اثرات تشعشعات کیهانی بر روی مدارهای مجتمع ماسفت ماهواره

مدارهای مجتمع ماسفت به وفور در قطعات الکترونیکی ماهواره بکار می رود. با توجه به خصوصیات مدار LEO  از جمله کمتر بودن پرتوها و نیز اثرات ناحیه اطلس جنوبی، انواع تشعشعات کیهانی از جمله یون های سنگین، پروتون ها و ذرات باردار خورشیدی و ذرات ثانویه با سازوکار های متفاوتی موجب کاهش بهره مدار، روشن شدن ترانزیستور بدون اعمال ولتاژ خارجی با ایجاد بار مثبت بزرگی در اکسید گیت و از بین بردن عایق های بین پایانه های ترانزیستور می شوند. برای حفاظت از ماسفت ها در کنار استفاده از مدارهای جانبی و ایزوله کردن آن ها، تکنولوژی و فرآیند ساخت آن ها را نیز باید در نظر گرفت. که در میان تکنولوژی های SOS و SOI از اهمیت ویژه ای برخوردارند.

مقدمه

امروزه انواع مدارهای مجتمع ماسفت در مدارهای الکترونیکی ماهواره بکار می رود. نیمه هادی اکسید فلز مکمل (CMOS) که هردو نیمه هادی PMOS و NMOS را روی تراشه اش دارد، در مدارهای دیجیتال از قبیل ریزپردازنده ها و حافظه ها (خصوصاً SRAM) و در مدارهای آنالوگ از قبیل تقویت کننده و در قطعات سیگنال مرکب مانند مبدل های آنالوگ-دیجیتال پیدا می شوند که همه این اجزا عموماً در ماهواره بکار می رود. پرتوهای و ذرات کیهانی با مکانیسم های متفاوتی به این قطعات صدمه می زنند.

انواع اثرات تشعشعات بر ماسفت

با توجه به پدیده های فوق در مدار LEO، اثرات تشعشعات کیهانی بر روی مدارهای مجتمع ماسفت شامل اثرات دز یونش کلی (TID)، اثرات تک رویدادها (SEE)، اثرات غیر یونشی می باشد. [4]

اثرات دز یونش کلی (TID)

در طول دوره معینی از مأموریت های فضایی ماهواره، تشعشعات کیهانی یونیزه کننده خصوصاً الکترون ها و چروتون های به دام افتاده در کمربند ون آلن در قطعات الکترونیکی ماهواره جمع شده و این مجموعه تشعشعات متراکم بعد از مدت کافی که قطعات را تحت تأثیر خود قرار می دهد، با یونیزه کردن قطعات و در نتیجه شکستن یا بازآراستن باندهای اتمی به آن ها آسیب وارد می نماید که مقدار دز جذب شده معمولاً بر حسب راد (rad)[2] اندازه گیری می شود. خلاصه ای از این اثرات در مدار مجتمع ماسفت به شرح زیر است:

·         کمتر شدن خاصیت عایقی بیشتر عایق کننده ها، رابط ها و مواد مدار مجتمع

·         روشن و خاموش شدن ناخواسته ترانزیستور های CMOS

·         کاهش بهره در ترانزیستورهای دوقطبی پیوندی (BJT)

·         تغییر خصوصیات عملیاتی مدار های الکترونیک

تشعشعات متراکم می تواند باعث تغییر خصوصیات عملیاتی مدار های الکترونیک شود مانند بالا بردن توان، شیفت ولتاژ یا دیگر تغییرات در خصوصیات عملیاتی مدار های الکترونیک که نهایتاً باعث نقص قابل توجهی در مدار می شود. تخمین هایی از اثرات تشعشعات کامل متراکم برای عمق های مختلف حفاظت مدار های الکترونیک با اغماض هایی ارائه شده که می تواند برای انتخاب اجزایی که در مجموع قابل اعتماد باشند بکار رود.

شاید قطعه ی موجود در همه میکروالکترونیک های مدرن ترانزیستور MOS باشد که ممکن است به طور تصادفی نسبت به تشعشع حساس باشد. ترانزیستورهای MOS عنصر فعالی می باشد که جریان میان الکترود های سورس و درین را کنترل می کند و در مدارهای دیجیتال به عنوان کلید بکار می رود. به عنوان مثال وقتی ولتاژ کافی به گیت ترانزیستور NMOS اعمال شود، به جریان اجازه جاری شدن داده می شود ولتاژ آستانه، مرز قطع و وصل ترانزیستور را تعیین می کند که به طراحی قطعه و مواد تشکیل دهنده آن ها وابسته است. ولتاژ آستانه معمولاًبین 5/0 تا 5/1 ولت است. اکسید گیت که گیت را از سورس جدا می کند یک ایزوله کننده ی ایده آل ساخته شده از دی اکسید کربن است.

مشکل زمانی آغاز می گردد که قطعات الکترونیک در معرض تشعشعات متراکم قرار می گیرند. سپس ابتدا اکسید گیت با جذب تشعشع یونیزه شده و الکترون های آزاد و حفره ها تحت تأثیر میدان الکتریکی ایجاده شده بوسیله ی ولتاژ گیت انتشار می یابند. این حفره ها والکترون ها بی خطرند اگر آن ها یک انتشار ساده ی خارج از گیت داشتند و بعد ناپدید می شدند. هرچند الکترون ها سیار هستند ولی حفره ها این گونه نیستند و کسر کوچکی از آن ها در اکسید گیت به دام می افتند. با توجه به شکل بالا بعد از انجام تشعشع مؤثر، بار مثبت بزرگی در اکسید گیت ایجاد شده که مانند این است که ولتاژ مثبت به گیت اعمال شده است. که در نتیجه ترانزیستور روشن شده بدون اینکه هیچ ولتاژی خارجی به آن اعمال شود. اگر گیت کنترل شود، جریان سورس درین می تواند طولانی نباشد. [3]

ترانزیستور PMOS یک حالت مشابه اما برعکس NMOS داردیعنی وقتی هیچ ولتاژی اعمال نشود، گیت اجازه ی عبور جریان را می دهد و وقتی ولتاژی اعمالی به مقدار آستانه برسد، ترانزیستور هدایت نمی کند و جریان قطع می شود. بنابراین وقتی تشعشع به مقدار کافی بار مثبت در اکسید گیت به دام می اندازد، ترانزیستور به طور دائمی خاموش می ماند. در گیت منطقی CMOS شامل ترانزیستورNMOS  وPMOS، خروجی بدون تغییر به صورت 1یا 0باقی می ماند و قفل شدن اتفاق می افتد.[3]

بعضی تولیدکنندگان مدار مجتمع، سعی می کنند ترانزیستور هایی با اکسید گیت مقاوم تولید کنند. ترانزیستور های با گیت مقاوم با تکنولوژی خاص مانند SOS بارهای مثبت را به دام نمی اندازند و می توانند تشعشعات متراکم را تا به بزرگی 1 مگا رادیان (rad ) تحمل کنند تا امکان بکار بردن آن ها برای چند سال در سیستم های ماهواره ای فراهم شود. قطعات تجاری فاقد اکسید گیت سخت شده (مانند پردازنده رایانه رومیزی ) ممکن است تنها چند روز تا چند هفته دوام بیاورد.

تکنولوژی در حال حرکت به سمت هر چه کوچکتر شدن قطعات است. اکسید های گیت چنین ترانزیستور های کوچکی خیلی نازک و در حد چند نانو متر است. با نازک ترشدن اکسید گیت روی هم رفته بار مثبت کمتری به دام می اندازد. بنابراین چنین ترانزیستورهای NMOS به طور طبیعی مقاومت تشعشعی بیشتری دارند. [7]

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده، ترانزیستور ها در قطعات CMOS با به اصطلاح ناحیه های میدان ایزوله می شوند. دو مدار متفاوت که نزدیک یکدیگرند بوسیله ی اکسید میدان ضخیم از یکدیگر جدا شده و با یک پوشش فلزی رسانا پوشانده می شوند. همانند اکسید گیت، اکسید میدان می تواند بارهای مثبت را به دام بیاندازد. اگر به قدر کافی بار به دام افتاده باشد، کانال الکترون های هدایتی درسیلیسیم زیر اکسید میدان شکل می گیرد و در نتیجه عایق بین دو مدار با ایجاد این کانال ارتباطی از بین می رود و موجب خرابی مدار می شود. [3]

در ترانزیستور مجزا نیز اثر مشابهی رخ می دهد. بارهای به دام افتاده در اکسید میدان از مسیر نشت در امتداد کناره های موازی به جریان استاندارد ترانزیستور NMOS هدایت می شوند. سیلیسیم در امتداد این لبه ها، یک مسیر هدایتی ناخواسته (غیر عادی) می سازد. در قطعات CMOS مدرن، لبه ی نشتی حالت غالبی است که اثر تشعشعات را محدود می کند. بعد از تابش تشعشعات قوی، ترانزیستور های انباشته به جریان بسیار زیادی نشت می کنند که منبع تغذیه نمی تواند در طولانی مدت بار را تحمل کند. اتلاف قدرت زیاده شده و تراشه آسیب می بیند.

یک یون پر انرژی در مدت زمانی کمتر از یک پیکو ثانیه از مدار مجتمع عبور کرده و در مسیر خود با یونیزه کردن آن، شیاری به اندازه ی  چند دهم میکرون تا چند میکرون از زوج الکترون-حفره ایجاد می کند. مسیر یونیزه شده شامل تعداد برابر الکترون و حفره می باشد که بنابراین از نظر الکتریکی خنثی می باشد. تعداد کل بارها متناسب با انرژی انتقال خطی ذره ی وارد شونده است.

اگر یک تشعشع کیهانی از میان ناحیه درین یک ترانزیستور CMOS عبور کند. یک اتصال به صورت آنی میان لایه استاندارد زمین شده و ترمینال درین (که به طور استاندارد به ولتاژ منبع تغذیه متصل شده) ایجاد می شود. وقتی این اتفاق رخ می دهد یک پالس بسیار کوچک جریان برای لحظه ای جاری می شود. مقدار بار جمع آوری شده از مسیر یون قبل از آنکه پراکنده شود یا با باز ترکیب ناپدید شود، قابل توجه است. هر قطعه یک بار بحرانی معین دارد که اگر از آن تجاوز کند نتیجه اش یک واژگونی تک رویداد (SEU)، سوختن و یا دیگر پدیده های نامطلوب است.

مکانیسم قیف در  MOS

در فرآیند یون پرانرژی القایی، بار جمع آوری شده، پیچیده و سریع است و کاملاً مشهود نیست. بخشی از بار به صورت" قیفی شکل" درآمده، شکل (5)، که اعوجاج حاصل از خصوصیات میدان الکتریکی هر قطعه اجازه می دهد بار بیشتری جمع آوری شود. سپس بطور عادی به حجم ی حساس قطعه منتقل شود. همچنین بارها به دور از لایه ی پیوند درین انتشار می یابند. توانایی قطعات در جمع کردن بار از مسیر یون، حساسیتش را به تشعشعات کیهانی تعیین می کند. [4]

اگر قطعه بزرگ باشد، احتمال دریافت ضربه ی بیشتری نسبت به قطعات  کوچکتر دارد. که روابط آن بوسیله ی ویژگی" سطح متقاطع" به عنوان نسبتی از تک رویداد های واژگونی  به شار ذره روی لایه سطح داده شده محاسبه شده است. در تعیین حساسیت یک قطعه به اثرات تک رویداد، دو پارامتر مهم را باید ملاحضه کرد :

1-آستانه انتقال انرژی خطی(LET)، وقتی واژگونی و اثرات تک رویداد رخ می دهد.

2-سطح متقاطع اشباع(سطح متقاطع در بالاترین مقدار LET ).

مراجع

 

[1] Janet L. Barth, “Space & Atmospheric Environments”, NASA/Goddard Space Flight Center, Flight Electronics Branch/Code 561Flight 561, 14 February 2002.

 

[2] E.G. Stassinopoulos, “Radiation Environment in Space,"IEEE NSPEC Short Course”, July, 1990

 

[3] John Scarpulla and Allyson Yarbrough,” What Could Go Wrong? The Effects of Ionizing Radiation on Space Electronics”, http://www.klabs.org, NASA Office of Logic Design, Summer 2003.

 

[4] an Kenneth Bekkeng, “Radiation effects on space electronics”, University of Oslo -Department of Physics, http://www.uio.no,2011

 

---

[1] - South Atlantic Anomaly

2- دوز جذب شده ( تحت عنوان مجموع دوز  یونیزه کننده  TID) برابر میزان انرژی  جذب شده در واحد جرم  یک ماده توسط پرتو ی یونیزه کننده  که معادل  با ژول در کیلوگرم که در سیستم SI برحسب گری(GRAY) (GY)می باشد. در سیستم   قدیمی CGS  بر حسب واحد راد (rad) radiation absorbed dose  بیان می شود.(یک گری برابر 100 راد است).

[3] - Single Event Effects

[4] -Single Event Soft Upsets

[5] - Single Event latchup

[6] - Single Event transient

[7] - Single Event gate rupture

[8] - Non-Ionizing Energy Loss