抗輻射硅:仍然是空間電子的基準

性能、可靠性和飛行傳統(tǒng)通常是空間應用電子產(chǎn)品的主要關注點。根據(jù)任務的壽命和概況，設計人員可能會考慮在某些情況下使用商用現(xiàn)貨 (COTS) 部件。但 COTS 電子產(chǎn)品與抗輻射（抗輻射）設備有很大不同。Si MOSFET 等抗輻射組件經(jīng)過設計、測試和驗證，可在最惡劣的工作條件下運行，例如在太空中長時間暴露于輻射下。

從設計的角度來看，重要的是要權衡在高可靠性空間應用中使用抗輻射硅 MOSFET 與基于替代材料（如 GaN HEMT 功率器件）的 COTS 器件的獨特考慮。在本文中，我們將著眼于電路設計的不同方面，以更好地了解選擇其中一個方面的權衡。

COTS 與否？

隨著當今航天工業(yè)商業(yè)化程度的提高，設計師在平衡性能、項目成本、任務概況和風險方面面臨更多挑戰(zhàn)。即使對于傳統(tǒng)的太空政府和公共部門參與者也是如此。數(shù)百家初創(chuàng)公司、大學研究人員甚至普通公民現(xiàn)在都在建造和發(fā)射預算衛(wèi)星，例如流行的 CubeSat 設計。這些新的太空任務通常以低地球軌道 (LEO) 為目標，任務長度為數(shù)月而不是數(shù)年，它們傾向于使用耐輻射或符合汽車標準的 COTS 電子設備來節(jié)省成本或研究新技術。

汽車級和 COTS 電子產(chǎn)品的成本要低得多，滿足工業(yè)應用的可靠性標準和性能基準，但在設計時并未考慮到輻射穩(wěn)健性。雖然某些 COTS 零件可能顯示出固有的輻射耐受性，但它們的設計可能具有或可能不具有與抗輻射組件相同程度的輻射魯棒性。

使用 COTS 電子產(chǎn)品會帶來許多未知因素，例如晶圓批次之間的部分同質性和一致性以及部分可追溯性。為了提高空間應用的置信度，此類設備可能會在使用前以額外費用進行進一步的測試，稱為向上篩選。這也延伸到寬帶隙器件的使用，例如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 晶體管。但是，即使進行了向上篩選，也無法保證。測試結果可能會有所不同，即使來自同一制造商?；蛘?COTS 部件可能無法按需要運行并在輻射條件下存活。所有這些都給項目增加了更多風險。

抗輻射電子設備提供對單個晶圓批次的可追溯性，因此在進行破壞性物理分析或其他篩選時，空間設計師可以對部件的均勻性和長期性能充滿信心，包括空間中的輻射和可靠性。較短、高冗余、次年的任務和探索新技術的 LEO 衛(wèi)星肯定會從使用 COTS 組件中受益。然而，對于“重大故障風險”是不可接受的長期任務，高可靠性電子設備的基準仍然是抗輻射硅。

圖 1：抗輻射硅 MOSFET 是需要高可靠性的長期太空任務的最佳選擇。

太空輻射挑戰(zhàn)

輻射在太空中無處不在，并且會對沒有緩解措施的電子設備產(chǎn)生負面影響。空間輻射可以通過兩種主要方式影響功能。與管芯氧化層相互作用的輻射會導致長期的、累積的損害，指定為總電離劑量。第二個影響是可能導致可恢復的單事件瞬態(tài)和災難性故障的單事件效應。當施加高電壓時，撞擊柵極區(qū)域的快速、重粒子會在柵極氧化物上產(chǎn)生高瞬態(tài)電場，從而導致其破裂。這被稱為單事件門破裂。漂移區(qū)中的類似事件也可能導致源極和漏極之間的短路。最好的情況是它只是暫時的無損短路。在最壞的情況下，

使用抗輻射電子設備可以防止這種故障機制。例如，抗輻射硅 MOSFET 最初是在 1980 年代引入的，使用設計和制造技術來降低對輻射暴露的敏感性。多年來，更強大的設計、制造技術、篩選和認證已經(jīng)發(fā)展到幾乎確保無故障的輻射性能。

最終，是否使用抗輻射電子產(chǎn)品或 COTS 電子產(chǎn)品取決于幾個因素——任務概況、性能參數(shù)、功能關鍵性、成本等等。在某些情況下，犧牲可靠性和抗輻射性可能是可以接受的風險，以幫助滿足預算限制或在冗余或不太關鍵的系統(tǒng)中測試新技術。但是，當優(yōu)先考慮可靠性時，例如對于高度關鍵的功能或長期、深空或行星際任務，抗輻射硅是明確的選擇。

簡化升級是關鍵

在這個充滿挑戰(zhàn)的環(huán)境中，重復使用經(jīng)過驗證的技術是任務可靠性的關鍵。使用經(jīng)過飛行驗證的設計可保持已證明的可靠性和對長期成功機會的期望。電路板布局和電路優(yōu)化是一項主要的設計、測試和評估投資，尤其是對于高可靠性應用。例如，在花費大量精力優(yōu)化降壓轉換器的走線寄生參數(shù)（圖 2）之后，升級到更先進的下一代 Si MOSFET 比使用 GaN 等不同技術開始全新設計要簡單得多。IR HiRel 的 R9 等新的封裝兼容、更高效的 Si MOSFET 可以立即投入使用，以立即提高性能，而設計論證和重新認證所需的工作量要少得多。

圖 2：經(jīng)過飛行驗證的設計（例如此降壓轉換器）需要大量時間來優(yōu)化高可靠性空間應用的柵極驅動電路和電路板布局。繼續(xù)使用 Si，而??不是重新設計 SiC 或 GaN，可以加快設計和重新認證過程。

抗輻射硅 MOSFET 支持更高的柵極額定值（±20 V 與 GaN –5 V 至 6 V）并具有 30 至 200 ns 的上升時間（而 GaN 的上升時間小于 5 ns），使其不易受電路寄生效應的影響。降低柵極-源極電壓靈敏度可能是 GaN 的一個問題，促使進行耗時的設計迭代以優(yōu)化電路板布局。相比之下，Si MOSFET 在布局方面相對寬容，因此更容易設計能夠承受由寄生電感引起的電壓過沖的電路。最新一代的硅器件還顯示出與芯片和封裝相關的寄生效應有所改善，從而實現(xiàn)更高性能的電路和效率提升，而無需在使用 GaN 時進行重大風險權衡。

對于高開關頻率應用，GaN 的小于 5ns 的小上升時間可能足以勝過其對寄生效應的敏感性。然而，使用具有極小的上升/下降時間的開關確實需要花費更多的設計、測試和評估時間來優(yōu)化電路板布局和謹慎的組件選擇，同時還需要減少寄生效應（表 1）。

表 1：電路板布局上升/下降時間的權衡

對于需要線性模式操作的應用，例如線性穩(wěn)壓器的通路元件、短路保護和熱插拔/軟啟動，Si MOSFET 仍然是更優(yōu)越、更堅固的選擇。在存在漏源電壓的情況下工作時，有必要考慮安全工作區(qū) (SOA) 特性。IR HiRel 的 100-V R9 MOSFET 等器件可以在 25?C 的情況下在 50 V 和 20 A 的條件下工作 100 μs。相比之下，具有相似電壓和電流額定值的 GaN 晶體管表現(xiàn)更差，在相同條件下工作在 10 μs 邊界的邊緣（圖 3 中的綠色圓圈）。

圖 3：100V 器件的 SOA 比較：R9 MOSFET（左）和 eGaN HEMT（右）

對于負載開關或高側開關應用，P 溝道 Si MOSFET 是一種出色、簡單且可靠的選擇。由于柵極電壓加上開啟器件的閾值電壓低于輸入電壓，因此與 N 溝道 FET（無論是 Si 還是 GaN）相比，該應用中的驅動器電路非常簡單且具有成本效益。這也有利于空間非常寶貴的應用，例如非隔離負載點和低壓驅動器。應該注意的是，由于與 Si 替代品相比性能較差，目前沒有商用的 P 溝道 GaN 空間選項。雖然理論上可行，但 P 溝道 GaN 器件不容易制造具有低電阻率和晶體缺陷密度。

由于較低的熱阻抗 ?jc，Si MOSFET 在受到脈沖功率時也顯示出較小的結溫升高。與 eGaN HEMT 相比，差異可高達 25%。

由輻射或電池/負載問題引起的瞬變通常會導致開關立即接合/斷開以保護電路。任何串聯(lián)電感都可能產(chǎn)生 di/dt 感應電壓尖峰，如果超過用作自鉗位的特定擊穿電壓（圖 4），則會導致雪崩電流流動。如果不超過開關結溫，堅固的新一代 Si MOSFET 可以恢復，在這種條件下恢復正常工作。

雖然有商業(yè) GaN 部件列出了超出其絕對最大額定值的更高允許的漏源電壓，但目前還沒有一種抗輻射。由于 GaN 中沒有這種自鉗位，漏源電壓持續(xù)增加超過額定值可能會導致使用壽命縮短或災難性破壞，從而使抗輻射硅成為更堅固的選擇。值得注意的是，高達 650 V 的抗輻射硅 MOSFET，例如英飛凌最新的通過 ESA 認證的 PowerMOS 器件，現(xiàn)已上市。

圖 4：IR HiRel 的抗輻射 R9 Si MOSFET 旨在承受更高水平的雪崩能量，如此處的反激式轉換器設計所示。

抗輻射硅 MOSFET

IR HiRel 的抗輻射 R9 MOSFET 系列是最新一代的 Si 器件，專門針對需要高可靠性、穩(wěn)健性和可追溯性的太空級電子設備挑戰(zhàn)而設計。一個簡單的插入式替換可以重復使用已建立的、經(jīng)過飛行驗證的設計，以最小的努力提高系統(tǒng)效率，并降低高通量衛(wèi)星的每比特成本。設計人員受益于 R9 與各種柵極驅動器的兼容性、對寄生效應的敏感性更低、更高的電流能力以及在線性模式操作中比替代技術更好的 SOA。與上一代抗輻射 MOSFET 相比，這些硅器件還為空間應用設計人員提供了直接的性能和封裝改進，同時保持了既定和預期的可追溯性和可靠性水平。

R9 MOSFET 符合 MIL-PRF-19500 JANS 標準并直接發(fā)布到 DLA 的合格零件清單 (QPL)，提供多種封裝選項，包括新的 SupIR-SMD（圖 5）。SupIR-SMD 顯著改善了電路板和封裝之間焊點的熱應力。1目前沒有符合 MIL-PRF-19500 等行業(yè)標準或作為 DLA 或 ESA QPL 提供的空間 GaN 選項。

圖 5：SupIR-SMD 封裝減輕了高可靠性應用中經(jīng)常遭受的熱感應焊點應力。

概括

選擇正確的組件對于所有太空任務的成功至關重要，但許多因素——如任務概況、預算限制、風險等——會影響哪些部件和技術最適合這種情況。隨著行業(yè)和技術的發(fā)展，設計師無疑會發(fā)現(xiàn) COTS 和抗輻射組件都有用處。然而，目前只有抗輻射硅設備已經(jīng)證明了經(jīng)過數(shù)十年使用的飛行證明，加上完善的質量和可靠性標準以及豐富的技術理解。此外，使用抗輻射硅，系統(tǒng)設計人員可以確保此類設備符合 JANS 和 QPL 標準，并且可以滿足需要這些級別可靠性的任務的 TOR 要求。為了在空間應用中獲得最高水平的信心和可靠性，

審核編輯：湯梓紅