Новаторская оценка GaN-транзисторов в геостационарных спутниках

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 12886 (2022) Цитировать эту статью

1576 Доступов

1 Цитаты

7 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье мы представляем результаты 6-летнего эксперимента в космосе, в ходе которого изучались эффекты радиации в электронике из нитрида галлия (GaN) на геостационарной орбите. Четыре GaN-транзистора в конфигурации генератора Колпитца были испытаны на испытательном стенде технологии компонентов на борту телекоммуникационного спутника Alphasat. Эвристический анализ проводился путем наблюдения за изменением выходной мощности генераторов в зависимости от общей ионизирующей дозы, полученной во время миссии. Общая ионизирующая доза измерялась с помощью полевых транзисторов измерения радиации (RadFET), расположенных рядом с GaN-устройствами. Эксперимент показал, что GaN — это надежная технология, которую можно использовать в условиях космического излучения на геостационарной орбите. Представленная здесь работа начинается с краткого введения предмета, мотивации и основной цели. За этим следует описание экспериментальной установки, включая детали конструкции генератора и моделирования, а также реализацию испытательного стенда и испытательного стенда для технологии компонентов. В заключение обсуждаются результаты, полученные за 6 лет опыта работы в космосе.

В 2012 году консорциум, состоящий из EFACEC, Института телекоммуникаций, EVOLEO Technologies, Laboratorio de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) и Института Фердинанда Брауна (FBH), начал проект, финансируемый Европейским космическим агентством, по разработке нескольких экспериментов на борту. телекоммуникационный спутник Alphasat. Эксперименты были частью программы демонстрации технологий (TDP-8). Он включал в себя новый многообещающий тип ВЧ-транзистора для космического и военного применения на основе нитрида галлия (GaN). Целью было проверить и изучить возможность использования технологии GaN, произведенной в Европе, в геостационарных спутниках. Если GaN успешно работает в космических условиях, европейские производители спутников могут получить выгоду от наличия инновационных и высокоэффективных силовых ВЧ-транзисторов и MMIC, работающих на более высоких частотах. В долгосрочной перспективе они могут даже заменить нынешние TWTA (усилители на лампах бегущей волны) и другие технологии на борту спутников.

Эксперимент непрерывно проводился на орбите с 2013 по 2019 год и является первым экспериментом с GaN на борту геостационарных спутников в Европе. Предоставлены доказательства способности этой технологии работать в космосе и стать жизнеспособным решением для замены TWTA в будущих спутниковых и космических миссиях (несмотря на более высокое собственное потребление, они потребляют энергию, что требует нагревательных резисторов). Надежность космической эксплуатации была продемонстрирована при эксплуатации GaN-устройств в реальной радиационной обстановке космического пространства. Радиация в космосе представляет собой опасность для всех систем, которая может ухудшить производительность или даже навсегда нарушить ее работу. Он состоит из трех частей: галактических космических лучей (ГКЛ), частиц солнечной энергии (СЭП) и захваченных частиц. Геостационарная орбита сильно подвержена воздействию всех трех компонентов. В то время как GCR представляют собой постоянный низкий поток высокоэнергетических протонов и тяжелых ионов, которые могут вызывать эффекты единичных событий (SEE), SEP состоят из очень большого потока энергетически заряженных частиц, испускаемых Солнцем в ходе стохастических событий, которые могут вызвать высокую общую ионизирующую дозу. (TID) за короткий период времени. Пояс Ван Аллана, улавливающий эти частицы, простирается до геостационарной орбиты, а именно в виде внешнего электронного пояса с энергиями до ~ 10 МэВ, который может преодолевать защиту космических аппаратов и приводить к высоким уровням ПИВ1.

Хотя исследования радиационного повреждения GaN все еще находятся на ранней стадии, известно, что основной механизм радиационной деградации вызван смещением протонов и электронов и однократным выгоранием (SEB) при воздействии радиации тяжелых ионов2,3,4. Природная твердость GaN-устройств с вентилем Шоттки по отношению к ПИД обусловлена ​​отсутствием контактов металл-оксид-полупроводник (МОП). Таким образом, количество ловушек, генерируемых вблизи затворного электрода, уменьшается. Такие ловушки приводят к эффекту ПИВ на производительность устройства (увеличение утечки и сдвиг порогового напряжения)2. Повреждение смещением происходит, когда падающая частица сталкивается с ядром атома решетки, передавая достаточно энергии, чтобы сместить ее. Смещенные атомы могут образовывать стабильные дефекты или ловушки, что приводит к снижению подвижности, сдвигу порогового напряжения, уменьшению крутизны и уменьшению тока насыщения стока3. SEB возникает, когда падающая частица проходит через область сильного поля в устройстве и, таким образом, вызывает локализованное сильноточное состояние, которое может привести к катастрофическому выходу устройства из строя. Электропроводящие нити могут возникать, например, когда тяжелые ионы проходят через чувствительные области устройства, такие как полевые пластины или конденсаторы MIM5. Хотя наземные радиационные испытания являются основой обеспечения радиационной стойкости электронных устройств, высокие ставки космических полетов делают летные демонстрации важной частью развития технологий, особенно потому, что ни одно оборудование не может полностью воспроизвести космическую радиационную среду и другие физические условия. Представленный здесь эксперимент был направлен на демонстрацию надежности космических устройств GaN в условиях геостационарной орбиты.