Современная электроника №2/2020

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 15 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 2 2020 Степень повреждения из-за смеще- ния атомов, вызванного воздействи- ем радиации, зависит от природы излу- чения, а также суммарной накоплен- ной дозы радиации. По сравнению с протонами или нейтронами, воздей- ствие фотонов не приводит к особен- но большим повреждениям из-за сме- щения атомов, так как фотоны имеют не настолько высокую кинетическую энергию. Эффекты ещё одного типа происхо- дят при вспышке излучения. Основным результатом таких выбросов является генерирование большого числа носи- телей в обеднённых областях. Это может привести к «защёлкиванию» устройства. Из этого состояния оно не может восстановиться, пока не будет отключено питание. В случае силовых устройств при воздействии вспышки излучения в фиксированном состо- янии может рассеиваться мощность, достаточная для повреждения устрой- ства. Это может случиться, даже если устройство разработано таким обра- зом, чтобы предотвратить режим «защёлкивания». Проблема заключа- ется в том, что фототок, генерируемый вспышкой излучения, может проте- кать в устройстве с высоким обратным напряжением смещения в выключен- ном состоянии. Рассеяние мощности приведёт к нагреву устройства и воз- можному превышению температур- ного предела. Способность силово- го устройства выдерживать вспышку излучения будет зависеть от использу- емых в схеме силового устройства эле- ментов, таких как число индуктивно- стей, установленных последовательно с устройством, количество конденсато- ров, включённых параллельно устрой- ству, времени восстановления схемы управления и тепловых сопротивлений на участках кристалл–корпус–плата. Высокоэнергетичные частицы, такие как галактические космические лучи (ГКЛ), могут вызывать ряд одиночных эффектов (Single Event Effect, SEE), включая одиночный сбой (Single Event Upset, SEU) и тиристорный эффект – возбуждение паразитных тиристорных полупроводниковых структур (Single Event Latchup). В силовых устройствах основными проблемами являются оди- ночный эффект вторичного пробоя в мощных MOSFET-транзисторах и оди- ночный эффект пробоя подзатворного диэлектрика. Так как эти пробои явля- ются разрушающими отказами, разра- ботчики должны выбирать устройства, которые будут выдерживать воздей- ствие любых ожидаемых высокоэнер- гетичных частиц. Одиночные эффекты воздействия радиации являются критичными для схем, которые управляют силовы- ми устройствами, таких как ШИМ- контроллеры, драйверы затворов или цифровые сигнальные процессоры. Они могут приводить к импульсным помехам в линиях силовой шины или к состояниям, которые вызовут разру- шение силовых устройств, таким как одновременное включение высоко- вольтной и низковольтной частей полу- мостовой схемы. Р АДИАЦИОННЫЕ ОКРУЖАЮЩИЕ СРЕДЫ К счастью, для большей части при- менений разработчик силовых прибо- ров не должен учитывать все эти источ- ники радиации. Однако в околоземном пространстве радиация является глав- ной проблемой для электроники. Это пространство обычно делится на три зоны: низкие круговые, средневысот- ные и геостационарные орбиты. Низкие круговые орбиты исполь- зуются для полётов космических кораблей с космонавтами на борту, таких как Международная космиче- ская станция (МКС) и многие миссии по изучению и исследованию Земли, а также низкоорбитальные космиче- ские аппараты (КА) для связи с под- вижными объектами. Низкие орбиты простираются на высоте до 1000 км, ниже радиационных поясов Ван Алле- на, первый из которых располагает- ся выше 1500 км. Космические аппа- раты (КА) на этой высоте не накапли- вают большую дозу радиации. Однако они являются объектом одиночных эффектов, так как ГКЛ могут прони- кать ниже этих высот. Для работы на низких орбитах должны быть выбра- ны такие силовые полупроводниковые устройства, которые смогут выдержать воздействие ГКЛ при рабочих напря- жениях без возникновения одиноч- ных эффектов SEB или SEGR. Средневысотные орбиты попадают в зону радиационныхпоясовВанАллена, трасса средневысотных спутников про- ходит между первыми вторымпоясами ВанАллена(навысотеот500до15000км). Эти пояса сформированы заряженны- ми частицами, захваченными магнит- ным полем Земли. Внутренний пояс имеет высокие плотности захваченных электронов и протонов, которые могут существенноотражатьсяна требованиях кнакопленнойдозеинеионизирующему радиационному воздействию(результат смещения атомов в полупроводниковом материале из устойчивых положений в кристаллическойрешётке). Так какмаг- нитное поле Землине является простым диполем, расположеннымвцентре Зем- ли, внутреннийпояс ВанАллена прости- рается до низких орбит в зоне, называе- мойЮжнойАтлантическойаномалией. Внешнийрадиационныйпояс ВанАлле- на содержит электроныи сильно дефор- мирован солнечнымветром. Этиэлектро- нывызывают существенные дозовые воз- действия на спутники. В «щелевой» зоне между двумя пояса- ми Ван Аллена уровни радиации ниже, чем в пределах любого из двух поясов. Радиация в этой зоне зависит от сол- нечных вспышек, так как они могут соз- давать временные радиационные поя- са, которые сохраняются в течение зна- чительного времени. Геостационарные орбиты сохра- няют фиксированное положение над экватором Земли. Они используются для КА, которые будут передавать сиг- нал на стационарные антенны, такие как спутники для систем радио- и теле- визионного вещания. Данные орбиты расположены выше радиационных поясов Ван Аллена и выше большей части магнитной экранирующей обо- лочки Земли, что подвергает их пря- мым воздействиям солнечной радиа- ции, включая солнечные вспышки и ГКЛ. Воздействие суммарной дозы не очень высокое. Однако в течение сро- ка активного существования КА будет существовать множество возможно- стей для появления одиночных эффек- тов, вызванных ГКЛ. Существует много других классов космических миссий со специальными требованиями, например, межпланет- ные миссии, где должны быть учтены уникальные окружающие среды око- ло других планет, или эллиптические орбиты (орбиты с большим коэффици- ентом эксцентриситета) вокруг Земли, где КА будут подвергаться воздействию окружающих сред каждой из ранее упо- мянутых зон. Военные системы часто должны быть разработаны таким образом, чтобы выдерживать воздействия ближних ядерных взрывов. Воздействие суммар- ной дозы (дозовые эффекты) от таких взрывов обычно низкое, но выброс гам- ма-лучей способен значительно повре- дить любое электронное оборудование.