تصميم موصلات شبه لتعزيز قدرة الإشعاع في التطبيقات الفضائية

Understanding the Space Radiation Environment

وتُحدث البيئة الفضائية تدفقاً مستمراً من الإشعاع المؤين وغير المؤين الذي يشكل تهديدات شديدة لأجهزة شبه الموصلات، وينشأ هذا الإشعاع من ثلاثة مصادر أولية: الجسيمات المحصورة في أحزمة فان ألين، والظواهر الجسيمية الشمسية الناجمة عن الطوافات الشمسية وحقن الكتلة الكهروانية، والأشعة الكونية المجرية من خارج النظام الشمسي، وتساهم كل مصدر في وجود خليط متنوع من البرونات التراكمة.

وتصنف الآثار الناجمة عن الإشعاع على شبه الموصلات إلى ثلاث آليات رئيسية: الجرعة المؤينة الإجمالية، والأضرار الناجمة عن التشريد، والآثار الوحيدة التي تحدث نتيجة تراكم الطاقة المؤينة، مما يؤدي إلى تحميل ناقلات المواد ذات الصلة بالسلاسل الثابتة والوصلات البينية، مما يؤدي إلى تحول في مواقع التقلبات العتيقة، وزيادة في التسرب التي تحدثها، وانخفاض حركة الناقلات.

ومن الضروري فهم هذه الآثار بدقة لاختيار نُهج التضييق الملائمة، فعلى سبيل المثال، يعتبر تصعيد أجهزة التكديس في أجهزة التكتل التابعة للأجهزة اللاسلكية ذات الطابع الرقمي في المدار المنخفض، بينما يهيمن الإجهاد على الاعتبارات المتعلقة بالذاكرة الحساسة وأجهزة قياس القدرة في الفضاء الخارجي في البعثات العميقة، ويتصل الضرر الناجم عن التشريد بصفة خاصة بأجهزة التصوير الضوئي، مثل أجهزة الاستشعار التابعة لأجهزة الأمن الغذائي المركزية والزنات الشمسية، وبأدوائر الكميائية.

الاستراتيجيات الرئيسية للحد من الإشعاع

مهندسين في مجال اختيار المواد

(أ) تتفاوت درجة تحمُّل المواد شبه الموصلية على نطاق واسع، وتُعرض مادة السائل السائل التقليدي ([FLT]) على كل من الـ TID وتلف الـمُتَخَلَّص، ولكن الخيارات الفرعية المتقدمة يمكن أن تُحسِّن القدرة على الصمود بشكل كبير.

كما أن الطبقة التخريبية التي تُعدّل بملامح الترهيب المراقَبة وكثافة العيوب يمكن أن تزيد من الحد من احتمال وقوع الضرر، مثلاً، فإن استخدام طبقة ضوئية رقيقة على طبقة فرعية مثقفة بكثافة، يقلل إلى أدنى حد من حجم منطقة النضوب، ويحد من الشحنة التي يتم جمعها من ضربات الأيوني، كما أن الطبقة الوبائية المتزايدة على المثباتات ذات التراكمية ذات التراكمية المطابقة المتطابقة المتراكمية تؤدي إلى انخفاض في مواقع الإشعاعية.

Device Geometry and Layout Techniques

In individual transistor layouts are optimized to mitigate both TID and SEE effects. En closed-layout transistors (ELTs:], also known as edgeless or annular-gate MOSFETs, eliminate the little gate oxide regions along the edge where leakage pathco form after TID exposure.

Other layout strategies include interdigitated source-drain structures that distribute current paths and reduce the impact of local displacement damage, and multiple-gate transistors like FinFETs (fin field-effect transistors) which offer reduced sensitive volume and better electrostat

الدائرة والارتقاء على مستوى المنظومة

Beyond [ individual devices, circuit structures and error-mitigation schemes enhance overall system reliable. Triple redundancy (TMR) replicates critical logical three times and vote on the output, so that a single disturb in one path is masked. TMR is standard in rad-hard field-programmGAصفs

(أ) استخدام أجهزة متطورة ومختلطة [(FLT:0]) المنطق الدقيق بدلاً من منطق الفولطية للحد من تأثير متحولات ذاتية، حيث إن التيارات أقل عرضة للشحن بالحقن من العوارض العالية. [FLT:]

السلف في عمليات التكاثر

النمو الإفتراضي ورسم الملامح

(أ) تُستخدم عمليات الاختلاق الحديثة [المُتفجرة] لتحقيق النمو الوبائي الأمثل لخلق طبقات ذات سميك مُسيطر، وتركيز التكثيف، وكثافة العيوب، وتخفض الطبقات الوبائية حجم منطقة النضوب الحساسة، مما يجعل الناقلات أقل احتمالاً في أن تُجمع من خلال ضربة إيونية، أما بالنسبة للأجهزة ذات الجرعات التي تُصنف بدقة في القاعدة وتحسن من حيث الارتفاع مستوى الاستقرار.

Silicon-on-Insulator (SOI) and Silicon-on-Sapphire (SOS)

(أ) تكنولوجيا الفول السوداني (SFI) أصبحت حجر الزاوية في استخدامات الأشعة السيليكية (SB-Hd-As) في الفضاء، وذلك بصنع مترجمين على شريط رقيق من طراز SFIcond) موزعين على الأوكسجين (S.L.O)

تجهيز المواد الكيميائية ذات النطاق التخصصي

وتحتاج أجهزة التكتل الخافتة والغازية للتطبيقات ذات الصلصة إلى مراقبة دقيقة للعيوب الكريستالية ونوعية الوصلات البينية.

اختبار ومؤهلات موصلات راد - هارد

مجموع الجرعة المُعمَّرة

ويقتضي تحديد موقع نصف موصل للفضاء إجراء اختبارات دقيقة وفقاً لمعايير مثل م.م.م.م.م.م.ع.م.م.م.م.م.م.م.م.م.

آثار الاختراع الواحدة (SEE)

أما اختبارات الطاقة المتجددة فيجرية على متسارعات الجسيمات (الزوابع أو المعجلات السامة) التي تولد أيوناً ذات قيم محددة لنقل الطاقة خطياً، ولا تُستخدم الشعاعات الثقيلة مثل كريبتون أو Xenon أو الأرجون التي تُجرى في ظروف حرارة متفاوتة لتكسير أجزاء من الجزء الثاني من المييف/الحد الأقصى.

معايير الصناعة والتصديقات

ويمكن أن تتوافر عدة أسر من العناصر المثبتة من نوع " الراب " من خلال معايير مثل MIL-PRF-38535 (Clas V) بالنسبة لمجموعات الترددات العالية (قائمة المصانع) ذات الموثوقية العالية،

التكنولوجيات الحالية والاقتراحات التجارية

راد - هارد - المتحكمون في الميكروفلورات والمجهزون

(أ) تقدم عدة بائعين مصغرة مجهزة خصيصاً للفضاء، وتحتوي منظومات RAD750، استناداً إلى هيكل محطة كهرباء، على اختيار شائع للقيادة الساتلية ومناولة البيانات، وتُختلق على عملية متوقفة عن استخدام الترددات SBO-FLT، وتُقدر هذه المواد على البقاء على مسافة 200 كيلو متر مربع (SRCi)

Rad-Hard FPGAs and Non-volatile Memory

MFT-promable gate arrays provide flexibility for on-orbit reconfiguration. Microsemi (now Microchip) RTG4 is a flash-based FPGA rated to 100 krad TID and immune to singleevent latch-up.

Rad-Hard Power Electronics with SiC and GaN

() أجهزة التبديل ذات النطاق الواسع هي استبدال أجهزة توليد الطاقة الكهربائية التقليدية (MSFETs) و IGBTs في أجهزة تحويل الطاقة العالية الكفاءة.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

الموازنة بين الأداء والسلطة والتكلفة

ومن التحديات الرئيسية في تطوير الموصلات شبه الحديدية تحقيق أداء عالي دون التضحية بكفاءة الطاقة أو بتكلفتها المتضخمة، إذ أن عقد عمليات السحب (مثلاً، 7 م، 5 نم) يوفر فوائد سريعة وتكاملية، ولكنه يتطلب تدقيقاً في تركيب أكاسيد البوابات الرقيقة وكميات الإمداد المخفضة، ويجب أن تُصعَّب مكتبة الخلايا بأجهزة نقل وأجهزة قياس متطورة، إضافة إلى ذلك.

المواد الجديدة والتكامل المتجانس

وتستكشف البحوث المقبلة diamond semiconductors] for their extreme thermal conductivity and displacement damage resistance, although fabrication of monocrystalline diamonds wafers remains challenging. )

الشحن المتكامل وخدمات الصحة الذاتية

(أ) بدلاً من أن تُشدّد الشريحة، فإن بعض التصميمات التي تُجسّد طبقات الحماية المحلية مباشرة ضمن المجموعة، مثل الدروع المُتَبَعَة أو الدروع الذهبية التي تُعدّ على الديّة أو التدفق المُتَعَدِّد.

تعليم الآلات في تصميم راد - هارد

(ب) استخدام نماذج تعلم الأشعة المأخوذة من بيانات اختبار الإشعاع الواسعة للتنبؤ باستجابة تصميمات جديدة للأجهزة دون تشغيل مكثف مكلف ورحلات معجلة. يمكن أن تؤدي بدائل الشبكة الوطنية إلى تسريع عمليات المحاكاة التي تقوم بها الهيئة الفرعية المعنية بظاهرة اليورانيوم الشديد التخصيب وظاهرة التفريغ، مما يتيح استكشاف الفضاء في المستقبل

خاتمة

ويُعد تصميم الموصلات شبه المصممة لتعزيز القدرة على الأشعة تخصصا هندسيا متعدد الوجوه يولد علوم مادية وفيزياء الأجهزة وتركيب الدوائر واختبار التأهيل، ويُكفل الطلب المتردي على زيادة إنتاج البيانات، وطول مدة عمل الطاقم، ويُقلل استهلاك الطاقة، الابتكار في كل من المكونات التجارية والمخصصة للحيز الجوي، بينما تظل تقنيات الإجهاد التقليدية مثل أساليب التكاثر البرمجية الإلكترونية، والتنويع الإلكتروني،