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.

طراحی جدید ترانزیستورهای بسیار سریع با خلأ

دانشمندان دانشگاه پیترزبورگ موفق به ساخت ترانزیستور جدیدی شدند که در آن از خلاء استفاده شده است، این ترانزیستور قادر است الکترون‌ها را صد برابر سریع‌تر از ترانزیستورهای حالت جامد از خود عبور دهد. محققان معتقدند که این فناوری جدید می‌تواند کاربردهای وسیعی داشته باشد زیرا کاملا با راهبردهای فعلی طراحی مدارات الکترونیکی انطباق‌پذیر است.

این گروه تحقیقاتی ترانزیستور اثرمیدان با ولتاژ کم ساخته‌اند که در آن به‌جای قطعات حالت جامد از کانال خلاء نانومقیاس استفاده شده است. این کانال روی زیرلایه نیمه‌هادی اکسید فلزی اچ شده است. اگر این ترانزیستور به حالت بهینه برسد قادر خواهد بود بار را در صد فمتوثانیه عبور دهد که این رقم صد برابر بیشتر از ترانزیستورهای حالت جامد است. لازم به‌ذکر است که سرعت عبور بار از ترانزیستور فاکتور تعیین کننده در سرعت سیستم‌های الکترونیکی است. 

 

ترانزیستورها قلب تمام ادوات الکترونیکی هستند آنها قادرند تا سیگنال‌های الکترونیکی را تقویت یا سوئیچ کنند. در ترانزیستورها اثر میدان از میدان الکتریکی در ماده نیمه‌هادی، نظیر سیلیکون، استفاده می‌شود تا هدایت الکترون کنترل شود. در این ترانزیستورها برای افزایش سرعت حرکت بار در ماده حالت جامد، باید از میدان الکتریکی استفاده شود، برای افزایش سرعت حرکت بار باید این میدان را افزایش داد که این امر موجب پراش الکترون شده و در نهایت کارایی و اثربخشی ترانزیستور را کاهش می‌دهد.

خلاء فضایی است که بارهای الکترونی می‌توانند بدون پراش یافتن از میان آن عبور کنند بنابراین سرعت حرکت الکترون در آن بسیار بالا است. البته برای استفاده از خلاء در ادوات الکترونیکی نیاز به ولتاژ بالا است که این شرایط انطباق‌پذیر با فناوری ترانزیستورهای حالت جامد نیست. در این پروژه محققان طراحی جدیدی از ترانزیستور خلاء ارائه کرده‌اند که بر این مشکل فائق آمده است، در این نوع ترانزیستورها توان کمتری مصرف شده و سرعت بالایی به‌دست می‌آید.

هونگ کو کیم از محققان این پروژه می‌گوید این فناوری جدید قادر است کاربردهای وسیعی داشته باشد. از این ترانزیستور نه تنها در ادوات سرعت بالا و کم مصرف می‌توان استفاده کرد بلکه در ادوات تبدیل انرژی نیز می‌تواند به‌کار رود. مزیت این فناوری آن است که با سیستم‌های الکترونیکی رایج منطبق بوده و می‌توان آن را با هزینه کم تولید کرد. هر چند که این کشف بسیار جالب توجه است اما باید تحقیقات بیشتری درباره آن انجام داد.

تولید لامپ‌هایی که نیاز به برق ندارند

میان کرم‌های شب‌تاب، نانومیله‌ها و لامپ‌های کریسمس چه شباهتی وجود دارد؟

شاید روزی مشتریان بتوانند لامپ‌هایی به رنگ‌های مختلف بخرند که برای روشن شدن نیازی به برق ندارند. محققان دانشکده هنر و علوم دانشگاه Syracuse با استفاده از علم نانو روش جدیدی برای استفاده از نور طبیعی تولید شده توسط کرم‌های شب‌تاب (لومینسانس زیستی) یافته‌اند. با استفاده از نتایج این تحقیق می‌توان سامانه‌هایی تولید کرد که کارایی آنها 20 تا 30 برابر بیشتر از سامانه‌های قبلی است.

مسأله مهم اندازه و ساختار نانومیله‌های کوانتومی خاصی است که توسط متیو مای، استادیار شیمی دانشگاه Syracuse و ربکا الم، دانشجوی دکترای شیمی موسسه مواد زیستی Syracuse تولید شده‌اند.

مای می‌گوید: «ما توانسته‌ایم با دستکاری سطح تماس میان اجزای زیستی و غیرزیستی، روش جدیدی برای بهره‌گیری از زیست‌شناسی در کاربردهای غیرزیستی ارائه دهیم».

کرم‌های شب‌تاب نور را از طریق یک واکنش شیمیایی میان لوسیفرین و آنزیم لوسیفراز تولید می‌‌کنند. در آزمایشگاه مای آنزیم لوسیفراز به سطح نانومیله‌ها اتصال داده شد؛ لوسیفرین که بعداً اضافه می‌شود، نقش سوخت را ایفا می‌کند. انرژی ایجاد شده که حاصل واکنش میان سوخت و آنزیم است، به نانومیله‌ها منتقل شده و موجب روشن شدن آنها می‌گردد. این فرایند، انتقال انرژی ارتعاشی لومینسانس زیستی یا BRET نامیده می‌شود.

مای می‌گوید: «نکته اصلی این کار کاهش فاصله میان آنزیم و سطح نانومیله‌ها و بهینه‌سازی ساختار نانومیله‌هاست. ما روشی برای اتصال مستقیم آنزیم لوسیمراز که به‌روش ژنتیکی تغییر یافته بود، به سطح نانومیله‌ها طراحی کرده‌ایم». 

این نانومیله‌ها از یک پوسته خارجی از جنس سولفید کادمیوم و یک هسته داخلی از جنس سلنید کادمیوم ساخته شده‌اند. هر دوی این مواد نیمه‌رسانا هستند. تغییر اندازه هسته و طول نانومیله، رنگ نور تولید شده را تغییر می‌دهد. در آزمایشگاه مای نورهایی به رنگ سبز، نارنجی و قرمز تولید شدند. کرم‌های شب‌تاب به‌طور معمول رنگ زرد از خود ساطع می‌کنند. این پژوهشگران دریافتند که بهترین نانومیله دارای معماری خاصی به‌نام میله در میله است که نوری در محدوده مادون قرمز نزدیک از خود نشر می‌کند. طول موج نور مادون قرمز بلندتر از نور مرئی بوده و با چشم قابل مشاهده نیست. تابش‌های مادون قرمز برای ابزارهایی چون دوربین‌های دید در شب، تلسکوپ‌ها، دوربین‌های عکاسی و ابزارهای تصویربرداری پزشکی مهم هستند.

جزئیات این کار در مجله Nano Letters منتشر شده است.