Проблемы проектирования передовой электроники для использования в космосе, часть 2

В предыдущей статье мы увидели, что когда частица достаточной энергии попадает на биполярный транзистор, часть этой энергии может поглотиться компонентом, и это может создать нежелательный ток между эмиттером и коллектором. Если этой проблемой пренебречь, могут возникнуть сбои. Это явление называется одиночным импульсом излучения (Single Event Effect, SEE). Конструктор ответственен за то, чтобы плата была стойкой по отношению к этому явлению. Как было сказано в предыдущей статье, я не предполагаю, что читатель является специалистом в области микроэлектроники или физики. Из-за этого мы опустим некоторые подробности, но это небольшая цена за то, чтобы объяснить такой сложный вопрос “на пальцах”.

Что мы собираемся изучить

• Как оценить ток одиночного импульса излучения
• Что такое линейная потеря энергии (LET, Linear Energy Transfer)
• Почему потребительская электроника будет повреждена под воздействием радиации

Что такое линейная потеря энергии

Линейная потеря энергии (Linear Energy Transfer, LET) является конструктивным параметром, который системный инженер должен предоставить инженеру-конструктору. Этот параметр сложно оценить, поскольку он зависит от высот, орбит и т.д. Тем не менее, когда он известен, он обычно предоставляется в начале проекта.

Чтобы понять, что такое линейная потеря энергии, посмотрим на изображение ниже. В качестве примера рассмотрим частицу с высокой энергией, которая попадает на компонент, и взглянем, что может произойти внутри компонента.

Рис. 1. Частица падает на компонент

Когда частица проходит через биполярный (полевой) транзистор, она замедляется и теряет часть кинетической энергии. Часть этой энергии теряется за счет кулоновских сил, часть – за счет радиационных потерь. Таким образом, мы можем записать полную потерю энергии на единицу длины следующим образом:

Рис. 2. Заряженная частица ударяет атом. Часть энергии теряется за счет кулоновских сил, и из атома выбивается электрон.

Первое слагаемое уравнения [1] называется линейной потерей энергии и представляет потерю энергии в материале из-за кулоновских сил. В аэрокосмической отрасли, эта величина определяется относительно плотности материала, поэтому ее единицами измерения являются МэВ∙см²/мг.

Вопрос: “Сколько энергии необходимо для создания электронной дырки?”

Ответ: “Для материала, такого как кремний, лишь 3,6 эВ”.

Учтите, что эта величина отличается для различных материалов: например, для воздуха она равна 34 эВ, для SiO2 – 17 эВ и т.д.

Эта информация нам необходима для расчета тока, создаваемого частицей в компоненте (биполярном или полевом).

Предположим, что мы хотим оценить ток одиночного импульса излучения при известной линейной потере энергии, например 100 МэВ∙см²/мг.

Мы знаем, что для создания иона необходимо 3,6 эВ, поэтому мы можем начать рассчитывать количество созданных ионов: n = LET/3,6.

Поскольку заряд электрона равен q=1,6∙10-19 Кл, то из определения линейной потери энергии мы можем записать:

Здесь δ – это плотность кремния, равная 2300 мг/см³.

Таким образом, из уравнения [2] мы можем записать общий заряд:

Здесь dx – это длина критического пути, для которого мы оцениваем эффект тока одиночного импульса излучения. Например, для биполярного транзистора dx будет расстоянием между эмиттером и коллектором (в полевом транзисторе это будет длина канала).

Хорошо, мы знаем общий заряд, создаваемый в полевом транзисторе, но что насчет тока, создаваемого между коллектором и эмиттером?

Пусть частица в кремнии проходит с релятивистской скоростью (например, на 33% от скорости света), соответственно, зная геометрию транзистора, мы знаем продолжительность импульса dt = dx/(0.33c), где c – это скорость света.

Итак, мы наконец можем рассчитать ток одиночного импульса излучения:

Обратите внимание, что хотя это очень большой ток, он протекает за короткий промежуток времени.

Как интерпретировать уравнение [4]? Как предотвратить разрушение нашей платы?

Для этого есть множество способов. Рассмотрим следующую схему:

Рис. 3. В нормальных условиях ток мал.

Предположим, что транзистор Q1 включен, в то время как Q2 не проводит вовсе. Что произойдет, когда на Q2 попадет частица высокой энергии?

Как мы увидели, чем выше линейная потеря энергии частицы, тем выше будет созданный ток между коллектором и эмиттером в компоненте, на который попала частица.

Если мы сравним рис. 3 и рис. 4, то будет нетрудно понять, что ситуация на рис. 4 может повредить схему. Как избежать этого?

Рис. 4. Большой ток из-за одиночного импульса излучения.

Один из способов избежать повреждения цепи – добавить элемент, который ограничил бы ток от Q1 к Q2. Мы можем сделать это различными путями, самый простой из них – добавить резистор. Чем больше сопротивление, тем меньше максимальный ток, который может пройти. С другой стороны, слишком большое сопротивление повлияет на пропускную способность конструкции.

Что мы узнали?

Мы узнали, что в космосе, когда частица попадает на биполярный (или полевой) транзистор, она может вызвать большой ток.

Мы также узнали, как оценить ток – его амплитуду (уравнение [4]) и длительность. И с инструментами, подобными Spice (в Altium Designer есть отличный имитатор Spice) вы можете определить влияние импульса тока. Мы также увидели, что можно минимизировать влияние этого тока, ограничив его с помощью пассивного элемента, такого как резистор.

Поговорите с экспертом Altium, чтобы узнать больше.