drenem na dolnej powierzchni. Wejście jest oddzielone od kanału warstwą dwutlenku krzemu. W opartym na krzemie tranzystorze MOSFET, promieniowanie wpływa na elektrony w warstwie tlenkowego izolatora, wyzwalając dodatni ładunek w bramce, co zmniejsza próg napięcia, aż do chwili, gdy tranzystor przejdzie z podstawowego trybu wyłączenia - lub wzmocnienia - do lekko włączonego. Aby osiągnąć taką samą operację, do wyłączenia MOSFET potrzebne jest napięcie ujemne.

    Efekty pojedynczego zdarzenia (SEE) występujące w środowisku kosmicznym, jako skutek promieniowania o wysokiej energii. Zdarzenia takie są nieprzewidywalne i mogą wystąpić w dowolnym momencie podczas misji statku kosmicznego. SEE składa się z kilku zjawisk; efekty przejściowe (lub błędy miękkie), takie jak stany przejściowe pojedynczego zdarzenia (SET), pogorszenie stanu pojedynczego zdarzenia (SEU), efekty katastroficzne, takie jak wypalenie pojedynczego zdarzenia (SEB), pęknięcie bramki (SEGR) i zatrzaśnięcie się elementu logicznego (SEL) . Mechanizm leżący u podstaw każdego z tych zjawisk SEE polega na akumulacji ładunku we wrażliwym obszarze urządzenia po przejściu wysokoenergetycznej cząstki.

    Przebicie bramki podczas pojedynczego zdarzenia jest spowodowane przez wysokoenergetyczny atom wyzwalający tak wysokie, przejściowe pole elektryczne w tlenku bramki, że następuje w nim przebicie, jak pokazano na rysunku 2. Wypalenie lub SEB jest spowodowane tym, że cząstka wysokoenergetyczna przechodzi przez obszar dryfu urządzenia, w którym występują stosunkowo duże pola elektryczne.

    Tranzystory eGaN trafiają na pokład misji kosmicznych
    Rys.2. Pęknięcie bramki z pojedynczym zdarzeniem (SEGR) w tranzystorze MOSFET spowodowane przez atom wysokoenergetyczny, wytwarzający wysokie przejściowe pole elektryczne w tlenku bramki.


    Cząstka wysokoenergetyczna wytraca swoją energię, generując dużą liczbę par elektron-dziura. Te ostatnie powoduje chwilowe zwarcie w urządzeniu, co może doprowadzić do jego uszkodzenia. W niektórych przypadkach może nawet spowodować uszkodzenie innych komponentów, ale w tym przypadku jest mowa o pojedynczym zdarzeniu zakłócającym (SEU). „Dzieje się tak, że kiedy przechodzi przez bramkę i przebija się przez drugą część urządzenia, energia tej cząstki powoduje uszkodzenie kryształu, tworząc ogromną chmurę elektronów i dziur, przez co urządzenie doświadcza chwilowego zwarcia. Nazywa się to zwarciem związanym z pojedynczym zdarzeniem” tłumaczy Alex Lidow, z EPC.

    Tranzystor eGaN

    Urządzenia GaN (eGaN) są zbudowane inaczej niż krzemowe MOSFETy. Wszystkie trzy terminale znajdują się na górnej powierzchni. Podobnie jak w krzemowym tranzystorze polowym, przewodnictwo między źródłem a drenem jest modulowane przez polaryzację elektrody bramki od zera do wartości dodatniej (np. 5 V). Bramka jest oddzielona od kanału poniżej warstwą azotku glinu i galu. Warstwa ta nie gromadzi ładunku, wytwarzanego pod wpływem promieniowania gamma (patrz rysunek 3).

    Tranzystory eGaN trafiają na pokład misji kosmicznych
    Rys.3. Przekrój typowego wzmocnionego urządzenia GaN.


    „GaN z natury jest odporny na promieniowanie dla dużej całkowitej dawki, to jest akumulacji promieniowania przez cały okres eksploatacji urządzenia. Jednak, aby wytrzymać jedno wydarzenie, trzeba zaprojektować elementy inaczej niż typowe urządzenie komercyjne “powiedział Bel Lazar, CEO EPC Space. „W urządzeniach GaN nie mamy tlenku. Więc nie mamy pojedynczego zdarzenia, przebicia bramki. I nie ma dziur, które mogłyby dobrze przewodzić w GaN, więc nie ma jednego wydarzenia zwierającego element” powiedział Alex Lidow, dyrektor generalny w EPC.

    Aby zademonstrować parametry urządzeń eGaN, rodzina tranzystorów eGaN o napięciu pracy 100 V firmy EPC Space, została poddana działaniu promieniowania gamma o dawce 500 kRad. Na czas trwania testu w różnych punktach kontrolnych mierzono prądy upływu od drenu do źródła i bramki do substratu, a także napięcia progowe i rezystancję załączonych kanałów tych elementów, aby potwierdzić, że nie ma znaczących zmian w działaniu urządzenia.

    Lidow wyjaśnił, że jego organizacja opracowała ciekawy test laserowy dla efektów pojedynczego zdarzenia (SEE), w którym możemy symulować cząstkę wysokoenergetyczną za pomocą impulsu lasera, który jest ciasno zogniskowany. „Możemy też usunąć tylną powierzchnię urządzenia i wstrzelić laser przez azotek galu i zobaczyć, które obszary są wrażliwe. Znajomość najsłabszych części urządzeń pozwoliła nam udoskonalić nasze projekty” powiedział.

    Rysunek 4 przedstawia podstawowy mechanizm awarii urządzeń eGaN bombardowanych wysokoenergetycznymi jonami. Warunki są w przybliżeniu maksymalne możliwe, jakie da się uzyskać przy wiązce 85 LET atomów złota na spolaryzowanym urządzeniu.

    Tranzystory eGaN trafiają na pokład misji kosmicznych
    Rys.4. Pierwotny mechanizm awarii urządzeń eGaN bombardowanych ciężkimi jonami.


    Oś pionowa to prąd upływu urządzenia, oś pozioma to liczba ciężkich jonów pochłoniętych przez układ w przeliczeniu na centymetr kwadratowy. Linia przerywana pokazuje prąd upływu między bramką a źródłem, a linia ciągła pokazuje prądu upływu źródła dla trzech eGaN (FBG10N30). Upływ prądu, Ig, nie zmienia się podczas bombardowania, w przeciwieństwie do Upływu ze źródła do drenu, który zwiększa się wraz z czasem prowadzenia bombardowania.

    Ten wzrost prądu upływu ze źródła do drenu jest głównym trybem awarii urządzeń eGaN, bombardowanych silnymi jonami i jest to mechanizm, którego znaczenie udało się zmniejszyć, dzięki testom laserowym. Poza tym GaN przewyższa krzem w odporności na promieniowanie neutronowe, ponieważ ma znacznie wyższą energię progową przemieszczenia w porównaniu z krzemem (patrz rysunek 5).

    Tranzystory eGaN trafiają na pokład misji kosmicznych
    Rys.5. Energia przemieszczenia w porównaniu z odwrotnością stałej sieci dla różnych kryształów.


    GaN może być używany do produkcji urządzeń półprzewodnikowych, takich jak diody i tranzystory. Projektant systemu zasilania może wybrać tranzystor GaNowy zamiast krzemowego ze względu na jego mniejszy rozmiar i wyższą sprawność. Tranzystory GaN również rozpraszają mniej energii w postaci ciepła i oferują wyższą przewodność cieplną w porównaniu z urządzeniami krzemowymi o wyższych wymaganiach dotyczących zarządzania temperaturą. Nowe urządzenia zasilające są również samoistnie utwardzane przed promieniowaniem (radhard) i zapewniają teoretyczną temperaturę złącza do 600°C.

    „W misjach kosmicznych stosowane napięcia są niższe niż większość napięć sieci prądu przemiennego, więc urządzenia na 200 V, a czasem 300 V są najlepsze w aplikacji. A w tym zakresie GaN ma po prostu znacznie wyższą sprawność niż węglik krzemu, więc jest lepszym wyborem. Idąc dalej, azotek galu (...) jest znacznie łatwiejszy do zintegrowania. (…) Inną rzeczą jest to, że węglik krzemu, jeśli jest tranzystorem, zwykle jest tranzystorem z dielektrykiem z tlenku metalu, który nie jest rodzimym tlenkiem, co oznacza jeszcze większe problemy z całkowitą dawką niż dla krzemowych MOSFETów” podsumował Lidow.

    Obciążenia elektryczne satelity mogą się znacznie różnić w zależności od podsystemów i zaimplementowanych funkcji. Ochrona systemu zasilania jest niezbędna, aby zapobiec awariom zasilanych jednostek, które mogłyby spowodować jego degradację, a nawet wyłączenie z eksploatacji.

    Kluczowe obszary, w których można zastosować GaN, to zarówno wzmacniacze RF, jak i konwersja mocy. Tranzystory eGaN FET zapewniają tolerancję na promieniowanie, dużą szybkość przełączania, lepszą sprawność, co prowadzi do mniejszych i lżejszych zasilaczy poprzez zwiększenie częstotliwości, aby umożliwić stosowanie mniejszych cewek. Tranzystory FET są również mniejsze niż analogiczne MOSFETy. Urządzenia eGaN są bardziej wytrzymałe niż tranzystory MOSFET rad-hard, gdy są wystawione na różne formy promieniowania. Sprawność elektryczna i cieplna GaN również doskonale sprawdza się w środowisku kosmicznym.

    Tranzystory eGaN trafiają na pokład misji kosmicznych
    Rys.6. Zdjęcie przetwornicy SGRB10028S firmy VPT korzystające z kosmicznych elementów GaN od EPC i wykres obrazujący zmierzoną sprawność układu.


    Źródło: https://www.eeweb.com/egan-transistor-berths-in-space-mission/

    Cool! Ranking DIY
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    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 wrote 10184 posts with rating 8467, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • TermopastyTermopasty
  • #3
    ghost666
    Translator, editor