Valutazione pionieristica dei transistor GaN nei satelliti geostazionari

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 12886 (2022) Citare questo articolo

1576 accessi

1 Citazioni

7 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

In questo articolo presentiamo i risultati di un esperimento nello spazio durato 6 anni che ha studiato gli effetti delle radiazioni nell’elettronica del nitruro di gallio (GaN) in orbita geostazionaria. Quattro transistor GaN in una configurazione con oscillatore Colpitts sono stati trasportati nel banco di prova della tecnologia dei componenti a bordo del satellite per telecomunicazioni Alphasat. È stata eseguita un'analisi euristica osservando la variazione della potenza in uscita dagli oscillatori con la dose ionizzante totale raccolta durante la missione. La dose ionizzante totale è stata misurata con un transistor a effetto di campo di rilevamento delle radiazioni (RadFET) posizionato vicino ai dispositivi GaN. L’esperimento ha dimostrato che il GaN è una tecnologia robusta che può essere utilizzata nell’ambiente di radiazione spaziale di un’orbita geostazionaria. Il lavoro qui presentato inizia con una breve introduzione dell'argomento, della motivazione e dell'obiettivo principale. Segue la descrizione dell'apparato sperimentale, compresi i dettagli della progettazione e delle simulazioni dell'oscillatore, nonché l'implementazione del banco di prova e del banco di prova della tecnologia dei componenti. Infine vengono discussi i risultati ottenuti durante i 6 anni di esperienza nello spazio.

Nel 2012, un consorzio costituito da EFACEC, Instituto de Telecomunicações, EVOLEO Technologies, Laboratório de Instrumentação e Física Experimental de Partículas (LIP) e l'Istituto Ferdinand Braun (FBH) ha avviato un progetto finanziato dall'Agenzia spaziale europea per sviluppare diversi esperimenti a bordo il satellite per le telecomunicazioni Alphasat. Gli esperimenti facevano parte del Technology Demonstration Payload (TDP-8). Comprendeva un nuovo e promettente tipo di transistor RF per applicazioni spaziali e militari basato sul nitruro di gallio (GaN). L'obiettivo era verificare ed esplorare la possibilità di utilizzare la tecnologia GaN prodotta in Europa nei satelliti geostazionari. Se il GaN funzionasse con successo in condizioni spaziali, i produttori europei di satelliti potrebbero trarre vantaggio dalla disponibilità di transistor di potenza RF e MMIC innovativi e altamente efficienti che funzionano a frequenze più elevate. A lungo termine, potrebbero addirittura sostituire gli attuali TWTA (amplificatori a tubi a onde viaggianti) e altre tecnologie a bordo dei satelliti.

L’esperimento è volato ininterrottamente in orbita dal 2013 al 2019, ed è il primo esperimento di GaN a bordo di satelliti geostazionari in Europa. Fornite prove sulla capacità di questa tecnologia di operare nello spazio e diventare una soluzione praticabile per sostituire la TWTA nelle future missioni satellitari e spaziali (nonostante il loro maggiore consumo intrinseco, consumano energia con la necessità di resistenze di riscaldamento). La robustezza operativa spaziale è stata dimostrata utilizzando i dispositivi GaN in un ambiente di radiazione spaziale operativa reale. Le radiazioni nello spazio rappresentano un pericolo per tutti i sistemi e possono degradare le prestazioni o addirittura interromperne permanentemente il funzionamento. È composto da tre parti: raggi cosmici galattici (GCR), particelle di energia solare (SEP) e particelle intrappolate. L’orbita geostazionaria è altamente esposta a tutti e tre i componenti. Mentre i GCR comprendono un flusso basso e costante di protoni altamente energetici e ioni pesanti che possono causare effetti di evento singolo (SEE), i SEP consistono in un flusso molto ampio di particelle energicamente cariche emesse dal Sole in eventi stocastici che possono fornire un'elevata dose ionizzante totale (TID) in un breve periodo di tempo. La cintura di Van Allan che intrappola queste particelle si estende fino all'orbita geostazionaria, vale a dire sotto forma di una cintura di elettroni esterna con energie fino a ~ 10 MeV, che può penetrare la schermatura dei veicoli spaziali e portare a livelli TID elevati1.

Sebbene gli studi sui danni da radiazioni del GaN siano ancora in una fase iniziale, è noto che il principale meccanismo di degradazione delle radiazioni è causato dal danno da spostamento di protoni ed elettroni e dal burnout da evento singolo (SEB) quando esposto a radiazioni di ioni pesanti2,3,4. La durezza intrinseca dei dispositivi GaN con gating Schottky rispetto al TID deriva dal fatto che i contatti metallo-ossido-semiconduttore (MOS) non sono presenti. Il numero di trappole generate in prossimità dell'elettrodo di porta risulta quindi diminuito. Tali trappole portano a effetti TID sulle prestazioni del dispositivo (aumento delle perdite e spostamento della tensione di soglia)2. Il danno da spostamento si verifica quando una particella incidente collide con il nucleo di un atomo reticolare, trasferendo energia sufficiente per spostarlo. Gli atomi spostati possono formare difetti o trappole stabili, con conseguente diminuzione della mobilità, spostamento della tensione di soglia, diminuzione della transconduttanza e diminuzione della corrente di saturazione del drain3. La SEB si verifica quando una particella incidente passa attraverso una regione di campo elevato nel dispositivo e induce quindi uno stato localizzato di alta corrente, che può portare a un guasto catastrofico del dispositivo. Possono formarsi filamenti elettricamente conduttivi, ad esempio, quando gli ioni pesanti colpiscono le regioni sensibili dei dispositivi, come piastre di campo o condensatori MIM5. Mentre i test sulle radiazioni a terra rappresentano la base per garantire la durezza delle radiazioni dei dispositivi elettronici, l’elevata posta in gioco delle missioni spaziali rende le dimostrazioni di volo una parte fondamentale dello sviluppo tecnologico, soprattutto perché nessuna struttura può riprodurre completamente l’ambiente delle radiazioni spaziali e altre condizioni fisiche. L'esperimento qui presentato mirava a dimostrare l'affidabilità spaziale dei dispositivi GaN nelle condizioni trovate nell'orbita geostazionaria.