По мотивам Инженерного подкаста узнали о космических лучах и других опасностях, которые поджидают электронику в космосе. Публикуем самое интересное!
Купол Земли
Магнитосфера является основным щитом от радиации на Земле.
Магнитосфера Земли – это заполненная плазмой полость, образующаяся в потоке солнечного ветра при его взаимодействии с геомагнитным полем.
Существуют естественные радиационные пояса Земли, помимо них есть искусственные радиационные пояса Земли. Их происхождение крайне интересно, ведь в космосе источники радиации для электроники – это звезды. Солнце снабжает нас частицами, таким как протон и электрон. Но если мы берем остальные звезды, то от них могут лететь различные компоненты, ядра различных атомов, и от них защищает Землю, конечно, магнитное поле.
Солнечные космические лучи – это компонента радиации, поступающая на Землю от Солнца. Солнечное космическое излучение состоит в основном из протонов, альфа-частиц и более тяжелых ядер. Есть компоненты излучения, обозначающие радиацию далеких звезд, их называют галактическими космическими лучами. Они образуются за пределами Солнечной системы и имеют более разнообразный состав. Также есть гамма-излучение и рентген. Плотность потока этих частиц порядка 1-5 частиц см^2/с. Вблизи Земли плотность потока раз в 10-20 меньше, чем в планетном пространстве за счет магнитосферы.
Солнечно-космическое излучение наблюдается особенно сильно во время вспышки. Это достаточно сложный процесс и длится он приблизительно одни сутки. Солнечные лучи имеют значительно меньше энергии частиц в сравнении с галактическими, но при этом плотность потока у них достаточно большая и превышает иногда на порядок. Оба вида лучей захватываются магнитосферой и формируются естественные радиационные пояса Земли. В них радиационный фон повышен.
Наибольшая опасность для электронной техники в составе портовой космической аппаратуры представляют радиационные пояса Земли. Внутренний радиационный пояс состоит преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ, а внешний радиационный пояс – из электронов с энергией в десятки кэВ. Описанные два пояса очень сильно угрожают электронике.
Поэтому орбиты вращения космической аппаратуры формируют таким образом, чтобы минимизировать воздействие радиационных поясов на электронику, чтобы она наименьшее количество времени в них. Одна из проблем современных межпланетных миссий заключается именно в том, что при удалении от Земли неизбежен пролет радиационных поясов, выводящих электронику из строя. Те же полеты на Марс сильно затрудняются из-за необходимого преодоления этой трудности как у электроники, так и у человека.
Влияние радиации на электронику
Радиация представляет собой ионизирующее излучение. Когда она проходит через микросхему, её энергия передается на создание электронно-дырочных пар. В нормальных условиях вся система стремится к электронейтральности посредством рекомбинации электронов и дырок.
Рекомбинация – процесс исчезновения пары электрон проводимости – дырка в результате перехода электрона из зоны проводимости в валентную зону.
Микросхема состоит из изолирующего диэлектрика (диоксида кремния, SiO2) и полупроводника (кремний, Si). В них присутствует электрическое поле, в нем дырки и электроны могут разделяться из-за противоположно направленного движения, обусловленного разным знаком зарядов. Помимо направления у них также разная подвижность, в изоляторе она может различаться на несколько порядков в сторону электронов (что обусловлено меньшей массой в сравнении с дырками). Поэтому электроны достаточно быстро выносятся в кремнии, в то время как дырки накапливаются в оксиде. Таким образом, со временем при воздействии ионизирующего излучения в микросхеме накапливается положительный заряд. Этот процесс называют дозовым эффектом.
Последствия накопления заряда
Какие будут последствия? Рассмотрим для наиболее распространенного вида: МОП-транзистора. Заряд накопился затворном диэлектрике, который расположен между стоком и истоком. Подавая напряжение на затвор, мы фактически регулируем ширину этого канала и тем самым регулируем ток. У этого напряжения есть пороговое значение, которое определяет параметры затвора транзистора.
Если заряд накопился в достаточном количестве под действием ионизирующего излучения в подзатворном диэлектрике, то из-за электрического поля этого заряда пороговое напряжение в нем изменится. В результате, например, в N-канальном транзисторе (как на рисунке выше) затвор будет приоткрыт. Это будет влиять на работоспособность всей схемы в целом, потому что микросхема равносильна множеству транзисторов, сформированных на одном кристалле. Если транзисторы начинают раньше времени приоткрываться, у них сдвигаются пороговые характеристики, что влияет на функционирование всего прибора в целом.
Однако, в современных технологиях толщина подзатворного диэлектрика достаточно небольшая (единицы нанометров), в ней заряд не успевает накопиться настолько, что порог напряжения сильно изменится и повлияет на работу схемы. В таком случае главную роль играют другие эффекты.
Эффект накопления заряда присущ не только подзатворному диэлектрику, но и другой изоляции, например, боковой, которая разграничивает транзисторы между собой. На границах этой изоляции заряд даже в современных технологиях накапливается. Представим транзистор в микросхеме как транзистор и два расположенных боковых паразитных транзистора. Роль подзатворного диэлектрика там будет играть переходной слой между подзатворным диэлектриком основного транзистора и боковой изоляцией. Пороговое напряжение основного транзистора при облучении меняется мало. А вот в паразитных структурах по бокам порог может изменяться достаточно сильно, создавая каналы, которые затвором уже не управляются. Таким образом, по этим канал образуется ток утечки, который есть практически во всех МОП-транзисторах.
На сегодняшний день помимо дозовых эффектов крайне актуальны одиночные эффекты. Когда в микросхеме транзистор прошивает какая-то частица (протон, нейтрон, какой-то тяжелый элемент, его ядро), могут возникать определенные события. События бывают двух типов: мягкие события (сбой) и жесткие события (отказ). В одном случае происходит пробой подзатворного диэлектрика потоком частиц: возникнет канал между стоком и истоком – жесткий отказ. В мягком сбое есть два основных механизма с точки зрения физики: первичная и вторичная ионизации. В первичной участвуют ядра тяжелее протона, а во вторичной чаще всего протоны и нейтроны. Но откуда берутся нейтроны?
В космосе нейтронов как таковых нет, но в промежуточном пункте в виде атмосферы их достаточно. Они тоже приводят к определенным проблемам, например, структурным повреждениям. Пролетая через микросхему, частица тормозится из-за взаимодействия с кристаллической решеткой и отдает часть энергии на это торможение, другими словами, тратится на ионизацию атомов кремния. Если ионизация происходит вблизи электрического поля, как в микросхеме, то оно может разделить электроны и дырки. Процесс схож с накоплением дозы, но носители заряда на самом деле не могут накапливаться в кремнии, поэтому длительность эффекта сопоставима с пикосекундами.
Читайте другие статьи, по этой теме. Подписывайтесь, чтобы не пропустить продолжение! Следите за нами в Телеграмме, ВКонтакте, на официальном сайте.
#инженерный_подкаст#все_ответы_в_науке_МИФИ#десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки
