"Иммунитет" для электроники от космической радиации

Фото с сайта www.3dnews.ru

Условия космической среды не слишком жалуют электронику искусственных аппаратов. В течение десятилетий в спутниках и кораблях использовалось массивное и дорогостоящее экранирование, чтобы защитить жизненно важные микроэлектронные цепи и элементы от космического излучения. Поэтому исследователи из Института технологий Джорджии (Georgia Institute of Technology) разрабатывают способ "самозащиты" микрочипов от повреждений, вызываемых различными видами радиации. На средства NASA и других спонсоров учёные изучают применение соединения кремния с германием (SiGe) при создании микроэлектронных устройств, имеющих внутреннюю сопротивляемость бомбардировке высокоэнергетическими частицами.

Ключевой фактор работы – определение того, что конкретно происходит внутри компонента в момент попадания частицы, объясняет главный исследователь Джон Д. Кресслер (John D. Cressler). "Космическое излучение может проходить через корабль и электронику, генерируя заряд внутри устройства, который способен вызвать ошибки в системах или даже их полную неработоспособность, - говорит Кресслер. – Есть большая заинтересованность со стороны NASA, Министерства обороны и телекоммуникационных компаний в придании этим системам устойчивости, потому как всё, что летает в космосе, испытывает действие радиации". Кремний-германиевая структура обещает большие перспективы в этом плане. SiGe комбинирует широко используемый в микрочипах материал – кремний – с германием в наномасштабе. В итоге получается решение, обеспечивающее прочность, скорость и гибкость.

Любой космический аппарат сталкивается с двумя типами излучения: ионизирующей радиацией, включающей вездесущие частицы, такие как электроны и протоны с относительно высокими энергиями, но неспособными глубоко проникать; умеренное количество металлических щитов снижает их деструктивный эффект, но увеличивает массу при запуске ракета-носителей; и галактическими космическими лучами, представляющими из себя тяжёлые ионы и другие высокоэнергетические частицы. Против этой угрозы, в сущности, нет защиты. Столкнувшись с разрушительной радиацией, инженеры десятилетиями усиливали схемные решения с помощью техники тройной модульной избыточности. Суть её - в использовании трёх копий каждой цепи, в логике схемы связанных в одну. Если какая-либо копия повреждена радиацией и выдаёт неправильные значения сигналов, логика выбирает совпадающие данные от двух других цепей. "Проблема в том, что это требует втрое больше энергии, пространства и затрат", - сетует Кресслер.

Другая традиционная защитная методика подразумевает специальную технологию производства интегральных схем, "закаляющую" их от разрушения при действии радиации. Но процесс повышает стоимость в 10-50 раз. Поэтому связанная с космосом индустрия жаждет найти способ изготовления устойчивых схем обычными техпроцессами. Экономия в затратах, габаритах и массе очень важна. Кремний-германиевый материал в этом смысле находятся на первой строчке списка перспективных решений благодаря обладанию свойством противостоять многим видам облучения. Однако тяжёлым ионам, представляющим галактические лучи, противопоставить ему пока тоже нечего.

Команда Кресслера изучает внутренние процессы в SiGe во время попадания туда тяжёлых ионов. Используя сложное оборудование, в том числе высокоскоростной осциллограф, исследователи могут зафиксировать детали взаимодействий, длящихся триллионные доли секунды (пикосекунды). Работая совместно с NASA и Военно-морской исследовательской лабораторией (U.S. Naval Research Laboratory), учёный применяет сверхбыстрый лазер, чтобы пустить ток в кремний-германиевый транзистор. Задачей является симуляция эффекта воздействия частицы в космосе. "Когда я облучаю лазером устройство, оно генерирует импульс тока длительностью в пикосекунды, - поясняет Кресслер. – Фиксирование динамики процесса – его изменения во времени и величинах – является важным и многообещающим". В работе также используется настоящая бомбардировка ионами SiGe-схем. С помощью микролуча в Национальной лаборатории корпорации Sandia команда из Института технологий Джорджии может пустить одиночный ион в заданную точку схемы и зарегистрировать результат. Конечная цель – модифицировать устройства из кремния и германия таким образом, чтобы придать им высокое сопротивление практически к любому излучению в космосе без превышения пределов параметров практического применения.

По словам Кресслера, наблюдение за подлинными столкновениями частиц и электронных элементов в реальном времени нельзя недооценивать. Детализированные трёхмерные модели процессов, созданные с помощью сложных техник симуляции, уже разработаны. Но пока данные нельзя сравнить с реальной информацией, уверенности в правильности модели быть не может. Второй шаг – непосредственное производство устройств с "иммунитетом". "Один из вожделенных результатов в этой области заключается в получении достаточной защиты без обращения к любой из затратных технологий, таких как экранирование, закаливание или тройная модульная избыточность, - подчёркивает Кресслер. – И, между прочим, мы приближаемся к этому с SiGe-электроникой".

Информация с сайта www.3dnews.ru со ссылкой на www.physorg.com.

Автор оригинального текста: Денис Борн.